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通过“板锻造”成型摆线齿轮，EV减速器成本降至1/10 |
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| http://cn.newmaker.com
9/17/2010 9:27:00 AM
日经BP社
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作为电动汽车（EV）新的驱动动力源，置于车轮内侧的轮内马达被寄予了厚望。面向这种马达用途，日本Syvec Corporation（总部：长野县盐尻市）开发出了低成本小型摆线（Cycloid）减速器。
成就此次开发的，是一种被称为“板锻造”的加工技术。借助该技术，仅用冲压机就能高精度地制造出摆线齿轮。目前只有该公司能够加工用于驱动系统减速器的那种既大又厚的齿轮。将目前只能通过切削方式制造、因而成本较高的这种齿轮改为板锻造方式后，加工成本可降至以往的1/10。不仅是摆线齿轮，对于为了降低成本而希望将切削件改为冲压件的需求，板锻造方式也能予以满足。
比行星齿轮机构更小
像它的名字一样，摆线减速器由齿形呈摆线形*1的摆线齿轮啮合而成（图1、2）。如果与普通渐开线（Involute）齿轮对比的话，摆线齿轮由于齿面间的滑移量恒定、摩擦损耗较小，因而减速效果较好。由于齿跟的宽度可以加宽，因此，强度及刚性较高，传导扭矩较佳。所以可加大减速比。而且，由于构造简单，因此，部件的个数较少。
*1摆线沿直线滚动的圆的圆周上的1点所绘出的轨迹。
图1 摆线减速器的内部构造
通过齿形呈摆线形的摆线齿轮“输出齿轮”“二级齿轮”“内齿轮”相互啮合来进行减速。其中，输出齿轮及二级齿轮这两者以板锻造方式成型。另外，内齿轮隐藏在二级齿轮的背面（壳体中），看不到。
图2 摆线减速器
面向电动汽车上配备的轮内马达用途开发而成。减速比为1/18.9。最高输入转速为1万5000rpm，最大输出扭矩为250N·m。
由于具有上述这些特点，摆线减速器能够造得比现有的行星齿轮机构更小更轻。如果与相同减速比的行星齿轮机构相比，厚度可降至一半，重量及部件个数可减少到1/2以下。正好适用于必需延长平均每次充电的行驶距离（一次充电的续航距离）、并且提高部件布局自由度的电动汽车的需求。还可充分满足需求依然强烈的发动机车及混合动力车的小型及轻量化。
摆线减速器及摆线齿轮本身并不是新生事物，小型的摆线减速器及摆线齿轮已在机械式钟表等领域得到广泛采用。但是，在需要较大的减速器及齿轮的汽车领域，采用先例却极其稀少。最大的理由是因为成本较高。
与渐开线齿轮不同，作为汽车部件使用的摆线齿轮的专用机床及刀具目前尚未普及。因此，此前是利用通用机床等对钢材进行切削，然后加工而成的。这种方法“需要5道工序，1个摆线齿轮（同下面提到的“二级齿轮”）的加工要花5个小时”（日本Syvec Corporation的Value Technology研究所研究员长田直树）。其结果是，加工成本的大幅上升，导致摆线齿轮在汽车领域受到冷遇。
冷锻与板金加工的融合
摆线齿轮的高成本壁垒，被日本Syvec Corporation的冲压加工技术突破了。该公司用1台冲压机和1个模具（顺序模具）成功地加工出了摆线齿轮。如果能够实现量产化的话，则可以3～4秒1个的工件生产时间来制造摆线齿轮。该公司称，由此可使加工成本降低到切削件的1/10 *2。
*2以板锻造方式形成摆线齿轮之后，再进行热处理。这个工序与切削件没有不同。因此，本文所述成本为机械加工的成本。
制造摆线齿轮的冲压加工技术，是日本Syvec称为“冷锻顺序冲压”的板锻造技术。用装在冲压机上的顺序模具对板状工件（卷材）进行冷锻，使之成型，这也是“冷锻顺序冲压”名称的由来。
板锻造是将冷锻以及板金加工两种技术融合而成的加工方法（图3）。两种加工法的长处及短处正好不同。冷锻能够成型厚壁的部件，但由于与板金加工所采用的顺序模具不同，不能在1个模具中嵌入多个工序，因此，难以完成复杂形状部件的成型。而板金加工虽然擅长加工复杂的形状，但却只能成型壁厚较薄的部件。板锻造是只从中吸取双方的长处开发出来的的技术。也就是说，板锻造能够成型复杂形状的厚壁部件。
