新能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵加工工藝與檢測分析

羅應(yīng)濤

摘 要：電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的重要結(jié)構(gòu)，會(huì)直接影響新能源汽車質(zhì)量。文章研究新能源汽車內(nèi)電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)、參數(shù)、加工工藝、檢測方法，以保障內(nèi)花鍵的規(guī)格參數(shù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。研究結(jié)果表明，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求，合理選型布局，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)，加以數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和檢測，能夠確保電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵質(zhì)量滿足要求，抗疲勞壽命符合標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電動(dòng)機(jī)軸 內(nèi)花鍵 加工檢測

1 引言

新能源汽車于近些年快速發(fā)展，具有良好的節(jié)能、減排效果。電動(dòng)機(jī)作為汽車主要元件，其質(zhì)量是影響汽車行駛壽命和性能的關(guān)鍵，主軸轉(zhuǎn)速通常在10000r/min左右。內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)內(nèi)主要傳動(dòng)裝置，對(duì)加工精度、結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求較高，承載傳遞扭矩力和動(dòng)力作用。企業(yè)在生產(chǎn)加工中，應(yīng)注重內(nèi)花鍵加工工藝的選擇和優(yōu)化，并開展花鍵質(zhì)量參數(shù)檢測，以確保強(qiáng)度、精度滿足要求。

2 電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵的作用及結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 內(nèi)花鍵作用

能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵是連接電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和軸的重要部件。它的作用是固定轉(zhuǎn)子在軸上，使其能夠與軸同步旋轉(zhuǎn)，同時(shí)傳遞電動(dòng)機(jī)的扭矩和動(dòng)力。具體來說，軸內(nèi)花鍵通過與轉(zhuǎn)子上的槽相配合，使轉(zhuǎn)子和軸之間形成一個(gè)緊密的連接，防止轉(zhuǎn)子在工作過程中產(chǎn)生滑動(dòng)或脫離軸的情況。軸內(nèi)花鍵通常由高強(qiáng)度材料制成，具有良好的抗剪強(qiáng)度和耐磨性。它的設(shè)計(jì)和加工精度要求較高，以確保花鍵與轉(zhuǎn)子槽的匹配度和連接可靠性。在電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，軸內(nèi)花鍵承受著較大的力和扭矩，因此需要經(jīng)常檢查和保養(yǎng)，以確保其正常工作[1]。

總之，新能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵的作用是固定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在軸上，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與軸的同步旋轉(zhuǎn)，并傳遞扭矩和動(dòng)力。它是電動(dòng)機(jī)正常工作的重要組成部分。

2.2 內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)及參數(shù)

能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵的結(jié)構(gòu)組成包括軸、花鍵、轉(zhuǎn)子和槽等，軸是花鍵的基礎(chǔ)部分，通常由高強(qiáng)度材料制成，如合金鋼或不銹鋼。軸的設(shè)計(jì)和加工精度要求較高，以確保花鍵與軸的匹配度和連接可靠性。花鍵是連接軸和轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵部件，通常是一個(gè)長方形或梯形的凸起結(jié)構(gòu)。它與轉(zhuǎn)子上的槽相配合，形成一個(gè)緊密的連接，防止轉(zhuǎn)子在工作過程中產(chǎn)生滑動(dòng)或脫離軸的情況。花鍵通常由高強(qiáng)度材料制成，具有良好的抗剪強(qiáng)度和耐磨性。轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，通過軸和花鍵與軸連接。轉(zhuǎn)子通常由多個(gè)磁極和繞組組成，通過電流產(chǎn)生磁場，并與定子相互作用，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的重量和平衡性對(duì)花鍵的設(shè)計(jì)和選擇有一定的影響。槽是轉(zhuǎn)子上用來容納花鍵的凹陷結(jié)構(gòu)。槽的形狀和尺寸需要與花鍵相匹配，以確保花鍵能夠正確插入槽中，并形成緊密的連接。槽的設(shè)計(jì)和加工精度也對(duì)花鍵的安裝和連接起著重要作用。

