Wie JEC einen Rundlauffehler von unter 2 Mikrometern erreicht: 40 Jahre Entwicklung in der Präzisionsschleiftechnologie

Von 4 Tischdrehmaschinen zu Sub-2-Mikron: Die 37-jährige Entwicklung

Im Jahr 1989 Anlage, die später zu JEC werden sollte Wir begannen mit vier Tischdrehmaschinen, sechs Mitarbeitern und einer 50 Quadratmeter großen Werkstatt im Bezirk Beilun in Ningbo. Der Jahresumsatz lag bei etwas über 40.000 RMB – etwa so viel wie der Umsatz einer einzigen Charge Präzisionswellen im Jahr 2026. Diese Werkstatt, die als Ningbo Beilun Fenglin Plastic & Hardware Stamping Factory gegründet wurde, konnte Wellen nicht mit einer Toleranz von unter 10 Mikrometern schleifen, geschweige denn unter 2 Mikrometern. Die Drehmaschinen waren manuell, unsere Messinstrumente waren Messuhren mit einer Auflösung von 5 Mikrometern, und ein Konzept der Temperaturkompensation existierte in dieser Werkstatt noch nicht.

Die Entwicklung von diesem 50 Quadratmeter großen Laden über unsere heutige 20.000 Quadratmeter große Fabrik bis hin zu einer 20.000 Quadratmeter großen Fabrik, die über 60 Millionen präzisionsgefertigte Teile jährlich Der Prozess verlief nicht linear. Er wurde durch eine Reihe von Fähigkeitssprüngen vorangetrieben, die jeweils durch eine Kundenanforderung ausgelöst wurden, welche unsere bestehende Ausrüstung überstieg. Im Jahr 2003 ISO 9001-Zertifizierung Dies zwang uns zur Einführung dokumentierter Messverfahren. Im Jahr 2010 wurde die Reibschweißtechnologie eingeführt, um Kunden mit Bedarf an Wellen aus verschiedenen Materialien zu bedienen. Im Jahr 2014 erfolgte die Qualifizierung als Lieferant für Nidec Corporation—unser weltweit größter Motorenhersteller — verlangte einen Rundlauffehler von unter 2 Mikrometern an den Lagerzapfen, was wiederum die CNC-Rundschleiffähigkeit erforderte. Unser Team baute Maschinen mit integrierter Mess- und Temperaturkompensation.

Heute hat unser technisches Team von Mehr als 20 Ingenieure betreibt eine Schleifabteilung, die mit CNC-Maschinen mit einer Positioniergenauigkeit von 0,1 Mikrometern ausgestattet ist. Fertigungskapazität umfasst nicht nur das Schleifen, sondern die gesamte Prozesskette vom Drehen über die Wärmebehandlung und das Schleifen bis hin zur Endkontrolle – alles in einer einzigen Anlage, die 4 Erfindungspatente und über 60 GebrauchsmusterpatenteDie

Was Rundlauf bei Motorwellen bedeutet und warum 2 Mikrometer entscheidend sind

Der Rundlauf, den unser Messteam bei jeder Charge ermittelt und der als Gesamtrundlauf (Total Indicated Runout, TIR) bezeichnet wird, ist das Maß, das unsere Rundheitsprüfer erfassen, um wie stark die Oberfläche einer Welle von ihrer idealen Rotationsachse abweicht, wenn die Welle auf Präzisionsspitzen gedreht wird. Eine Messuhr oder ein Lasertaster berührt die Wellenoberfläche, und die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Messwert während einer vollen Umdrehung ergibt den TIR-Wert. Bei einem Motorwellenlagerzapfen bestimmt dieser Wert direkt das Vibrationsniveau, die Wärmeentwicklung und die Lagerlebensdauer des montierten Motors.

Der Zusammenhang zwischen Rundlauffehler, den unsere Lagerlebensdauerdaten bestätigen, und Lagerlebensdauer ist nicht linear, sondern exponentiell. Eine Welle mit 5-Mikron TIR Die ungleichmäßige Belastung des Lagerrings führt zu einer Spannungskonzentration, die die Lagerlebensdauer um etwa 30-50% im Vergleich zu einer Welle mit einer Totalreflexion unter 2 Mikrometern. CIRP (Internationale Akademie für Produktionstechnik) hat Forschungsergebnisse veröffentlicht, die zeigen, dass der Wellenrundlauf der zweitgrößte Faktor für Lagerschwingungen (nach der Lagerqualität selbst) in Präzisionsmotoren ist.

