一種座椅傳動(dòng)絲桿成型工藝研究

陳宣臻 蔣楊英 徐嘉輝

摘要：本文針對(duì)汽車智能座艙中座椅傳動(dòng)細(xì)長(zhǎng)絲桿具有冷鐓成型困難、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高及傳動(dòng)精度要求高等特點(diǎn)，通過(guò)DEFORM 軟件構(gòu)建CAE 模型，對(duì)不同的冷鐓成型方案進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的產(chǎn)品成型工藝路線。該研究通過(guò)設(shè)計(jì)合理的螺紋成型方案，保證了產(chǎn)品良好的螺紋精度，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)座椅平穩(wěn)傳動(dòng)、無(wú)異響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的工程驗(yàn)證，目前生產(chǎn)的座椅傳動(dòng)細(xì)長(zhǎng)絲桿，可控制直線度在0.12 mm 以內(nèi)，芯部硬度保持在230HV 左右，承受軸向拉力14 kN 以上，螺紋精度達(dá)到10 級(jí)以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，滿足客戶提出的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)座椅；傳動(dòng)細(xì)長(zhǎng)絲桿；冷鐓；沖孔

中圖分類號(hào)：U463.83+6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

傳統(tǒng)的座椅升降一般都是依靠齒輪和齒條的嚙合進(jìn)行傳動(dòng)，由于齒數(shù)限制，導(dǎo)致座椅在升降高度和升降的精準(zhǔn)度上受到了限制，而齒輪副之間的頓挫感也會(huì)使駕乘體驗(yàn)大打折扣。隨著新能源與智能化成為汽車新的發(fā)展趨勢(shì)，汽車消費(fèi)偏好逐步升級(jí)，汽車座椅被提出了更高的功能性與舒適性要求。

一種由座椅傳動(dòng)絲桿和電機(jī)組成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在此環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生[1]。一方面，絲桿的長(zhǎng)度可以通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行增加和縮短，以保證座椅個(gè)性化功能的實(shí)現(xiàn)；另一方面，絲桿的螺距可以靈活設(shè)計(jì)，以提升座椅在升降過(guò)程中的舒適感以及控制升降速度。另外，相同的電動(dòng)座椅，采用梯形絲桿傳動(dòng)相對(duì)于齒輪齒條傳動(dòng)更加平穩(wěn)，且座椅整體質(zhì)量可降低0.5 kg 左右，實(shí)現(xiàn)了汽車座椅的輕量化需求。

但是，由于座艙空間有限，此類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通常細(xì)且長(zhǎng)，通過(guò)傳統(tǒng)的熱處理工藝雖然可以提升螺紋桿的芯部硬度，但同時(shí)也容易發(fā)生桿部彎曲現(xiàn)象，而且具有成本高、周期長(zhǎng)以及報(bào)廢率高等諸多弊端。因此，本文基于DEFORM 軟件對(duì)于該類產(chǎn)品的成型工藝進(jìn)行模擬分析，通過(guò)冷作硬化變形來(lái)提高芯部硬度，以替代傳統(tǒng)的熱處理工藝方案，從而控制該類傳動(dòng)絲桿產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

1 工藝路線確認(rèn)

絲桿產(chǎn)品結(jié)構(gòu)由帶圓孔扁方頭部、限位法蘭和螺紋桿三部分組成（圖1）。頭部帶圓孔扁方與座椅連接并存在一定的轉(zhuǎn)動(dòng)余量，螺紋桿與傳動(dòng)螺母連接，電機(jī)旋轉(zhuǎn)后帶動(dòng)傳動(dòng)螺母在絲杠螺紋桿部前后移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)座椅升降[2]。該結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)異響及輕量化等優(yōu)點(diǎn)。

本文研究的絲桿產(chǎn)品， 規(guī)格為TR7×1.5×195。其主要技術(shù)難點(diǎn)為：① 絲桿直線度要求0.12 mm ；② 硬度要求220 ～ 240HV，保證軸向拉力14 kN 以上；③螺紋桿部距限位法蘭面的不完整螺紋長(zhǎng)度最大為4.00 mm ；④絲桿齒形齒向精度要求10 級(jí)，且保證螺紋無(wú)磕碰。