花鍵在結(jié)構(gòu)中的主要技術(shù)參數(shù)應(yīng)得到良好控制，以某企業(yè)生產(chǎn)的電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵為例，其棒間距應(yīng)控制在21.3mm左右，全跳動(dòng)參數(shù)為0.04mm，齒數(shù)量為20，漸開線起始圓直徑為25.9mm，齒槽寬度在2.5mm左右，變位系數(shù)為0.36，標(biāo)準(zhǔn)壓力角為30°。基于上述參數(shù)的選擇，對(duì)內(nèi)花鍵進(jìn)行加工處理，使得其結(jié)構(gòu)和參數(shù)滿足實(shí)際應(yīng)用的要求，質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3 電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵加工工藝選擇應(yīng)用

3.1 工藝類型及選擇

新能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵的工藝分類主要根據(jù)制造方法和材料的不同進(jìn)行劃分。按照加工工藝，可將其分為冷擠壓工藝、熱擠壓工藝、銑削工藝、激光切割工藝等。冷擠壓是將金屬材料通過模具施加壓力，使其在室溫下變形成型的工藝。這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高效率、高精度生產(chǎn)，適用于批量生產(chǎn)和大規(guī)模生產(chǎn)。冷擠壓花鍵的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高、工藝穩(wěn)定性好，但需要專用設(shè)備和模具。熱擠壓是將金屬材料加熱至一定溫度后，在模具中施加壓力進(jìn)行變形成型的工藝。這種工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高強(qiáng)度的花鍵制造，適用于對(duì)材料性能要求較高的情況。熱擠壓花鍵的優(yōu)點(diǎn)是材料均勻性好、耐磨性強(qiáng)，但設(shè)備和能源消耗較大。銑削是通過銑床等設(shè)備將材料切削成所需形狀的工藝。這種工藝適用于小批量生產(chǎn)和個(gè)性化制造，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的花鍵加工。銑削花鍵的優(yōu)點(diǎn)是加工精度高、表面質(zhì)量好，但加工周期較長。光切割是利用激光束對(duì)材料進(jìn)行切割的工藝。這種工藝適用于小批量生產(chǎn)和個(gè)性化制造，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、無接觸的花鍵加工。激光切割花鍵的優(yōu)點(diǎn)是加工速度快、無污染，但設(shè)備和能源消耗較大[2]。

在加工工藝選擇上，需要考慮到加工要求和所使用的材料，在批量生產(chǎn)中，大都采用熱處理工藝，在單個(gè)樣品的生產(chǎn)及加工之中，多使用銑削工藝。本文為達(dá)到精度要求，在新能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵加工時(shí)使用冷擠壓制坯+洗消工藝，以確保精度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體加工工藝流程如圖1所示。

3.2 冷擠壓制坯工藝

為確保內(nèi)花鍵的擠壓、拉削、淬火等過程中能夠確保加工元件的硬度能夠滿足質(zhì)量要求，選擇投入應(yīng)用的材料為20CrMo合金鋼，硬度指標(biāo)接近160HBS。在下料期間，控制下料的厚度在22mm左右，隨后在車床上加工處理，將其擠壓制作成為40×20mm的坯餅，并保持材料表面的粗糙度在12um以內(nèi)。冷擠壓處理過程中選擇的設(shè)備為油壓機(jī)，設(shè)備采納數(shù)為500t，在擠壓之前，在鋼坯的表面涂抹一定量的磷酸鹽，并涂抹一定量的硬脂酸肥皂，確保材料表面的光滑程度，經(jīng)過擠壓之后得到毛坯。隨后，對(duì)其進(jìn)行拉削處理。