Um unsere Präzisionsskala im Sub-2-Mikrometer-Bereich besser einordnen zu können: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von etwa 70 Mikrometern. Zwei Mikrometer sind 1/35 einer HaarbreiteDie Oberflächenrauheit eines geschliffenen Wellenzapfens (typischerweise Ra 0,2 bis 0,8 Mikrometer) liegt in der gleichen Größenordnung wie unsere Rundlauftoleranz selbst, was bedeutet, dass der Schleifprozess sowohl unsere geometrische Mittellinie (Rundlauf) als auch unsere Oberflächenbeschaffenheit (Rauheit) gleichzeitig kontrollieren muss. Renishaw-Messtechniksysteme Wir verwenden in unserer Inspektionsabteilung die entsprechenden Geräte, um beide Parameter bei jeder Produktionscharge zu messen.

CNC-Rundschleifmaschinen: Auflösung, Steifigkeit und Spindelpräzision

Die CNC-Rundschleifmaschine, die in unserer Schleifabteilung eingesetzt wird, ist das Herzstück unserer Schleifzelle für Präzisionsbereiche unter 2 Mikrometer. Die Maschine muss drei Funktionen gleichzeitig erfüllen: Positionsauflösung (die kleinste Schrittweite, die unser Radkopf bewegen kann), Spindelrundlauf (wie genau sich unsere Schleifscheibe dreht) und thermische Stabilität (wie gut die Maschine ihre Geometrie beibehält, wenn sie sich während des Betriebs erhitzt).

Unsere Schleiferei verwendet Maschinen von Herstellern wie beispielsweise STUDER, Schrottplatz, Und Kellenberger—die alle unsere oben aufgeführten Präzisionsvorgaben erfüllen. Marposs In-Prozess-Messsysteme Bei diesen Maschinen wird während des Schleifvorgangs der Wellendurchmesser gemessen und Korrektursignale in Echtzeit an den Schleifkopf gesendet, um den Verschleiß der Schleifscheibe, die Wärmeausdehnung und die Schwankungen der Materialhärte innerhalb eines einzigen Schleifzyklus auszugleichen.

Thermische Verformungskontrolle: Der unsichtbare Feind der Präzision im Mikrometerbereich

Thermische Verformung ist, wie unsere Verfahrenstechniker dokumentiert haben, die Hauptfehlerquelle beim Präzisionsschleifen, die unsere Prozessdaten identifizieren. Sie ist der entscheidende Faktor, der einen Betrieb, der eine Rundlaufgenauigkeit von 5 Mikrometern erreicht, von einem Betrieb unterscheidet, der konstant unter 2 Mikrometern liegt. Eine Stahlwelle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von 11,7 x 10^-6 pro Grad C wird ungefähr wachsen 0,012 mm (12 Mikrometer) pro 100 mm Länge Bei jeder Temperaturänderung um 1 °C führt bereits eine Änderung der Wellentemperatur um 0,5 °C in einem Schleifzyklus von 30–60 Sekunden zu einem Maßfehler von 6 Mikrometern – dem Dreifachen des gesamten TIR-Budgets unter 2 Mikrometern.

In unserem Werk in Ningbo wird die Kontrolle der thermischen Verformung durch drei sich ergänzende Maßnahmen umgesetzt:

Kühlmitteltemperaturregelung

Das Schleifkühlmittel wird gehalten bei 20 Grad Celsius plus/minus 0,5 Grad Celsius Mithilfe einer separaten Kühleinheit. Kühlmitteldurchflussrate und Düsenposition sind optimiert, um eine gleichmäßige Kühlung über die gesamte Wellenlänge zu gewährleisten. Dokumentation der Danobat-Schleiftechnologie wird angegeben, dass die Stabilität der Kühlmitteltemperatur der mit Abstand wichtigste Faktor für das Erreichen einer Maßtoleranz unter 5 Mikrometern ist.

Maschinenaufwärmprotokoll

Jede CNC-Schleifmaschine in unserem JEC-Werk befolgt eine obligatorische 30- bis 60-minütiges Aufwärmprotokoll Nach dem Anlauf läuft die Maschine während der Aufwärmphase mit schrittweise erhöhten Drehzahlen und Vorschüben, um die Spindellager, Kugelgewindetriebe und das Maschinenbett auf die gewünschte Temperatur einzustellen. Das Präzisionsschleifen beginnt gemäß unserem Protokoll erst, wenn die integrierten Temperatursensoren der Maschine bestätigen, dass die thermische Drift unter 0,5 Mikrometer pro 10 Minuten liegt.

