汽車轉向管柱粉末冶金移動架的開發

彭景光, 陳　迪

(上海汽車粉末冶金有限公司, 上海　200072)

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汽車轉向管柱粉末冶金移動架的開發

彭景光, 陳迪

(上海汽車粉末冶金有限公司, 上海200072)

摘要：汽車轉向管柱粉末冶金移動架是轉向管柱中的一個關鍵零件,論述了其結構和性能特點、材料選擇和生產工藝等.產品形狀復雜,精度要求較高,若采用傳統機加工的方式,幾乎不能加工.為了實現大批量生產,使用粉末冶金的方法來制造該零件,解決了目前生產效率低、制造成本高等問題.通過制定合理的工藝,開發出了符合實際工況要求,高精度、高強度、形狀復雜的粉末冶金移動架.

關鍵詞：轉向管柱; 粉末冶金; 移動架; 模具設計; 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,經過壓制、燒結及各種后續處理工藝制取金屬材料和制品的科學技術,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[1-2].近年來,隨著汽車行業飛速發展,為了降低汽車的生產成本,越來越多的零部件用粉末冶金方法來制備.

轉向管柱是車輛轉向系統中的重要部件.其主要作用是通過接收駕駛員作用在方向盤上的扭矩,將其傳遞到轉向器,從而使方向盤的轉動轉化成齒條的移動,控制車輪按照預期方向運動[3].轉向管柱中的粉末冶金移動架(如圖1所示)是轉向管柱實現前后上下4個方向調整的核心零件,分別和另外2個粉末冶金齒條相配合,實現方向盤的調節功能.同時,轉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.該產品若采用傳統機加工的方式,幾乎不能加工,形狀非常復雜,且精度要求較高.因此,為了實現大批量生產,使用粉末冶金的方法來制造該零件,解決了目前生產效率低、制造成本高的問題.

圖1　轉向管柱粉末冶金移動架三維圖

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

1零件的結構和性能特點

粉末冶金移動架,其形狀復雜,在整個轉向柱中起承上啟下的關聯作用,分別與軸向架、徑向架的齒部咬合,使轉向管柱具有多方向的調節作用(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材料和壓機的選擇

2.1材料的選擇

鑒于產品的結構特點、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外摩擦,使其容易成形.

圖2　轉向管柱粉末冶金移動架二維圖

2.2壓機的選擇

根據產品的截面積和密度要求,測算出產品大概需要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,k=1.15～1.50,取1.20.

根據式(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構,考慮形狀和結構特別復雜,所以選擇使用160 t機械式壓力成形機和上二下三的標準模架.

3工藝流程設計

3.1工藝的制定

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

3.2粉末的混合

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

3.3壓制工藝

圖3為轉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構,產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,并以內下模為基準點,把產品完全從模具中脫出.壓制壓力50 t,壓制效率6件/min,產品高度直接達到成品要求.

圖3　轉向管柱粉末冶金移動架壓制成形過程

3.4燒結工藝

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

3.5振動去毛刺

鑒于產品的使用工況,產品外觀不允許有毛刺和飛邊.移動架形狀又較為復雜,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,達到硬度要求.

3.7清洗包裝

由于零件用于汽車轉向管柱系統,所以對產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.產品清洗后,采用散裝的方式進行包裝.

4模具的設計

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雜,所以每個模沖的尺寸需要同比例縮放,由材料試驗結果得到,壓制彈性后效為0.15%,燒結變形量為0.25%.根據模具尺寸計算公式如下[6]:

D=D產(1-t-s)

(3)

式中:D為模具尺寸;t為壓坯的徑向彈性后效;s為壓坯的徑向燒結收縮率;D產為產品外徑.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構,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.

根據式(5),H中下模=110+15+10+50=185 mm.

內下模計算如下[6-9]:

H內下模=H中下模+H法蘭+H脫模+H墊塊

式中:H內下模為中下模高度.

根據式(5),H內下模=185+15+10+40=250 mm.

4.2模具設計中的注意事項

移動架較為復雜,產品臺階數多,設計過程特別需要注意模具的分型區域.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.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的細節討論,制定了轉向管柱移動架生產的模具樣式和具體的試驗工藝.通過混料、壓制、燒結和熱處理等一系列工序設計,對移動架的開發進行了詳細的說明.在所有的工作中,模具設計是重點.經過對移動架的設計,可以制造該零件為生產所需.目前該產品已經實現批量生產,取得了較好的經濟效益,解決了機加工高成本和低效率的問題.

參考文獻:

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[6]印紅羽,張華誠.粉末冶金模具設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2002.

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[9]韓風麟.粉末冶金機械零件[M].北京:機械工業出版社,1990.

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

文獻標志碼：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