根據(jù)圖紙尺寸要求（圖2），產(chǎn)品頭部扁方寬度為18.00 mm，厚度為5.00 mm，而桿部螺紋規(guī)格僅為TR7，如用φ11.02 mm的線徑成型，頭部與桿部的冷鐓變形量達(dá)到了73%，遠(yuǎn)超于普通碳鋼所能承受的變形程度。目前市場(chǎng)上對(duì)于該類產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝多數(shù)為：冷鐓—沖壓—鉆孔—車削桿部—精磨桿部—熱處理—滾絲。其中為了保證桿部螺紋精度，增加了2 道機(jī)加工工序，不僅生產(chǎn)效率低，而且成本也居高不下。

為突破行業(yè)技術(shù)瓶頸，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，本研究對(duì)于該類產(chǎn)品工廠設(shè)定的工藝路線為：頭部和桿部絲坯一次冷鐓成型—冷擠壓頭部扁方—沖孔—滾絲，優(yōu)化工藝從7 道工序縮減到4 道工序。

2 技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)

2.1 冷鐓成型

為保證產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，本研究首先采用DEFORM軟件對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行CAE 模擬分析[3]。雖然從材料的應(yīng)力分布界面看到（圖3），局部有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，但只要能匹配到可塑性較強(qiáng)的材料，頭部和桿部絲坯是可以實(shí)現(xiàn)冷鐓一次成型的。

通過(guò)對(duì)材料的延展性對(duì)比分析，本研究最終選擇了具有較高可塑性的硼鋼作為原材料進(jìn)行試驗(yàn)。初步驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品在冷鐓成型后，絲坯表面存在不同程度的拉傷，說(shuō)明該材料勉強(qiáng)可以滿足生產(chǎn)需求，但是對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)仍然具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。為了使產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)批量生產(chǎn)，在多次的生產(chǎn)驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)細(xì)化原材料晶粒以及增加冷鐓模具表面的潤(rùn)滑處理，可以解決產(chǎn)品成型過(guò)程中桿部及模具的拉傷問(wèn)題。

由于客戶對(duì)于產(chǎn)品桿部硬度有220 ～ 240HV 的要求，本研究在現(xiàn)有工藝的前提下，通過(guò)微調(diào)產(chǎn)品成型的冷鐓變形量以及原材料的硬度，使產(chǎn)品通過(guò)冷作硬化的作用，將桿部的芯部硬度控制在230HV 左右。這樣，不僅減少了1 道熱處理強(qiáng)化的工序，也解決了熱處理后桿部彎曲變形的難題，有效控制了桿部直線度0.12 mm 的要求。

2.2 沖孔成型

行業(yè)中對(duì)絲桿頭部扁方結(jié)構(gòu)常用的成型方式是沖壓，但是沖壓成型的產(chǎn)品精度較低，在尺寸的一致性方面無(wú)法得到保證。因此，本研究采用冷擠壓的方式成型。冷擠壓一般都是采用模具型腔對(duì)產(chǎn)品尺寸進(jìn)行約束，可以有效保證頭部尺寸的穩(wěn)定性。而該產(chǎn)品的另一難點(diǎn)在于扁方上定位孔的成型。一般座椅傳動(dòng)絲桿上的定位孔分為光孔、螺紋孔和方孔等形式，本文主要研究的是光孔結(jié)構(gòu)的沖壓成型。

對(duì)于這類定位孔，為了實(shí)現(xiàn)座椅傳動(dòng)時(shí)無(wú)異響，內(nèi)孔公差需要控制在0.07 mm 以內(nèi)。研究發(fā)現(xiàn)，如果采用普通的鉆孔方式成型，鉆孔后不僅需要通過(guò)后續(xù)的鉸孔來(lái)保證內(nèi)孔精度（圖4），而且生產(chǎn)節(jié)拍也無(wú)法滿足大批量生產(chǎn)的需求。因此，采用沖孔的成型方式更加符合實(shí)際。

通過(guò)分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸，發(fā)現(xiàn)由于絲桿頭部扁方厚度為5.00 mm，寬度為18.00 mm，孔徑為φ12.00 mm，意味著圓孔周圍剩余的材料寬度僅為3.00 mm。如果采用普通的沖壓模具，會(huì)導(dǎo)致沖壓成型時(shí)頭部被壓潰、圓孔直徑超差以及光亮面不足影響裝配等不良缺陷（圖5）。

