汽車轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架的開發(fā)

彭景光, 陳　迪

(上海汽車粉末冶金有限公司, 上?！?00072)

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汽車轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架的開發(fā)

彭景光, 陳迪

(上海汽車粉末冶金有限公司, 上海200072)

摘要：汽車轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架是轉(zhuǎn)向管柱中的一個關(guān)鍵零件,論述了其結(jié)構(gòu)和性能特點、材料選擇和生產(chǎn)工藝等.產(chǎn)品形狀復(fù)雜,精度要求較高,若采用傳統(tǒng)機(jī)加工的方式,幾乎不能加工.為了實現(xiàn)大批量生產(chǎn),使用粉末冶金的方法來制造該零件,解決了目前生產(chǎn)效率低、制造成本高等問題.通過制定合理的工藝,開發(fā)出了符合實際工況要求,高精度、高強(qiáng)度、形狀復(fù)雜的粉末冶金移動架.

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向管柱; 粉末冶金; 移動架; 模具設(shè)計; 工藝; 材料

粉末冶金是一門制造金屬與非金屬粉末和以其為原料,經(jīng)過壓制、燒結(jié)及各種后續(xù)處理工藝制取金屬材料和制品的科學(xué)技術(shù),是一項以較低的成本制造高性能鐵基粉末冶金制品的技術(shù)[1-2].近年來,隨著汽車行業(yè)飛速發(fā)展,為了降低汽車的生產(chǎn)成本,越來越多的零部件用粉末冶金方法來制備.

轉(zhuǎn)向管柱是車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要部件.其主要作用是通過接收駕駛員作用在方向盤上的扭矩,將其傳遞到轉(zhuǎn)向器,從而使方向盤的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成齒條的移動,控制車輪按照預(yù)期方向運動[3].轉(zhuǎn)向管柱中的粉末冶金移動架(如圖1所示)是轉(zhuǎn)向管柱實現(xiàn)前后上下4個方向調(diào)整的核心零件,分別和另外2個粉末冶金齒條相配合,實現(xiàn)方向盤的調(diào)節(jié)功能.同時,轉(zhuǎn)向管柱的移動架是汽車中的安全件,對密度和性能有一定的要求,且需要熱處理.該產(chǎn)品若采用傳統(tǒng)機(jī)加工的方式,幾乎不能加工,形狀非常復(fù)雜,且精度要求較高.因此,為了實現(xiàn)大批量生產(chǎn),使用粉末冶金的方法來制造該零件,解決了目前生產(chǎn)效率低、制造成本高的問題.

圖1　轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架三維圖

本文通過結(jié)合國內(nèi)工藝狀況和本公司設(shè)備,制定合理的材料、工藝、模具等參數(shù),用于制造出符合使用要求的粉末冶金移動架.

1零件的結(jié)構(gòu)和性能特點

粉末冶金移動架,其形狀復(fù)雜,在整個轉(zhuǎn)向柱中起承上啟下的關(guān)聯(lián)作用,分別與軸向架、徑向架的齒部咬合,使轉(zhuǎn)向管柱具有多方向的調(diào)節(jié)作用(如圖2所示).包括平齒面A、斜齒面B、限位凹面C、帶鍵槽的內(nèi)孔D,以及限位柱E.尺寸精度方面,其中齒形輪廓度要求0.05 mm,齒面高度差≤0.15 mm,限位柱和限位凹面輪廓度0.1 mm.

2材料和壓機(jī)的選擇

2.1材料的選擇

鑒于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點、性能以及材料要求(材料牌號:Sint D11,w碳>0.75%,w銅為1%～5%),基礎(chǔ)鐵粉選擇霧化鐵粉,選用硬脂酸鋅為潤滑劑.硬脂酸鋅熔點低,稍加熱就能使其熔化成液相來減少粉末的內(nèi)外摩擦,使其容易成形.

