高硬度轉(zhuǎn)向螺桿組件的工藝開(kāi)發(fā)

潘澤華，張永力，車(chē)科

(航空工業(yè)新航豫北轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司，河南新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

轉(zhuǎn)向螺桿組件是轉(zhuǎn)向器中傳遞扭矩和連接液壓轉(zhuǎn)閥的重要零件。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)為了滿足客戶的要求，需要對(duì)轉(zhuǎn)向螺桿滲碳淬火后對(duì)高硬度銷(xiāo)孔進(jìn)行加工再壓入高硬度銷(xiāo)子，并要保證銷(xiāo)子的位置精度。轉(zhuǎn)向螺桿銷(xiāo)子組件也是文中轉(zhuǎn)向器強(qiáng)度最弱的零件，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定了工藝的復(fù)雜性。作者對(duì)轉(zhuǎn)向螺桿組件技術(shù)要求、失效模式和加工工藝進(jìn)行分析，解決了組件精度、強(qiáng)度和提高鉸刀壽命的技術(shù)難題，保證了產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

1 技術(shù)要求

1.1 轉(zhuǎn)向螺桿銷(xiāo)孔技術(shù)要求

材料：20CrMnTi。滲碳淬火 ，表面硬度58HRC～63HRC，有效硬化深度1.143～1.651 mm。轉(zhuǎn)向螺桿及銷(xiāo)孔尺寸見(jiàn)圖1。

1.2 銷(xiāo)子技術(shù)要求

材料：GCr15 YB9-68，滲碳淬火，表面硬度50HRC～55HRC。具體尺寸見(jiàn)圖2。

圖2 銷(xiāo)子尺寸

1.3 轉(zhuǎn)向螺桿銷(xiāo)子組件技術(shù)要求

轉(zhuǎn)向螺桿銷(xiāo)子組件及銷(xiāo)子壓入位置度要求見(jiàn)圖3。

圖3 轉(zhuǎn)向螺桿組件

組件強(qiáng)度要求通過(guò)沖擊試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。生產(chǎn)節(jié)拍要求在60 s以內(nèi)。

2 PFMEA(Process Failure Mode and Effects Analysis)分析

硬銷(xiāo)壓入轉(zhuǎn)向螺桿硬銷(xiāo)孔的過(guò)程中，主要的潛在實(shí)效模式是銷(xiāo)子啃切?？星械穆輻U銷(xiāo)子組件在轉(zhuǎn)向器使用的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致銷(xiāo)子斷裂，產(chǎn)生安全問(wèn)題，嚴(yán)重度高。產(chǎn)生該失效的原因有兩種：定位不準(zhǔn)和過(guò)盈量設(shè)定不合適。因此在工藝開(kāi)發(fā)中都要得到控制，并進(jìn)行充分驗(yàn)證。

3 工藝分析

3.1 工藝流程

熱處理前需要鉆好銷(xiāo)孔，留好合適的余量，熱處理后鉸孔。為了控制鉸孔時(shí)余量的均勻性，不產(chǎn)生一邊厚一邊薄的情況，鉆孔時(shí)就需要控制定位精度。另外，為了保證熱處理后鉸孔、壓銷(xiāo)的精度，整個(gè)過(guò)程只能一次裝夾，設(shè)計(jì)制作定位、鉸孔、壓銷(xiāo)專機(jī)保證位置精度要求。工藝流程為：鉆銷(xiāo)孔→滲碳淬火→研磨中心孔→磨外圓→定位→鉸孔→自動(dòng)上銷(xiāo)→自動(dòng)壓銷(xiāo)。

3.2 定位及夾緊

采用雙頂尖、外圓V形、端面和工藝孔定位，外圓夾緊。定位的關(guān)鍵在于角向定位，需要采用工藝孔角向定位，在夾緊前硬銷(xiāo)孔輔助角向定位的方式，減少工藝孔誤差產(chǎn)生的影響，確保鉸刀與硬銷(xiāo)孔的位置精度，夾緊后硬銷(xiāo)孔輔助角向定位在夾具上自動(dòng)退回。具體定位及夾緊方式見(jiàn)圖4。

圖4 定位及夾緊方式

3.3 銷(xiāo)子壓入力控制

為了保證銷(xiāo)子壓入后組件的強(qiáng)度，組件需要通過(guò)疲勞和沖擊試驗(yàn)。根據(jù)初期研制時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有的銷(xiāo)子斷裂失效。對(duì)失效件剖切檢查，發(fā)現(xiàn)失效件銷(xiāo)子表面有切傷的痕跡，而合格組件銷(xiāo)子表面正常。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)切傷的根本原因在于配合的過(guò)盈量大。一部分組件合格，一部分組件切傷，對(duì)相應(yīng)組件測(cè)量證明不能按圖紙尺寸對(duì)硬銷(xiāo)孔和銷(xiāo)子隨機(jī)配合壓入，需要控制過(guò)盈量。為了保證精度，工藝流程中設(shè)備定位、鉸孔和壓銷(xiāo)是一次裝夾，所以無(wú)法對(duì)硬銷(xiāo)孔和硬銷(xiāo)百分之百測(cè)量后分組來(lái)控制過(guò)盈量，實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)控制壓入力間接控制過(guò)盈量。