對(duì)此，本研究開發(fā)了一套具備沖孔成型的精沖模具。為了不讓圓孔成型時(shí)頭部被壓潰，可以通過(guò)在沖壓模上增加預(yù)夾緊工裝，使得產(chǎn)品扁方面先接觸模具，再由模具內(nèi)部的沖頭進(jìn)行圓孔沖壓成型。通過(guò)上下模具對(duì)頭部進(jìn)行預(yù)壓緊，沖孔成型時(shí)周圍的材料無(wú)法向兩側(cè)流動(dòng)，扁方面壓潰的現(xiàn)象得到了有效解決。同時(shí)，內(nèi)孔沖壓后產(chǎn)生的撕裂帶光亮面可以保持在55% 以上，滿足客戶圖紙要求（圖6）。這樣，在普通沖床下就實(shí)現(xiàn)了精沖的效果，相對(duì)于數(shù)控車床鉆孔而言，不僅提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)更好地保證了內(nèi)孔精度。

2.3 滾絲成型

由于座椅傳動(dòng)絲桿屬于傳動(dòng)件，螺紋尺寸如果有較大波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致座椅的異響或顛簸，從而影響駕乘體驗(yàn)。因此，這類絲桿的螺紋設(shè)計(jì)精度一般控制在10 ～ 40 μm。

一般的傳動(dòng)絲桿由于應(yīng)用場(chǎng)合不同，有車削加工[4]、銑削加工和磨削加工等不同的螺紋加工工藝。但是汽車座椅傳動(dòng)絲桿的規(guī)格一般都在TR10 左右，機(jī)加工梯形螺紋的生產(chǎn)效率低，無(wú)法滿足大批量生產(chǎn)的需求，所以本研究采用滾絲成型工藝加工傳動(dòng)絲桿的螺紋。但是，在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上的滾絲設(shè)備配備的滾絲輪最大裝配厚度為150.00 mm，小于150.00 mm 的絲桿可以通過(guò)定滾成型。而桿部長(zhǎng)度超過(guò)150.00 mm 時(shí)，普通的滾絲設(shè)備無(wú)法滿足定滾的成型條件，必須采用串滾工藝或通過(guò)增加設(shè)備型腔深度來(lái)保證螺紋成型。

通過(guò)串滾工藝的試制，雖然可以滿足長(zhǎng)桿螺紋的成型條件，但串滾一根絲桿的時(shí)間需要在30 s 以上。而且由于絲桿頭部法蘭限位面的存在，會(huì)導(dǎo)致根部的不完整螺紋長(zhǎng)度至少保持6.00 mm以上，使得對(duì)手件無(wú)法順利裝配至法蘭限位根部。這種情況下需要增加額外的車絲桿根部的退刀槽工序才能保證正常裝配，不僅增加了加工成本，同時(shí)還提升了退刀槽處應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，增加了安全隱患。

通過(guò)對(duì)客戶端產(chǎn)品進(jìn)行歸類分析，發(fā)現(xiàn)該類座椅傳動(dòng)絲桿長(zhǎng)度集中在200.00 mm 以下。為此，經(jīng)與滾絲輪設(shè)備廠家技術(shù)溝通，專門設(shè)計(jì)定制了一款加長(zhǎng)版滾絲機(jī)，配備100 t 的擠壓力和伺服電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)將滾輪厚度增加到了200.00 mm。該設(shè)備滿足200.00 mm 以內(nèi)座椅傳動(dòng)絲桿定滾成型的條件，并且控制尾部不完整螺紋長(zhǎng)度在4.00 mm 以內(nèi)（圖7）。