圖2　轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架二維圖

2.2壓機(jī)的選擇

根據(jù)產(chǎn)品的截面積和密度要求,測算出產(chǎn)品大概需要50 t的壓制壓力來制備.壓制壓力F可按下式計算[4]:

F=kps

(1)

式中:p為單位壓力;s為受壓橫截面積;k為安全系數(shù),k=1.15～1.50,取1.20.

根據(jù)式(1)計算壓制壓力,則F=1.2×5×8.4=50.4 t.

同時需要上一下三的模具結(jié)構(gòu),考慮形狀和結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜,所以選擇使用160 t機(jī)械式壓力成形機(jī)和上二下三的標(biāo)準(zhǔn)模架.

3工藝流程設(shè)計

3.1工藝的制定

根據(jù)產(chǎn)品要求,工藝制定如下:混料、壓制、燒結(jié)、振動去毛刺、滲碳淬火、清洗和包裝.由于產(chǎn)品精度要求高,在試驗過程中需嚴(yán)格控制磕碰傷.

3.2粉末的混合

采用雙錐型自動混料設(shè)備,其優(yōu)點在于無死角、效率高、易清理,非常適合大批量生產(chǎn)[4].混料后粉末泊松比為2.8～3.2,壓縮性大于7.0.由于產(chǎn)品具有很高的硬度要求,為保證成分的穩(wěn)定性,采用全自動秤料系統(tǒng).

3.3壓制工藝

圖3為轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架壓制成形過程,分為粉末充填、粉末傳輸、壓制和脫模4個階段.

由于采用上一下三的成形結(jié)構(gòu),產(chǎn)品每部分充填值都要非常精確,才能保證壓制時每段密度是均勻的.為保證產(chǎn)品上下段密度均勻,成形過程中采用陰模和芯棒同時浮動.脫模時,采用保壓拉下式脫模,并以內(nèi)下模為基準(zhǔn)點,把產(chǎn)品完全從模具中脫出.壓制壓力50 t,壓制效率6件/min,產(chǎn)品高度直接達(dá)到成品要求.

圖3　轉(zhuǎn)向管柱粉末冶金移動架壓制成形過程

3.4燒結(jié)工藝

燒結(jié)是粉末冶金生產(chǎn)過程中最基本的工序之一.所謂燒結(jié),就是將粉末壓坯在低于其主要成分熔點的溫度下進(jìn)行加熱,從而提高壓坯強(qiáng)度和各種力學(xué)性能的一種過程[2].Fe-C-Cu三元體系的燒結(jié)為有限多元系固相燒結(jié)類[2].采用連續(xù)式普通網(wǎng)帶燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為1 120 ℃,燒結(jié)時間30 min,采用氨分解和氮氣的還原性保護(hù)氣氛,露點為-40 ℃,防止產(chǎn)品氧化并去除表面氧化顆粒.冷卻段采用常規(guī)水冷.

3.5振動去毛刺

鑒于產(chǎn)品的使用工況,產(chǎn)品外觀不允許有毛刺和飛邊.移動架形狀又較為復(fù)雜,采用盤刷或者噴砂的方式都不可行,所以選用鋼球振動的方式去毛刺,其效率高、去毛刺效果好.去毛刺介質(zhì)選用鋼球,振動時間為10 min.

3.6熱處理工藝

熱處理采用鐵基粉末冶金通用的整體滲碳淬火[5],即在分解氨氣氛下,將燒結(jié)的零件加熱到860 ℃,保溫30 min,然后在860 ℃下將零件淬于50 ℃溫油中.最后在150 ℃下回火5 min,達(dá)到硬度要求.

3.7清洗包裝

由于零件用于汽車轉(zhuǎn)向管柱系統(tǒng),所以對產(chǎn)品清潔度有一定要求.采用高壓油清洗工藝可以符合要求,也具有一定的效率.產(chǎn)品清洗后,采用散裝的方式進(jìn)行包裝.