進(jìn)行壓入力工藝試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)不同壓入力剖切檢查銷(xiāo)子表面質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)壓入力在4.0 kN以下時(shí)，銷(xiāo)子表面無(wú)切傷，能夠保證轉(zhuǎn)向螺桿組件不失效。隨著鉸刀的磨損，過(guò)盈量逐漸變大，壓入力逐漸增加。當(dāng)壓入力大于4.0 kN時(shí)表面切傷逐漸嚴(yán)重，需要更換鉸刀。為了防止銷(xiāo)子松脫，需要控制壓入力的下限，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)，確定銷(xiāo)子壓入力按2～4 kN控制。壓入力的分布與銷(xiāo)子表面質(zhì)量的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

3.4 鉸刀壽命

提高鉸刀的壽命也是組件開(kāi)發(fā)需要解決的問(wèn)題，文中鉸刀壽命主要影響因素有刀具選型、切削參數(shù)和為了保證轉(zhuǎn)向螺桿組件不失效而需要控制的壓入力。

鉸刀選擇整體硬質(zhì)合金，螺旋槽形，對(duì)表面進(jìn)行超硬涂層以增強(qiáng)耐磨性。涂層材料迅猛發(fā)展，有效提升了刀具壽命。在高溫、高速切削、干切削及微潤(rùn)滑切削刀具、磨具等機(jī)械加工領(lǐng)域，TiAlN一直被認(rèn)為是較TiN更有前途的新型涂層材料[1]。

加工余量方面，為了減小壓入力的波動(dòng)造成的刀具壽命降低，對(duì)銷(xiāo)子進(jìn)行分組。根據(jù)工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將銷(xiāo)子分兩組：第一組，銷(xiāo)子尺寸為φ(3.994 5～3.996)mm；第二組，銷(xiāo)子尺寸為φ(3.996～3.997 5)mm。螺桿半精鉆孔加工尺寸為φ(3.91～3.928)mm，因?yàn)闊崽幚泶嬖谧冃?，熱處理后尺寸為?3.88±0.01)mm。為了提高鉸刀壽命，鉸刀按照上差φ(3.984～3.987)mm訂購(gòu)，對(duì)首次使用后更換下來(lái)的鉸刀進(jìn)行修磨、涂層二次使用。

鉸孔轉(zhuǎn)速方面，為提高鉸刀壽命，設(shè)計(jì)鉸孔轉(zhuǎn)速可變。設(shè)備上增加了一個(gè)變頻器，設(shè)置了20、40、60 Hz共3個(gè)檔位，對(duì)應(yīng)鉸刀轉(zhuǎn)速分別為600、1 200、1 800 r/min。新更換鉸刀時(shí)，將變頻器頻率設(shè)定為20 Hz，測(cè)量銷(xiāo)子孔孔徑，當(dāng)孔徑小于φ3.982 mm時(shí)更換鉸刀，若孔徑合格則繼續(xù)加工。當(dāng)壓入力大于3.4 kN時(shí)，將變頻器頻率由20 Hz改為40 Hz，測(cè)量銷(xiāo)子孔+孔徑，當(dāng)孔徑小于φ3.982 mm時(shí)更換鉸刀，若孔徑合格則繼續(xù)加工。 當(dāng)壓入力大于3.6 kN時(shí)，將變頻器頻率由40 Hz改為60 Hz，測(cè)量銷(xiāo)子孔孔徑，當(dāng)孔徑小于φ3.982 mm時(shí)更換鉸刀，若孔徑合格則繼續(xù)加工。

通過(guò)鉸刀選型及修磨、控制余量和鉸孔轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)大批量生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，單個(gè)鉸刀首次使用壽命大于500件，修磨再利用后大于800件，達(dá)成了成本目標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)制作定位、鉸孔、壓銷(xiāo)一次裝夾加工專機(jī)，控制壓入力和鉸刀切削參數(shù)等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，解決了組件精度、強(qiáng)度和提高鉸刀壽命的技術(shù)難題，保證了產(chǎn)品的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，提升了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn):

[1]王永康，熊仁章，雷廷權(quán),等.Ti1-xAlxN涂層的組織機(jī)構(gòu)及Al元素的作用機(jī)理[J].寧波大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2001,14(4)：48.

WANG Y K,XIONG R Z,LEI T Q,et al.The Effect of Al Element on the Microstructure of Ti1-xAlxN Coating[J].Journal of Ningbo University(Natural Science & Engineering Edition),2001,14(4)：48.