另外，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于桿部長(zhǎng)度大于150.00 mm的座椅傳動(dòng)絲桿，相同的絲坯尺寸，產(chǎn)品中段跨棒距要大于前后兩段。該現(xiàn)象導(dǎo)致座椅在傳動(dòng)時(shí)中段電流過(guò)大，會(huì)增加座椅調(diào)節(jié)時(shí)的頓挫感。通過(guò)對(duì)滾絲輪成型工藝的了解，發(fā)現(xiàn)滾絲輪生產(chǎn)廠家為了降低加工成本，一般采用先軟料磨制，再通過(guò)熱處理提高硬度的加工方式。這種工藝對(duì)于高度在80.00 mm 以內(nèi)的滾絲輪不會(huì)有太大的影響，但是對(duì)于200.00 mm 厚度的滾絲輪，會(huì)造成熱處理后滾絲輪變形，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品桿部尺寸發(fā)生變化，影響裝配性能。對(duì)此，要求滾絲輪生產(chǎn)廠家選用進(jìn)口材料，控制滾絲輪硬度在58 ～ 62HRC，采用德國(guó)高精度磨齒機(jī)加工，同時(shí)固化加工工藝為先熱處理后磨削，從而保證螺紋高精度要求。采用該定制款設(shè)備加工，定滾一根絲桿的平均時(shí)間為5 ～ 6 s，加工周期相比串滾縮短5 倍以上，效率提升顯著。

2.4 螺紋磕碰防護(hù)

為保證座椅調(diào)節(jié)時(shí)傳動(dòng)平穩(wěn)、無(wú)異響，客戶對(duì)螺紋的防護(hù)提出了很高的要求。由于汽車座椅絲桿不經(jīng)過(guò)熱處理，表面硬度較低，容易發(fā)生磕碰損傷。為了保證螺紋成型后，產(chǎn)品在運(yùn)輸和超聲波去油清洗過(guò)程中不發(fā)生磕碰，本研究開發(fā)了一款集運(yùn)輸和清洗功能于一體的專用工裝[5]。該工裝采用鏤空設(shè)計(jì)，使用耐高溫材料制造（圖8）。將滾絲成型后的產(chǎn)品放入工裝，運(yùn)輸至超聲波清洗工位進(jìn)行清洗，既能滿足產(chǎn)品較高的清潔度要求，又保證了產(chǎn)品在運(yùn)輸和清洗過(guò)程中無(wú)重復(fù)搬運(yùn)，更好地起到了螺紋防護(hù)作用。

3 產(chǎn)品驗(yàn)證

通過(guò)客戶端現(xiàn)場(chǎng)裝配驗(yàn)證，本研究生產(chǎn)的座椅傳動(dòng)絲桿，在傳動(dòng)性能、傳動(dòng)精度以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上均滿足設(shè)計(jì)和使用需求。另外，頭部和桿部絲坯冷鐓一次成型和定滾螺紋成型的生產(chǎn)工藝具備批量生產(chǎn)的可行性，為產(chǎn)品的可持續(xù)發(fā)展提供了保障。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)座椅傳動(dòng)絲桿進(jìn)行三維建模分析及生產(chǎn)驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

（1）在選用硼鋼等可塑性較強(qiáng)的原材料基礎(chǔ)上，通過(guò)細(xì)化晶粒、選擇合適的模具表面潤(rùn)滑處理等方式，可以將變形量高達(dá)73% 的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)冷鐓成型。同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化冷鐓成型工藝方案，結(jié)合冷作硬化的作用，實(shí)現(xiàn)不通過(guò)熱處理也可滿足芯部硬度控制在220HV 以上，降低熱處理后長(zhǎng)桿螺紋直線度超差的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在內(nèi)孔成形方面，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的沖孔成形模具，可以在普通沖床下實(shí)現(xiàn)精沖的效果。與數(shù)控車床鉆孔相比，效率更高，精度更好。

（3）通過(guò)定制加長(zhǎng)版滾絲機(jī)和滾絲輪，可以更好地保證螺紋精度，滿足更高要求的不完整螺紋長(zhǎng)度，對(duì)其他傳動(dòng)類型的產(chǎn)品精密生產(chǎn)有一定借鑒作用。

（4）對(duì)于客戶提出的嚴(yán)苛的螺紋防護(hù)需求，可以通過(guò)定制與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相匹配的專用工裝，來(lái)降低運(yùn)輸、清洗等過(guò)程中發(fā)生螺紋磕碰的風(fēng)險(xiǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：

陳宣臻，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槔T槍轉(zhuǎn)接頭、拉鉚堵頭技術(shù)研發(fā)。

蔣楊英，本科，工程師，研究方向?yàn)槠嚲o固件技術(shù)研發(fā)。

徐嘉輝，本科，工程師，研究方向?yàn)閼?zhàn)略性新產(chǎn)品開發(fā)。