4模具的設(shè)計

4.1成形模具主要零件的尺寸計算

4.1.1陰模高度

陰模高度應(yīng)滿足粉末充填和定位的需要.因此,陰模高度一般包括粉末充填的高度、下模沖的定位高度和上模沖壓縮粉末前進(jìn)入陰模的深度[6],即

H陰=H粉+h上+h下

(2)

下模沖的定位高度h下是根據(jù)下模沖與陰模之間的裝配需要而選定的.總的來說,以能滿足下模沖在陰模的定位需要為原則,一般取10～30 mm,本文中取20 mm.上模沖的定位高度h上取0.綜上,陰模高度為:

H陰=65+20+0=85mm

4.1.2陰模和模沖尺寸確定

由于移動架形狀特別復(fù)雜,所以每個模沖的尺寸需要同比例縮放,由材料試驗結(jié)果得到,壓制彈性后效為0.15%,燒結(jié)變形量為0.25%.根據(jù)模具尺寸計算公式如下[6]:

D=D產(chǎn)(1-t-s)

(3)

式中:D為模具尺寸;t為壓坯的徑向彈性后效;s為壓坯的徑向燒結(jié)收縮率;D產(chǎn)為產(chǎn)品外徑.通過該公式可計算出每個模沖的尺寸.

4.1.3模沖高度的計算

由于采用上一下三的成形結(jié)構(gòu),上模高度只需采用閉合高度的最小值,通常取100 mm.

外下模計算如下[6-9]:

H外下模=H陰+H法蘭+H脫模

(4)

式中:H外下模為外下模高度;H陰為陰模高度;H法蘭為安裝用法蘭高度,通常取15 mm;H脫模為脫模所需要高度,通常取10～20 mm.

根據(jù)式(4),H外下模=85+15+10=110 mm.

中下模計算如下[6-9]:

H中下模=H外下模+H法蘭+H脫模+H墊塊

(5)

式中:H中下模為中下模高度;H墊塊為外下模墊塊高度.

根據(jù)式(5),H中下模=110+15+10+50=185 mm.

內(nèi)下模計算如下[6-9]:

H內(nèi)下模=H中下模+H法蘭+H脫模+H墊塊

式中:H內(nèi)下模為中下模高度.

根據(jù)式(5),H內(nèi)下模=185+15+10+40=250 mm.

4.2模具設(shè)計中的注意事項

移動架較為復(fù)雜,產(chǎn)品臺階數(shù)多,設(shè)計過程特別需要注意模具的分型區(qū)域.同時,單個模沖的成形面積特別小,模沖又特別長,熱處理硬度需要控制在特別緊的范圍內(nèi).在試驗過程中,模具壽命是難點,需要在脫模、圓角過渡等方面特別注意.

通過大量的理論計算和實際生產(chǎn)的細(xì)節(jié)討論,制定了轉(zhuǎn)向管柱移動架生產(chǎn)的模具樣式和具體的試驗工藝.通過混料、壓制、燒結(jié)和熱處理等一系列工序設(shè)計,對移動架的開發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)的說明.在所有的工作中,模具設(shè)計是重點.經(jīng)過對移動架的設(shè)計,可以制造該零件為生產(chǎn)所需.目前該產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)批量生產(chǎn),取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益,解決了機(jī)加工高成本和低效率的問題.

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The Development of Powder Metallurgy Movable Frame of Automotive Steering Column

PENG Jingguang, CHEN Di

(Shanghai Automotive Powder Metallurgy Co., Ltd., Shanghai 200072, China)

Abstract：The movable frame is one of the critical parts of automotive steering column.This paper dealt with the structure,performance,material selection and production process of it.It was complicated in shape with high precision.It hence always failed if it was produced with traditional machining method.In order to achieve massive production,powder metallurgy was used to produce parts of automotive steering column,which could improve the production efficiency and reduce the costs.Therefore,powder metallurgy movable frame with high precision,high strength complicated shape and in accordance with actual conditions could be developed by working out rational technology.

Keywords：steering column; powder metallurgy; movable frame; mold design; technology; material

中圖分類號：TF 124.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：彭景光(1984—),男,碩士研究生,工程師,主要從事粉末冶金成形和表面致密化等方面的研究. E-mail: jingguangp@shautopm.com.cn

收稿日期：2015-01-05