汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)熱精鍛節(jié)叉的工藝技術(shù)與創(chuàng)新

趙昌德 鄭世念 吳業(yè)忠

摘 要：熱精鍛節(jié)叉是電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的成組使用的關(guān)鍵零件，其制備方法對(duì)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的性能影響較大，對(duì)于汽車行駛的安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性具有較大的影響。文章從生產(chǎn)工藝流程等方面出發(fā)，闡述了熱精鍛節(jié)叉的制備工藝方法及其創(chuàng)新點(diǎn)，以供同行業(yè)參考。

關(guān)鍵詞：節(jié)叉;制備;工藝技術(shù);創(chuàng)新

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.014

0 引言

熱精鍛節(jié)叉，如圖1，是專門為乘用車吸能式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)開發(fā)的，產(chǎn)品市場需求量大，產(chǎn)品研發(fā)列入了2017年度山東省第四批技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目計(jì)劃。

1 基本工藝流程

熱精鍛節(jié)叉的制備方法，其主要工藝步驟是：下料→棒料加熱→輥鍛制坯→ 鍛造成形→調(diào)質(zhì)前拋丸→調(diào)質(zhì)→拋丸→第一次磁粉探傷→機(jī)械加工→第二次磁粉探傷。

下料步驟中，原材料采用φ30～45的45鋼，產(chǎn)品熱精鍛采用一模兩件工藝。下料重量公差±0.02 kg，棒料端面的垂直度0.1mm?？刂浦亓颗c端面垂直度有以下的作用：節(jié)約原材料，降低成本，防止棒料超重產(chǎn)生折疊、重量不足出現(xiàn)缺材等缺陷，避免了端面偏斜產(chǎn)生的折疊缺陷。

棒料加熱步驟中，棒料加熱范圍為1225±25℃，采用紅外測溫儀在線實(shí)時(shí)檢測出爐棒料的加熱溫度，通過溫度分選裝置，把溫度高于1250℃的超溫料和低于1200℃的低溫料分別選出。為此，可采取兩方面的控制措施：①采用中頻感應(yīng)加熱，提高棒料加熱效率，減少熱量消耗，減少廢氣排放量，棒料溫度均勻，芯表溫差小，減少了過熱和過燒現(xiàn)象，減輕了棒料表面氧化，使棒料在鍛造形變過程中，金屬流動(dòng)順暢，從而使鍛件流線更加合理。②采用紅外測溫儀在線實(shí)時(shí)檢測加熱棒料的溫度，嚴(yán)格控制溫度在1200～1250℃內(nèi)，使材料流動(dòng)性和變形抗力趨于一致，保證了鍛件組織性能的均勻性。超溫棒料容易使產(chǎn)品整體或局部晶粒粗大，使鍛件的強(qiáng)度、塑性和韌性降低，疲勞性能下降。低溫棒料在鍛造形變過程中，金屬流動(dòng)性差，會(huì)造成棒料拉應(yīng)力、切應(yīng)力等增大，降低材料的塑性，致使在變形速度過快、變形程度過大時(shí)鍛件產(chǎn)生裂紋和缺材等缺陷。

鍛造按照制坯、預(yù)鍛、終鍛順序進(jìn)行。模具在鍛造前需預(yù)熱，模具表面均勻預(yù)熱到150～250℃：中頻爐加熱溫度1200～1250℃，棒料在輥鍛機(jī)上進(jìn)行制坯，制成合適的制坯形狀，并有效地去除棒料表面的氧化皮。將坯料放置在鍛模上進(jìn)行預(yù)鍛和終鍛。之后將鍛造成形的工件放置于切邊模上，進(jìn)行熱切邊。鍛造工藝保證了鍛件流線良好，材料利用率高，錯(cuò)移量小，后續(xù)機(jī)加工精度高;鍛件產(chǎn)品標(biāo)記清晰，表面無裂紋、無明顯氧化坑、無磕碰等缺陷。

在拋丸工序中，采用裝載量800kg的履帶式拋丸機(jī)拋丸，采用鋼絲切丸。 鋼絲切丸不易粉碎，產(chǎn)生粉塵量少。拋丸裝入量不超過1500件，設(shè)備電流為20～28A，拋丸時(shí)間16～20min，鋼絲切丸規(guī)格φ0.8～1mm。