3.3 內(nèi)花鍵拉削工藝

為確保內(nèi)花鍵在電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)具備良好的同軸度，且尺寸參數(shù)和精度參數(shù)可以滿足要求，使用精密拉削加工工藝，加工合金鋼原材料。利用拉刀設(shè)備刀齒確保加工精度。在拉削加工期間，將高強(qiáng)度的合金鋼材料放置到特定的位置，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求和軸的尺寸，確定花鍵的形狀和尺寸。本次加工的花鍵為長方形的凸起結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)備拉削機(jī)床和相應(yīng)的刀具，檢驗(yàn)并確保設(shè)備和刀具的狀態(tài)良好，以保證加工質(zhì)量。安裝工件時(shí)，將軸安裝在拉削機(jī)床上，并固定好，并根據(jù)花鍵的位置和尺寸要求，調(diào)整刀具的位置和角度，確保刀具與軸的接觸面平整。啟動(dòng)拉削機(jī)床，使刀具與軸接觸，并沿著花鍵的方向進(jìn)行拉削。控制加工速度和深度，以確保加工質(zhì)量。完成拉削加工后，使用測量工具檢查花鍵的尺寸和表面質(zhì)量。確保花鍵符合設(shè)計(jì)要求。完成加工初步檢驗(yàn)之后，清潔加工后的軸和設(shè)備，及時(shí)清除切屑和油污。拉削處理過程中的拉削速度、壓力、行程等均會(huì)影響到加工的質(zhì)量，控制拉削速度為15mm/s，壓力參數(shù)控制在8KN左右，拉削時(shí)間在10s左右。拉削期間使用植物菜油作為切削液，以確保拉削期間不會(huì)對(duì)刀具造成較大的磨損。

拉削加工期間，車床加工尺寸單向公差最大值控制在0.03mm左右，為保持內(nèi)齒全跳動(dòng)，在中心孔位置夾持外圓，跳動(dòng)參數(shù)控制在0.01mm以內(nèi)。且在夾持拉削期間，為確保定位的準(zhǔn)確度，避免夾持面及頂尖孔位置存在臟污垢等，加工前將外圓跳動(dòng)打標(biāo)精度控制在0.01mm以內(nèi)[3]。

3.4 底孔加工工藝

電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵加工期間，刀具的前導(dǎo)向和后導(dǎo)向與底孔位置接觸。內(nèi)花鍵槽底孔的尺寸、形狀、精度需要滿足加工制作的要求，并切實(shí)保持加工過程中內(nèi)花鍵漸開線的同軸度。加工過程中，孔深為60mm，直徑參數(shù)為6mm，屬于深孔加工方式，需要在密封的環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行處理。但在拉削加工期間，受加工環(huán)境的影響，導(dǎo)致其存在渣屑排出困難，潤滑難以保持的問題。因此，在加工工藝應(yīng)用期間，嚴(yán)格控制精度，并切實(shí)保障排屑要求，采用立式加工的方法，設(shè)置冷卻系統(tǒng)，使得冷卻液可以達(dá)到刀尖位置，起到消除加工熱量及排除切割屑的作用，將渣屑從槽內(nèi)排出孔外，以確保加工的質(zhì)量滿足要求。在加工期間，增加導(dǎo)向孔，減少深孔鉆削期間刀具可能產(chǎn)生形變的情況，以確保深孔加工的精度能夠滿足要求。

3.5 拉刀設(shè)計(jì)加工應(yīng)用

內(nèi)花鍵加工期間，槽型尺寸和精度受刀具影響較大，拉刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)計(jì)是確保加工精度能夠滿足應(yīng)用要求的關(guān)鍵。本次對(duì)電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵的加工使用專用刀具，設(shè)置整體結(jié)構(gòu)，刀具的組成包括拉桿、前導(dǎo)向、后導(dǎo)向、刀齒等，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要確保加工期間內(nèi)花鍵同軸度滿足要求，分別為精、粗、修正、容屑四類，確保能夠有效處理加工期間所產(chǎn)生的渣屑。拉削工藝應(yīng)用期間，很難將渣屑排出，且冷卻較為困難，在加工摩擦生熱期間，可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)花鍵結(jié)構(gòu)尺寸出現(xiàn)形變的問題，且產(chǎn)生的應(yīng)力也會(huì)影響到刀齒的結(jié)構(gòu)。因此，在刀齒材料的選擇上，使用粉末冶金高速鋼，該類鋼材具有很強(qiáng)的韌性，且具有良好的耐磨屬性，形變量較小，加工精度較高，將其作為拉刀材料應(yīng)用具有良好的適應(yīng)性。內(nèi)花鍵鍵槽的加工，受刀齒的影響較大，齒量、齒距、齒寬等參數(shù)會(huì)直接影響到最終加工的精度參數(shù)，且會(huì)影響到加工期間的拉削力。加工期間的齒升量越高，則產(chǎn)生的切屑量也越多。在加工過程中，考慮到拉削加工的應(yīng)用要求，對(duì)刀齒的加工切削參數(shù)進(jìn)行控制[4]。