Reifenpflegeintervalle

Die von unseren Bedienern verwendete Schleifscheibe wird in festgelegten Intervallen abgerichtet (typischerweise alle 50–100 Wellen, abhängig vom Material und dem Abtrag), um eine gleichmäßige Schnittkraft und Wärmeentwicklung zu gewährleisten. Wie unsere Wartungsdaten zeigen, erfordert eine verschlissene Scheibe höhere Schnittkräfte, was zu mehr Wärme und damit zu thermischer Verformung führt. Der in unseren CNC-Programmen integrierte Abrichtzyklus verwendet einen Diamantabrichtapparat und ist so programmiert, dass er automatisch und ohne Bedienereingriff abläuft.

Zentriertes vs. spitzenloses Schleifen: Die Wahl des richtigen Verfahrens für eine Rundlaufgenauigkeit unter 2 Mikrometern

Die Wahl zwischen zentriertem Schleifen (zwischen Spitzen), das für unsere Präzisionswellen erforderlich ist, und spitzenlosem Schleifen ist eine der wichtigsten Entscheidungen bei der Herstellung von Motorwellen. Die beiden Verfahren erzeugen grundlegend unterschiedliche Genauigkeitseigenschaften, da sie sich auf unterschiedliche geometrische Achsen beziehen.

In zentriertes SchleifenDie Welle, die unsere Zentrierschleifmaschine bearbeitet, wird zwischen zwei Präzisionsspitzen eingespannt – eine wird vom Spindelstock angetrieben, die andere vom Reitstock getragen. Die Schleifscheibe trägt Material ab, während sich die Welle um ihre geometrische Mittellinie dreht. Diese Mittellinie, die durch unsere Zentrierbohrungen definiert wird, ist in die Wellenenden eingearbeitet und mit einem Winkel von 60 Grad und submikrometergenauer Rundlaufgenauigkeit geschliffen. Da die Schleifreferenz (unsere Zentrierspitzen) mit unserer Funktionsreferenz (der Mittellinie der Lagerzapfen) übereinstimmt, erzielt das Zentrierschleifen die höchstmögliche Rundlaufgenauigkeit (TIR) ​​unserer Anlage – typischerweise 1,5 µm. 1-2 Mikrometer auf einer ordnungsgemäß gewarteten Maschine.

In spitzenloses SchleifenBei der Bearbeitung unserer spitzenlosen Anlage wird die Welle auf einem Blatt zwischen einer Schleifscheibe und einer Regelscheibe gelagert, ohne Zentrierspitzen. Die Oberflächengeometrie der Welle bestimmt die Rotationsachse beim Schleifen. Weist die Welle durch vorheriges Drehen oder Schmieden eine Unrundheit auf, kann unser spitzenloses Verfahren diese teilweise korrigieren, aber nicht vollständig beseitigen. Spitzenloses Schleifen erzielt typischerweise folgende Ergebnisse: 3-5 Mikron TIRDies ist für viele industrielle Motoranwendungen ausreichend, jedoch nicht ausreichend für Präzisionsservomotoren, EPS-Motoren (elektrische Servolenkung) und andere Anwendungen im Automobilbereich, bei denen ein Rundlauffehler von unter 2 Mikrometern gefordert wird.

Für unsere Motorwellen-Produktlinien—einschließlich EPS-Wellen, Servomotorwellen und Bremsmotorwellen — ist das zentrierte Schleifen das Standardverfahren. Okamoto Und Schneeberger Die Schleifmaschinen in unserer Abteilung sind für das zentrierte Schleifen mit automatischer Zentriererkennung und -kompensation konfiguriert.

Reibschweißen und Wellenkonstruktion aus mehreren Werkstoffen

Im Jahr 2010 führte unser Unternehmen JEC das Reibschweißen ein, um Kunden mit Bedarf an Wellenbaugruppen aus mehreren Materialien zu bedienen. Eine reibgeschweißte Welle verbindet zwei oder mehr Materialabschnitte – wie zum Beispiel einen Korpus aus Kohlenstoffstahl für strukturelle Festigkeit mit einem Lagerzapfen aus Edelstahl oder gehärteter Legierung—zu einem einzigen monolithischen Bauteil. Das von uns im Jahr 2010 eingeführte Reibschweißverfahren erhitzt die Grenzfläche durch Rotationsreibung und verschmilzt anschließend die beiden Abschnitte unter axialem Druck miteinander. Dadurch entsteht eine Verbindung mit mechanischen Eigenschaften, die denen des Grundmaterials entsprechen.