調(diào)質(zhì)工序在保護(hù)氣氛連續(xù)網(wǎng)帶爐中進(jìn)行，淬火加熱溫度為840～860℃，然后在60℃淬火油中淬火;回火溫度625～645℃，回火時(shí)間110～130min。熱處理后產(chǎn)品表面硬度 HB216～245，抗拉強(qiáng)度Rm為650～800MPa，屈服強(qiáng)度Re≥430 MPa，延伸率A≥16%。工件淬火質(zhì)量穩(wěn)定，淬透性好，抑制了晶粒長大，而且還大幅度消除了內(nèi)應(yīng)力，顯著減少了機(jī)械加工過程中花鍵孔和開槽后的變形量。鍛件（含機(jī)加工后）的磁粉探傷工序中，采用水劑磁懸液，水劑磁懸液包括：3～5g/l的熒光磁粉、0.2%的分散劑和0. 5%的防銹劑，周向磁化電流為0.5～0. 8kA，縱向磁化電流為10～12 kA，磁化時(shí)間為3s。

機(jī)械加工工藝主要包括：在數(shù)控機(jī)床上車端面、鉆孔、車內(nèi)孔和倒角，在專用銑床上銑出開口。在拉床上拉花鍵。加工中心工序包括：銑端面、鉆孔、銑螺紋、倒角。機(jī)械加工具體步驟如下：

將工件放置于車床夾具中，確保工件前端弧面接觸夾具定位面后壓緊，用端面車刀車端面：用鉆頭鉆底孔;然后車花鍵內(nèi)孔及倒角。加工中心加工前將零件裝夾在液壓夾具上，確保工件夾緊定位可靠，使用防銹切削液;鉆螺紋底孔、沉孔;用銑刀粗銑軸承孔底孔;用锪刀锪孔，并倒角;精鏜軸承座孔，并倒角。用多工位拉床拉出花鍵。工件在每次加工前，清理干凈夾具定位面和工件表面;工件裝夾完畢后，檢查工件定位是否到位、夾緊是否可靠：拉削速度4～6m/min，夾緊彈簧φ4×φ30×30。研制了彈性扭轉(zhuǎn)消隙拉刀定位裝置，在不影響傳遞拉力的前提下滿足了花鍵角向重復(fù)定位精度的要求;研制液壓成對(duì)三點(diǎn)自平衡鋸齒式預(yù)緊夾具，三點(diǎn)同毛坯面接觸可靠，萬向壓頭實(shí)現(xiàn)自平衡，有效防止了工件變形，保證了加工精度要求，排屑順利，受力均勻。打標(biāo)記采用氣動(dòng)打標(biāo)機(jī)打標(biāo)記。要求標(biāo)記清晰，位置準(zhǔn)確。機(jī)加工后需清洗烘干，清洗劑采用防銹切削液，清洗倉溫度設(shè)定為50±1℃，烘干倉溫度設(shè)定為120±2℃，清洗烘干過程時(shí)間為16±1min。

2 基本工藝流程達(dá)到的效果

通過對(duì)節(jié)叉的功能、材料性能、工藝特點(diǎn)、力學(xué)模型等進(jìn)行理論分析，及多次分組試驗(yàn)研究，圓滿解決了開發(fā)過程中存在的問題，完善了制備工藝技術(shù)方法，達(dá)到了穩(wěn)定量產(chǎn)的能力。應(yīng)用此種制備方法的熱精鍛節(jié)叉，具有機(jī)械性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、材料來源廣泛、加工處理環(huán)保、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。此外，通過提高回火溫度、適當(dāng)延長保溫時(shí)間，提高了鍛件的穩(wěn)定性，為提高機(jī)械加工的精度打下了基礎(chǔ)，解決了工件易變形，滿足了加工精度和效率要求。

節(jié)叉產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用到乘用車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，其性能低速行駛時(shí)轉(zhuǎn)向輕便，高速行駛時(shí)路感清晰，手上的方向感強(qiáng)，穩(wěn)定。另外，乘用車遭到正面撞擊時(shí)，能夠吸收部分撞擊能量，從而減輕駕駛員所