粗加工的齒升量為0.05mm，前角和后角分別為12°和2°，齒刀刃帶寬度為0.15mm。精加工的刀齒齒升量為0.02mm，前角和后角的度數(shù)分別為12°和2°，韌帶寬度為0.15mm。修正加工的刀齒徑量為0，前角和后角的參數(shù)與粗加工和精加工相同，刃帶寬度為0.3mm。

4 電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵檢測方法及結(jié)果

4.1 檢測方法

電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵檢測包括精度測量、強(qiáng)度測試等，主要檢測其是否能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的基本要求。在對(duì)花鍵檢測之前，使用目視或觸摸的方式檢查花鍵的表面質(zhì)量，包括表面光滑度、無明顯劃痕或凹陷等。必要時(shí)使用顯微鏡或放大鏡等工具進(jìn)行詳細(xì)檢查。完成初步檢驗(yàn)之后，使用工具對(duì)元件進(jìn)行棒間距檢測、強(qiáng)度測試、配合度檢測等，以確保其可以良好應(yīng)用到新能源汽車的電動(dòng)機(jī)之中，發(fā)揮良好的傳動(dòng)作用。檢測采用抽樣檢測的方法，對(duì)工件的相關(guān)性能參數(shù)進(jìn)行明確，具體的檢測內(nèi)容如下。

4.2 棒間距檢測

棒間距檢測是對(duì)花鍵的間距進(jìn)行測量和檢查，以確保花鍵的位置和間距符合設(shè)計(jì)要求。棒間距檢測主要應(yīng)用到首檢測和抽檢項(xiàng)目之中。由于加工過程中涉及淬火、冷卻等環(huán)節(jié)，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)形變的問題，為確保經(jīng)過熱處理后的元件形變量能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用棒間距檢測方法，驗(yàn)證加工工藝效果。在棒間距檢測期間，使用測量桿對(duì)準(zhǔn)刻度位置，并保持環(huán)規(guī)的穩(wěn)定性，緩慢移動(dòng)檢測工具，并對(duì)比千分表內(nèi)的數(shù)值，將其與環(huán)規(guī)校準(zhǔn)值相對(duì)應(yīng)。隨后，對(duì)內(nèi)花鍵的棒間距進(jìn)行測定，根據(jù)齒花鍵，選擇與軸線方向相一致的齒位置作為測量點(diǎn)，確定每個(gè)齒點(diǎn)的測量位置。測量爪對(duì)準(zhǔn)測量位置之后，將其插入，敲擊測量高后保持最大值，讀出測量值。每個(gè)內(nèi)花鍵測量點(diǎn)數(shù)為3個(gè)，每間隔兩齒測量1次，記錄數(shù)據(jù)。測量過程中，需要將花鍵之中的油污、渣屑等清除干凈，測量過程中保持檢測工具的清潔程度。采用上述方法測量之后，棒間距的散差最大值為0.028mm，最小值為0.012mm，散差值滿足標(biāo)準(zhǔn)的0.071mm要求，加工尺寸的精度得到保障[5]。

4.3 粗糙度檢測

電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵加工粗糙度檢測是為了評(píng)估花鍵表面的光滑程度和粗糙度，以確保加工質(zhì)量。選擇適合的測量工具，比較常用的粗糙度檢測工具為表面粗糙度儀、光學(xué)顯微鏡或觸摸式表面粗糙度計(jì)等。本次測量所使用的工具為觸摸式表面粗糙度計(jì)。準(zhǔn)備好粗糙度檢測工具之后，對(duì)內(nèi)花鍵進(jìn)行固定，將軸安裝在適當(dāng)?shù)奈恢茫⒐潭ê茫褂脺y量工具，在花鍵表面進(jìn)行測量。將測量工具放置在花鍵表面，確保工具與表面接觸并垂直于軸。將測量結(jié)果記錄下來，包括表面粗糙度的數(shù)值和單位，隨后將測量結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比對(duì)，判斷花鍵的粗糙度是否符合要求。根據(jù)粗糙度檢測結(jié)果，工件的表面粗糙度數(shù)值為0.4um，槽表面的粗糙度數(shù)值是0.8um，工件最終加工的粗糙度滿足要求。