图4以具有齿轮形状的样品部件为例，展示了进行板锻造加工的工件在顺序模具中是怎样发生变化的。工序为17道。最初的6道工序进行修整（Trimming），在随后的8道冷锻工序中，前4道工序完成齿轮成型，后4道工序进行孔穴加工。最后，通过3道工序来切除余料，将成型的部件从卷材上切割下来即大功告成。为了保守技术秘密，摆线齿轮的顺序模具没有对外公布，但该公司称，工序数约为20道，加工步骤与该样品部件没有太大差别。
齿轮的形状精度为30～40μm
摆线减速器由合计13个部件组成。是由3枚摆线齿轮“输出齿轮”“二级齿轮”“内齿轮”、输入轴与输出轴、6个轴承、以及2个部件组合而成的机体 *3。其中，通过板锻造进行加工的是输出齿轮及二级齿轮。前者及后者分别由板厚为6mm和板厚为11mm的热轧钢板（SPHC）卷材成型加工而成。
*3内齿轮通过板金加工成型。
此次试制的摆线齿轮的加工精度中，形状精度方面，表示齿形与摆线相似程度的齿面轮郭度、以及厚度方向的直角度均高达40μm。其他厂商的板锻造产品的此类精度“为100～150μm”（日本Syvec的长田）。该公司计划到定于2011年初春的量产阶段时，将上述40μm的数值进一步缩小到30μm。此次试制的摆线减速器效率在负荷时为80％，但该公司称，如果能将加工精度提高到30μm，则可将效率提高到与采用切削件齿轮的摆线减速器相同的82％。
另外，齿面的表面粗度（表面粗糙度）为Ra1.6μm。虽然这种表面粗度也可以通过切削来实现，但“刀具的管理很麻烦，在量产工序中保持这一表面粗度是很难达到的水平”（日本Syvec的长田）。
满足“更大更厚”的需求
日本Syvec以这种板锻造技术为武器开始涉足汽车领域。在此之前，该公司主要在电子设备及电子领域从事部件的外包加工，但生产基地转移到中国等低成本国家后，该领域的部件产量逐渐减少。为了在这种环境下生存下去，该公司开始转向日本国内生产量较多的汽车产业。
日本Syvec首次接到通过板锻造加工的汽车部件的订单，是在2004年。那是一种嵌装在混合动力车换挡杆（Shift Lever）的减速器中的摆线齿轮。为冷轧钢板（SPCC）造，厚度约为3mm。由于车辆中安装部件的空间较窄，行星齿轮机构放不进去，因此，减速比相同但薄度较薄的摆线减速器被该公司看中。接下来，这一业绩又吸引来了高档车用发动机的气门正时机构减速器中嵌装的摆线齿轮的订单。当时为SPHC造、厚度约为7mm。
也就是说，日本汽车业界存在着希望用低成本的冲压件取代成本较高的切削件，如果可能的话，希望在更大更厚的部件上也能这样做的旺盛需求 *4。日本Syvec用板锻造方式高精度地加工较厚的部件，满足了这一需求。另外，用板锻造方式制造直径为100mm左右、厚度为11mm的摆线齿轮，在技术上已具有可行性。由于摆线齿轮可增大传导扭矩，为了迎接即将到来的电动汽车时代，该公司开发出了轮内马达用摆线减速器。
*4本文所说的切削件不只是仅仅进行切削加工的部件，还包括烧结及切削、压铸及切削、精密冲裁（Fine Blanking）及切削等在后工序进行切削的部件。
借助机床拉开差距
要想通过板锻造方式使既大又厚的部件如此高精度地成型，就必须对大型的顺序模具进行高精度加工。通常，模具越小要求的精度越高，越大则精度要求则相对较低。例如，由于小的电子部件等要求进行微细加工，因此，模具也要求具有较高的精度，但大型部件则不会要求那么高。但是，这种不太高的精度则制造不出需要较高加工精度的、可以板锻造方式成型既大又厚的摆线齿轮的顺序模具。
日本Syvec在大型顺序模具上实现了与小型顺序模具相同的加工精度。可在相同的精度下加工全长为300～2500mm的顺序模具。为了做到这一点，该公司导入了高精度机床。虽然这些大都是昂贵的设备，但“不导入的话，就无法在竞争力上拉开差距”（日本Syvec的长田）。该公司一方面量产客户订购的部件，另一方面有半数员工长年开发着眼于数年后的新加工技术，导入昂贵但性能较高的设备，也有对未来进行投资的意思。
