汽車電動助力轉向用蝸桿機加工藝

■ 長城汽車股份有限公司 （河北保定 071000） 亢彥海

蝸桿蝸輪傳動機構在汽車領域有較多的應用，常用來實現電動機的減速增扭，如C-EPS（電動助力轉向）。從本質上說，蝸桿是軸向拉長的斜齒圓柱齒輪，通常所說的蝸桿頭數即對應著齒數，一般常用的蝸桿頭數為一頭或雙頭，相應蝸桿轉過一轉，蝸輪只轉過一齒或兩齒，因此蝸桿蝸輪傳動結構具有高傳動比的顯著特點，但傳動效率較低，一般在85%左右，這就意味著有較多的機械損失和熱量產生。

從汽車整車層面來看，出于對NVH性能和節能的嚴苛要求，往往對傳動過程的噪聲特性和能量損失控制嚴格，例如對EPS要求總體噪聲不得大于43dB，蝸桿蝸輪傳動效率不低于90%。

1. 蝸桿的總體加工要求

基于蝸桿蝸輪傳動結構的特點，為提高傳動效率，降低噪聲，對于作為主動部件的蝸桿精度要求是較高的，這主要體現在齒型精度和表面粗糙度上，并需適應大批量生產條件，在制造成本上可接受。

如圖1所示為某C-EPS減速機構使用的蝸桿，雙頭右旋，軸向模數2.29，分度圓直徑為14.55mm，導程角20°，精度等級按GB/T 10089圓柱蝸桿、蝸輪精度中的7級精度要求執行，要求表面粗糙度值Ra＝0.2μm，蝸桿材質為37CrS4，硬度要求24～28HRC。從產品角度而言，Ra＝0.2μm的表面粗糙度要求是較為嚴苛的，就現狀來說，大多數C-EPS蝸桿的表面粗糙度值要求控制在Ra＝0.4μm，但要達到更好的噪聲和效率水平，控制在Ra＝0.2μm是必要的。

2. 蝸桿加工工藝路線

蝸桿毛坯為直徑約22mm的棒料，其整體工藝路線如圖2所示。

3. 各工序工藝實現方法

OP10為外圓加工，通常的工藝方式為車削，除需要精加工的軸承位和齒部外圓外，均車削到位。

圖 1

圖 2

需要特別提出的是，該序除可采用通用數控車床加工外，效率更高、更省人化的加工設備是縱切車床（走心機）。

縱切數控車床目前最大可加工直徑為32mm，一次加工行程最多230mm，主要通過刀具的直線運動或搖擺運動來加工零件。

縱切數控車床設計有主、副雙主軸，配合動力頭設計可同時進行車、銑、磨、鉸、鉆、鏜、攻螺紋、端面切槽、側面切槽、側面銑削和角度鉆孔等功能和多工序加工。

如圖3所示為帶上料機構的縱切車床及機床內部主軸和刀庫配置情況。

配置帶上料機構的縱切車床，可實現無人化自動加工，只需在上料機構無料時補料即可，成品自動從出料口輸出，非常適合該種零件的大批量加工。

OP20加工的軸承位外徑公差約為7μm，齒頂直徑公差為±0.005mm，由于工件和加工量均較小，采用小型外圓磨床，在滿足尺寸公差要求和穩定加工前提下，不必在設備檔次上有過高要求。

OP30和OP40，即齒面成形是蝸桿加工的重點，這主要是因為齒部是動力傳輸的主要接觸部位，齒型的精度和表面質量，在很大程度上決定了整個部件的技術指標和性能。現就齒面成形工藝方案進行闡述。

4. 齒面成形工藝方案

（1）方案一：旋風銑＋磨齒（見圖4）。利用旋風銑削工藝進行齒型成形的粗加工，留有磨削余量，經銑削的齒面表面粗糙度值Ra≤1.6μm，銑削完成后經磨齒機磨齒，完成齒型的終加工，經磨齒后的齒面粗糙度值Ra＝0.4～0.8μm，因此，為達到要求，需進行齒面的拋光處理。

該工藝的顯著特點是旋風銑工藝的高切削效率，通常情況下，相比滾齒工藝可以高近3倍。但該工藝方式由于旋風銑設備和工藝條件限制，導致齒型成形精度不足，需要經磨齒和拋光處理，在一定程度上又制約了其高效率的優點，齒面粗糙度值要想穩定保持在Ra＝0.2μm的水平，存在較大的難度。對于低端產品，該工藝方式維持Ra＝0.4μm的水平，還是足夠的。

（2）方案二：滾齒＋滾壓（見圖5）。利用滾齒機進行齒型的加工，齒形精度高且較為穩定，無需再對齒型做其他加工，滾齒后齒面表面粗糙度值在Ra＝0.8μm左右。齒面成形后采用滾壓工藝對齒面進行強化，可以使表面粗糙度值穩定保持在Ra＝0.2μm的水平，同時齒面滾壓后產生的冷作硬化效應，可有效增加零件的耐磨性及使用壽命。但相對旋風銑削工藝而言，滾齒的加工效率是其短板。

圖 3

圖 4

德國機床廠家萊斯特瑞茲提供了兼顧上述兩種工藝特點的方案，即旋風銑削成形齒型＋齒面滾壓工藝，該工藝的難點在于使旋風銑削設備具備同滾齒設備相同或更高的齒型精度加工能力，而不必再使用磨齒工藝對齒型進行校正，目前該工藝處于推廣階段，其效果需要經過時間的考量，是值得關注的。

5. 結語

圖 5

對電動助力轉向系統中的核心零件蝸桿來說，更高的制造精度和表面質量要求是大勢所趨。新工藝方式的出現，在初期固然有不少瑕疵，但隨著一些關鍵問題的解決，新的工藝方式有可能對行業產生巨大的影響，應引起足夠的重視。

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[1] 齒輪手冊編委會. 齒輪手冊[M].2版. 北京：機械工業出版社，2004.

[2] 朱孝錄. 齒輪傳動設計手冊[M].3版. 北京：化學工業出版社，2010.

[3] 齒輪制造加工速查手冊編委會.齒輪制造加工速查手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2012.