4.4 結(jié)構(gòu)性檢測

結(jié)構(gòu)性檢測是檢測結(jié)構(gòu)連接緊密性的方法，本項(xiàng)目主要用于檢測花鍵與軸之間的配合度，以及雙方連接的穩(wěn)定性。檢測期間使用專用配合度測試工具，將花鍵和軸準(zhǔn)備好，經(jīng)過棒間距檢測后，確保它們的尺寸和形狀符合設(shè)計(jì)要求，將花鍵插入軸上的槽中，確保插入的深度和位置正確。插入深度控制在6mm左右，觀察花鍵插入軸槽的緊密程度和穩(wěn)定性。如果插入過松或過緊，可能需要調(diào)整花鍵或軸的尺寸。將每個(gè)花鍵與軸的配合度測試結(jié)果記錄下來，包括插入深度、穩(wěn)定性等信息。最終檢測結(jié)果表明，花鍵與軸之間的連接緊密度良好，且穩(wěn)定性能夠滿足要求，可應(yīng)用到新能源汽車的電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)軸之中。

4.5 強(qiáng)度檢測

電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵加工強(qiáng)度檢測是為了評(píng)估花鍵與軸之間的連接強(qiáng)度，以確保其能夠承受預(yù)期的工作負(fù)荷。本次檢測應(yīng)用常規(guī)檢測方法，分別使用拉力試驗(yàn)機(jī)、扭矩計(jì)或剪切試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，檢測元件的扭矩力、抗拉力、抗剪切力。檢測過程中，使用測試設(shè)備施加力或扭矩到花鍵與軸之間的連接處。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施加適當(dāng)?shù)牧蚺ぞ兀⒂涗浭┘拥臄?shù)值。在施加力或扭矩的同時(shí)，觀察花鍵與軸之間的連接狀態(tài)。檢查是否有松動(dòng)、變形或斷裂等現(xiàn)象。將每個(gè)花鍵與軸的連接強(qiáng)度測試結(jié)果記錄下來，包括施加的力或扭矩?cái)?shù)值以及連接狀態(tài)的描述。將測試結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比對(duì)，判斷花鍵與軸的連接強(qiáng)度是否符合要求。檢測結(jié)果表明，其最大抗拉強(qiáng)度為1725MPa，最大抗拉力強(qiáng)度為1829MPa，扭矩力最大值4620N，可滿足應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

綜上所述，新能源汽車電動(dòng)機(jī)軸內(nèi)花鍵的結(jié)構(gòu)組成包括軸、花鍵、轉(zhuǎn)子和槽等部分，各部分相互配合，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)良好運(yùn)轉(zhuǎn)。在加工期間，應(yīng)采用合理的加工工藝，注重結(jié)構(gòu)參數(shù)的控制與優(yōu)化，并做好內(nèi)花鍵的全方位檢測工作，以確保內(nèi)花鍵使用質(zhì)量、性能良好，各加工參數(shù)誤差在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵精良加工，確保新能源汽車電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙仲秋，王永紅，劉波，等.淺析鈦合金薄壁矩形內(nèi)花鍵加工方法[J].冶金管理，2023，（07）：47-49.

[2]王雪威，毛威昂，李文武.汽車齒輪內(nèi)花鍵SAE8620H裂紋產(chǎn)生原因分析[J].特鋼技術(shù)，2022，28（04）：49-51.

[3]祁植力，孫倫業(yè).基于內(nèi)花鍵電火花成型加工的工藝參數(shù)組合研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2022，35（05）：26-29.

[4]王濤，劉丹，劉百宣，等.擺線液壓馬達(dá)內(nèi)花鍵輸出軸冷鍛成形工藝與模具研究[J].精密成形工程，2022，14（05）：42-47.

[5]王軼禹，趙建社，谷民凱，等.漸開線內(nèi)花鍵電解加工流場設(shè)計(jì)及工藝穩(wěn)定性研究[J].中國機(jī)械工程，2021，32（13）：1562-1570.