受的傷害。

3 制備工藝技術(shù)再創(chuàng)新

上述技術(shù)是一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)熱精鍛節(jié)叉的新型基本生產(chǎn)工藝。雖然熱精鍛節(jié)叉具有機(jī)械性能優(yōu)良、穩(wěn)定可靠、材料來源廣泛、加工處理環(huán)保、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，但是，仍存在制造流程長、制造成本高、產(chǎn)品競爭力弱的現(xiàn)實(shí)問題，因而，在保證前述零件機(jī)械性能的前提下，需從以下制備工藝技術(shù)上創(chuàng)新增加經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 節(jié)叉材料創(chuàng)新

采用特定型號(hào)的非調(diào)質(zhì)易切削鋼材料代替45鋼。采用的非調(diào)質(zhì)易切削鋼材料元素組成和重量百分比為：C：0.32～0.39wt%、Si：0.30～0.50wt%、Mn：1.00～1.50wt%、S：0.035～0.050 wt%、Ca：0.002～0.005 wt%、Mg：0.002～0.005 wt%、V：0.06～0.13 wt%、Mo：0.015～0.025wt%、P≤0.035wt%、Cr≤0.30wt%、Ni≤0.30wt%、Cu≤0.25wt%、Al≤0.01wt%、Nb≤0.01wt%、Ti≤0.01wt%，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。為了適應(yīng)低溫、強(qiáng)腐蝕、高濕熱等環(huán)境工作環(huán)境條件，也開發(fā)出了奧氏體不銹鋼系列節(jié)叉產(chǎn)品，滿足了特定市場需求。

3.2 工藝流程創(chuàng)新

在前述工藝流程的基礎(chǔ)上，刪減調(diào)質(zhì)及調(diào)質(zhì)前的拋丸等工藝步驟。改調(diào)質(zhì)為終鍛后控制冷卻，冷卻速度為2.5～3.5℃/s，冷卻至420～450℃后進(jìn)行緩冷。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)新

降低坯料加熱溫度至1180～1230℃，終鍛溫度為930～980℃，提高鍛造節(jié)拍與班產(chǎn)量。與45鋼相比較，材料具有明顯的易切削性能，故大幅提高加工中心的加工速度，加工周期由40～45s/件縮減至25～30s/件。由于材料的易切削性能，加工產(chǎn)生的毛刺少于45鋼，手工去除機(jī)加工毛刺的工作量大幅減少。

4 技術(shù)創(chuàng)新效果綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)測算，非調(diào)質(zhì)易切削鋼材料代替45鋼，減少了生產(chǎn)中的能源消耗和加工刀具消耗，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率17～20%，降低了生產(chǎn)成本12～18%。新材料應(yīng)用和成本降低，產(chǎn)品競爭力增強(qiáng)，市場占有率顯著提升，現(xiàn)已銷售美國、歐盟、土耳其、印度等20多個(gè)國家地區(qū)。

通過多年持續(xù)研發(fā)，獲得了發(fā)明專利等多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。高新技術(shù)的開發(fā)和運(yùn)用，有力地幫助企業(yè)占據(jù)產(chǎn)品工藝技術(shù)的制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品專業(yè)化、規(guī)?；途?xì)化生產(chǎn)，技術(shù)創(chuàng)新從全方位加強(qiáng)了企業(yè)核心競爭能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]山東金馬工業(yè)集團(tuán)股份有限公司.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)熱精鍛節(jié)叉的制備方法[P].中國：ZL2013102116633，2015.07.29.

[2]山東金馬工業(yè)集團(tuán)股份有限公司.節(jié)叉產(chǎn)品及其制備方法[P].中國：ZL201510068857.1，2017.12.19.

[3]何加群.淺談軸承企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新[J].軸承，2004（11）.

作者簡介：趙昌德（1963-），男，山東日照人，本科，主要從事汽車零部件制造工藝技術(shù)、設(shè)備管理與工裝模具設(shè)計(jì)等方面研發(fā)。