日本Syvec导入的高精度机床有两种。一种是市售机床中加工精度为最高水平的产品。例如，在用于模具盘（Die Plate）等板材类加工的线切割放电加工机方面，该公司选择了可以以1.5μm的形状精度高精度加工工件的产品。
另一种是与机床厂商联手开发的特殊性能的机床。例如，与安田工业联手开发出了用于定位模具板材的模架（Die Set）加工的3轴控制加工中心（MC）。该产品将相距2000mm加工出的2个孔的距离误差（间距精度）缩小到了3μm。该公司称，市售的3轴MC的间距精度较之要大数倍。
另外，该公司还与冲压机厂商联手开发出了加压力为6000kN（约600t）的伺服冲压机。分别与日本网野（Amino，总部：静冈县富士宫市）联手开发出了2台伺服冲压机，与日本上泷精机（Kohtaki Precision Machine，总部：静冈县长泉町）联手开发出了1台伺服冲压机。
进行板锻造时，由于要在顺序模具中进行冷锻，因而会产生较大的局部荷重，如果采用普通的冲压机，上下移动的滑板有时会出现翘曲并产生变形。这种情况下，冲头会倾斜进入，与其他模具部件碰撞，从而产生摩耗或者缺损。这是因为，由于是高精度的模具，所以冲头与孔穴之间的间隙极小。这样一来，不仅工件的加工精度会下降，还有可能产生飞边。
此次联手开发的伺服冲压机不仅可设定灵活的运动曲线（Motion Curve），而且还提高了上下移动的滑板的刚性，减小了变形。这样一来，由于冲头几乎沿垂直方向上下移动，便没有了加工精度变差以及飞边发生的担心。
冲头的形状精度为1.5μm
冲头的加工采用了日本天田（Amada）造的“图形化轮廓磨床”。这种磨床配备了用CCD摄像头在线测定磨削过程中的工件、并进行自动补偿的系统。如果在磨削过程中砂轮出现摩耗，则会产生磨削不足，在这种情况下工件不会形成想要的形状。对此，这种磨床通过增加砂轮的越程来补偿摩耗，从而提高工件的加工精度。
以这种轮廓磨床为原型，日本Syvec将其改造成了更高精度的机型。首先，配备了分解能为10nm的标尺，从而提高了工作台的X/Y/Z轴导轨面的精度，可进行微细定位。然后，将为防止与冲头相干扰而设置的砂轮座的后角固定下来，使砂轮的角度保持恒定。另外，追加了主轴（Spindle）的输出功率可变功能，从而可控制主轴的输出功率。
该公司之所以如此改动性能指标，是为了从坯料开始一气呵成地切削完成成品冲头。由设置在机身旁边的机器人负责更换砂轮，用1台这种轮廓磨床完成从粗磨到精磨的工序。通过精磨加工，可将冲头的表面加工成镜面。由此，形状精度为1.5μm、表面粗度为Rz0.2μm的冲头制造完成。
一般情况下，用线切割放电加工机将坯料切割成适当的大小及形状之后，再用磨床进行加工。但是，由于无法实现镜面加工，因而磨削后还要由操作员进行研磨加工 *5。与此不同，由于该公司的轮廓磨床可省去人工研磨加工的工序，因而可不分昼夜地加工冲头。
*5研磨加工：在研磨平板与工件之间填入磨料（研磨剂），将两者压紧并使其相对运动，借此对工件表面进行微细研磨的方法。同时使用磨料及研磨液的称为湿式研磨，不使用研磨液的称为干式研磨。
实现残余应力影响较小的工序设计
要想高精度地成型既大又厚的摆线齿轮，完美控制材料的移动（塑性流动）的工序设计也很重要。在冷锻过程中，当冲头向工件加压时，材料会变形，变成与冲头形状相似的形状。然而，提起冲头后，残余应力有时会导致工件收缩或者扩张（变大）。这样一来，摆线齿轮的形状便会破坏。
为了防止这一问题，该公司充分利用了CAE。对冷锻时如何保证材料顺畅流动进行了分析，实现了可能减小残余应力所导致的尺寸变化的工序设计。这种CAE分析可针对冲压机的压力，模拟工件上产生的表面压力、残余应力以及裂纹等。该公司称，当存在多个选项而不知如何选择时，便利用CAE分析来确认最可行的方向。不过，由于CAE分析并不是十全十美，因此，模拟后还要试制模具，实际确认是否实现了所期望的工序设计。
摆线齿轮用冲压机进行加工之后，还要进行淬火。由于这种热处理会导致材料收缩或者膨胀，因此，这样会使得摆线齿轮的尺寸发生变化。为此，该公司在工序设计中还考虑了热处理变形问题，保证了摆线齿轮的加工精度。（记者：近冈 裕）
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