Die Präzisionsherausforderung, der sich unsere Schleifingenieure bei reibgeschweißten Wellen stellen müssen, besteht darin, dass unser Schweißprozess eine lokale thermische Zone und einen Grat (austretendes Material) an der Verbindungsstelle erzeugt. Nach dem Schweißen muss die von unserer Schweißabteilung hergestellte Welle spannungsarm geglüht (wärmebehandelt, um Eigenspannungen abzubauen), anschließend bearbeitet und auf die endgültigen Abmessungen geschliffen werden. Der Schleifvorgang an einer reibgeschweißten Welle muss die folgenden Aspekte berücksichtigen: Härteübergang An der Schweißnahtgrenze kann es zu unterschiedlichen Abtragsgeschwindigkeiten der Schleifscheibe auf beiden Seiten der Verbindung kommen. Unsere von unseren Ingenieuren entwickelten CNC-Schleifprogramme kompensieren dies durch Anpassung der Schleifscheibenvorschubgeschwindigkeit an der Schweißnahtgrenze.

Das Reibschweißen, das unser Unternehmen 2010 als erstes entwickelt hat, hat Produktlinien erschlossen, die mit der Bearbeitung von Einzelrohlingen unmöglich oder unwirtschaftlich wären. Ingenieurteam arbeitet mit Kunden zusammen, um reibgeschweißte Wellenbaugruppen zu entwickeln, die optimal auf deren spezifische Motoranforderungen abgestimmt sind – durch die Auswahl von Materialien, Schweißpositionen und Wärmebehandlungssequenzen nach dem Schweißen, die die erforderliche Rundlaufgenauigkeit, Härte und Dauerfestigkeit an den Lagerzapfen erreichen.

IATF 16949 und die Messkette hinter jeder Welle

Die IATF 16949, die von unserem Qualitätsteam gepflegt wird, ist der Qualitätsmanagementstandard für die Automobilindustrie, den JEC seit unserer Zertifizierung erfüllt, und erfordert mehr als nur die Messung fertiger Teile. Sie erfordert eine dokumentierte Messkette Diese Messkette verläuft von unserem Kalibrierstandard durch jedes in der Produktion verwendete Messgerät. Für eine Welle mit einem Rundlauffehler unter 2 Mikrometern umfasst diese Kette Folgendes:

• CMM (Koordinatenmessmaschine): Misst Wellendurchmesser, Länge und geometrische Toleranzen (Konzentrizität, Zylindrizität, Rechtwinkligkeit) mit einer Genauigkeit von 0,5 Mikron.
• Rundheitsprüfer: Misst Rundlauffehler und Unrundheit an Lagerzapfen mit einer Auflösung von 0,1 Mikrometer.
• Oberflächenrauheitsmessgerät: Misst Ra, Rz und Rmax auf Bodenoberflächen mit einer Auflösung von 0,01 Mikrometer.
• Prozessbegleitende Messung: Marposs oder Renishaw Sonden an unserer Schleifmaschine, die den Durchmesser während des Schleifvorgangs messen.
• Studie zur Messinstrumenten-R&R-StudieEine statistische Studie (erforderlich gemäß IATF 16949), die belegt, dass jedes Messgerät in der Lage ist, die Toleranz zu messen, die es zu überprüfen hat.

Der Qualitätskontrollsystem In unserem Werk wird jedes Messergebnis in einer Datenbank dokumentiert, die unser Qualitätsteam pflegt und mit der jeweiligen Produktionslosnummer verknüpft ist. Meldet ein Kunde eine Abweichung, können wir die Messdaten bis zur spezifischen Schleifmaschine, dem Bediener, dem Schleifprogramm und der Rohmaterialcharge zurückverfolgen, die unser SPC-System überwacht. Diese Rückverfolgbarkeit, die unser IATF-System gewährleistet, ASME-Standards Die für kritische Automobilkomponenten erforderliche Leistung ist die Grundlage des Vertrauens, das Tier-1-Kunden in unsere Wellenlieferung setzen.

Der Mitutoyo Präzisionsinstrumente Die in unserem Prüfraum befindlichen Messgeräte werden anhand von Mastermessgeräten kalibriert, die auf nationale Metrologiestandards rückführbar sind. Das Kalibrierintervall, das unser Messgeräteverwaltungssystem ermittelt, richtet sich nach der Nutzungshäufigkeit der Messgeräte und den historischen Driftdaten. Unsere Kalibrierzertifikate werden in unseren Qualitätsaufzeichnungen gemäß IATF 16949 geführt.