Uit-van-rond draaien: Een nieuwe era voor transmissiefabrikatie

Automotieve transmissies blijven evolueren. Ze blijven ook spline- en krimpkoppelingen gebruiken voor interne ascomponenten. Echter, Reiner Jörg, hoofdingenieur van machinefabrikant Weisser's R&D-afdeling in zuid-Duitsland, zegt dat polygonkoppelingen of polygon as-naaf-verbindingen een goed alternatief zijn voor deze traditionele verbindingsmethoden voor transmissiecomponenten.

“Polygonkoppelingen zijn niets nieuws,” zegt hij. “Ontworpen om veelvoorkomende falenproblemen geassocieerd met splines en sleutel-as-befestigingen te elimineren, is het algemene polygon-systeem een bewijsbare superieure methode voor het maken van veeleisende mechanische verbindingen die sterker, nauwkeuriger zijn en een aanzienlijk langere levensduur hebben, omdat effectieve belastingverdeling puntcontact praktisch elimineert, wat spanningsvermoeiding en vervorming minimaliseert. De polygon heeft een grotere capaciteit voor moment dan elke andere asbefestiging. De krachtoverdracht en belastingwaarderingen zijn geoptimaliseerd en een kortere asverbinding kan vaak gebruikt worden en waardevolle ruimte bespaard. Minder versnelde massa in een kleinere ruimte zoals tandwielkasten draagt bij tot de bovengenoemde brandstofzuinigheid.”

Toch zegt hij dat auto-fabrikanten polygonkoppelingen nog niet voor hun transmissies hebben aangenomen. Een reden is dat de onderdelen moeilijk te machineeren zijn. Echter, Weisser's uit-van-rond draaitechnologie kan dat veranderen door fabrikanten in staat te stellen afgeronde polygonale vormen in één opstelling op één machine te draaien. Zulke capaciteit kan uit-van-rond draaien een efficiënter alternatief maken voor de profielfrees- en slijpprocessen die typisch gebruikt worden om traditionele automotieve as-naaf-verbindingen te produceren.

Sinds de introductie in 1993, is uit-van-rond draaien gebruikt voor harde en zachte bewerking van teruggaande zuigers voor verbrandingsmotoren van aluminium en staal, geharde nokassen, polygonale profielen of vormen, en automotieve brandstofpompen. Nu werkt Weisser aan verschillende projecten met originele apparatenfabrikanten (OEMs) om te demonstreren hoe bredere adoptie van dit proces het haalbaar kan maken om traditionele as-naaf-verbindingen te vervangen door polygonkoppelingen.

Bijvoorbeeld, het Hyperspeed Oval Turning (HOT) uit-van-rond bewerkingssysteem van het bedrijf is een afzonderlijke eenheid die integreert met het Vertor verticale draaimachine van het bedrijf. Ovale of uit-van-rond vormen worden geproduceerd door de interactie van de werkstukspindelas met de diameter-genererende voedas van het gereedschap.

De snijrand van het gereedschap beweegt in dezelfde richting als de X-as en loodrecht op de werkstukspindelas. De snijrand kan variabel in dit notionale vlak worden gepositioneerd om radiale en frontale contouren of halfbolvormige uit-van-rondheid te produceren. Weisser gebruikt lineaire aandrijvingen in plaats van balspindels om de ovale draai-eenheden te versnellen.

De kracht van de dynamische aandrijving is deels vereist voor de versnelling van de massa en deels vereist als de kracht die op de snijrand van het gereedschap tijdens bewerking werkt. Het snijgereedschap kan in een radiale oscillerende beweging versneld worden tot 130 G's. Dit versnellingenniveau is zo extreem, zelfs voor de nieuwste Siemens en Bosch Rexroth CNC's, dat de meeste toepassingen versnellingen van slechts 30 tot 90 G's omvatten.

“Voor een gegeven uit-van-rondheid, is de maximaal toelaatbare toer/min van het werkstuk gerelateerd aan de maximale versnelling van het gereedschapbit, geproduceerd door de oscillerende aandrijving. Een nominale versnelling van 30 G's faciliteert de hoogste nauwkeurigheid en de generatie van een eerste-klas oppervlakte-afwerking,” zegt Jörg.

Ondanks de hoge nominale versnelling, worden speciale schokabsorberende eigenschappen gezegd precisie te garanderen door de kracht die op de machinebasisstructuur wordt uitgeoefend te beperken. “Ons systeem compenseert versnellingskrachten door versnellingswerk om te zetten in kinetische energie, zodat machinetrillingen geëlimineerd worden en hoge oppervlakte-kwaliteiten behaald worden,” legt Jörg uit. “Vanwege de geïntegreerde snijkraftcompensatie, kunnen de netto snijkrachten (passieve krachten) bijna volledig geneutraliseerd worden.”

Een van Weisser's klanten produceert polygonale nokken in minder dan één minuut in één opstelling en vier draaipassen, inclusief vlakbewerking en affaseringsoperaties. Bij 1.500 toer/min, genereert de uit-van-rond draaieenheid een voeding van 0,1 mm per rotatie en een snijdiepte van 0,8 tot 2 mm. De onderdelen worden afgerond met een nauwkeurigheid van ±10 micron.

Een andere klant die een stap verder is gegaan dan veel internationale concurrenten, heeft al een polygonkoppeling geïntegreerd in een nieuw ontwikkelde tandwielkast, met behulp van Weisser's HOT-technologie. “De klant verving de spline-as door een polygon-as in de zevende versnelling, wat de aslengte verminderde van 20 tot 12 mm aangezien de polygon een grotere capaciteit voor moment heeft dan elke andere asbefestiging,” zegt Jörg. “Dus kan een kortere asverbinding gebruikt worden en waardevolle ruimte bespaard.” De ruimtebesparing hielp de transmissieverhouding van de eerste versnelling te optimaliseren, die vermoeidheidsproblemen had met het oorspronkelijke ontwerp.

Door zijn HOT-technologie voor polygon as-naaf-verbindingen te duwen, heeft Weisser tot nu toe ongeveer 100 machines verkocht met een geïntegreerde uit-van-rond draaieenheid. Het biedt nu zijn Vertor C verticale draaimachine met een automatische gereedschapswisselaar aan om nog flexibelere bewerking mogelijk te maken. Volgens Jörg is de haalbare nauwkeurigheid momenteel beperkt door de capaciteit van de CNC. “Als je je machine op 1.800 toer/min draait en je wilt je onderdeel machineeren met een resolutie van één graad met onze uit-van-rond draaieenheid, moet de controller 9.180 signalen per seconde verwerken. We praten over een resolutie in het gebied van nanoseconden. Dat is de beperkende factor. Maar we werken aan het verder beperken van deze systeemgrenzen om op micron-tolerantieniveau te machineeren.”