汽車電動助力轉向系統熱精鍛節叉的工藝技術與創新

趙昌德 鄭世念 吳業忠

摘 要：熱精鍛節叉是電動助力轉向系統的成組使用的關鍵零件，其制備方法對轉向系統的性能影響較大，對于汽車行駛的安全性、舒適性和經濟性具有較大的影響。文章從生產工藝流程等方面出發，闡述了熱精鍛節叉的制備工藝方法及其創新點，以供同行業參考。

關鍵詞：節叉;制備;工藝技術;創新

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

0 引言

熱精鍛節叉，如圖1，是專門為乘用車吸能式電動助力轉向系統開發的，產品市場需求量大，產品研發列入了2017年度山東省第四批技術創新項目計劃。

1 基本工藝流程

熱精鍛節叉的制備方法，其主要工藝步驟是：下料→棒料加熱→輥鍛制坯→ 鍛造成形→調質前拋丸→調質→拋丸→第一次磁粉探傷→機械加工→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：節約原材料，降低成本，防止棒料超重產生折疊、重量不足出現缺材等缺陷，避免了端面偏斜產生的折疊缺陷。

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時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，金屬流動順暢，從而使鍛件流線更加合理。②采用紅外測溫儀在線實時檢測加熱棒料的溫度，嚴格控制溫度在1200～1250℃內，使材料流動性和變形抗力趨于一致，保證了鍛件組織性能的均勻性。超溫棒料容易使產品整體或局部晶粒粗大，使鍛件的強度、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，金屬流動性差，會造成棒料拉應力、切應力等增大，降低材料的塑性，致使在變形速度過快、變形程度過大時鍛件產生裂紋和缺材等缺陷。

鍛造按照制坯、預鍛、終鍛順序進行。模具在鍛造前需預熱，模具表面均勻預熱到150～250℃：中頻爐加熱溫度1200～1250℃，棒料在輥鍛機上進行制坯，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行預鍛和終鍛。之后將鍛造成形的工件放置于切邊模上，進行熱切邊。鍛造工藝保證了鍛件流線良好，材料利用率高，錯移量小，后續機加工精度高;鍛件產品標記清晰，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的履帶式拋丸機拋丸，采用鋼絲切丸。 鋼絲切丸不易粉碎，產生粉塵量少。拋丸裝入量不超過1500件，設備電流為20～28A，拋丸時間16～20min，鋼絲切丸規格φ0.8～1mm。

調質工序在保護氣氛連續網帶爐中進行，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℃，回火時間110～130min。熱處理后產品表面硬度 HB216～245，抗拉強度Rm為650～800MPa，屈服強度Re≥430 MPa，延伸率A≥16%。工件淬火質量穩定，淬透性好，抑制了晶粒長大，而且還大幅度消除了內應力，顯著減少了機械加工過程中花鍵孔和開槽后的變形量。鍛件（含機加工后）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，磁化時間為3s。

機械加工工藝主要包括：在數控機床上車端面、鉆孔、車內孔和倒角，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定位精度的要求;研制液壓成對三點自平衡鋸齒式預緊夾具，三點同毛坯面接觸可靠，萬向壓頭實現自平衡，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。打標記采用氣動打標機打標記。要求標記清晰，位置準確。機加工后需清洗烘干，清洗劑采用防銹切削液，清洗倉溫度設定為50±1℃，烘干倉溫度設定為120±2℃，清洗烘干過程時間為16±1min。

2 基本工藝流程達到的效果

通過對節叉的功能、材料性能、工藝特點、力學模型等進行理論分析，及多次分組試驗研究，圓滿解決了開發過程中存在的問題，完善了制備工藝技術方法，達到了穩定量產的能力。應用此種制備方法的熱精鍛節叉，具有機械性能優良、穩定可靠、材料來源廣泛、加工處理環保、性價比高等優點。此外，通過提高回火溫度、適當延長保溫時間，提高了鍛件的穩定性，為提高機械加工的精度打下了基礎，解決了工件易變形，滿足了加工精度和效率要求。

節叉產品已廣泛應用到乘用車電動助力轉向系統上，其性能低速行駛時轉向輕便，高速行駛時路感清晰，手上的方向感強，穩定。另外，乘用車遭到正面撞擊時，能夠吸收部分撞擊能量，從而減輕駕駛員所

受的傷害。

3 制備工藝技術再創新

上述技術是一種電動助力轉向系統熱精鍛節叉的新型基本生產工藝。雖然熱精鍛節叉具有機械性能優良、穩定可靠、材料來源廣泛、加工處理環保、性價比高等優點，但是，仍存在制造流程長、制造成本高、產品競爭力弱的現實問題，因而，在保證前述零件機械性能的前提下，需從以下制備工藝技術上創新增加經濟效益。

3.1 節叉材料創新

采用特定型號的非調質易切削鋼材料代替45鋼。采用的非調質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。為了適應低溫、強腐蝕、高濕熱等環境工作環境條件，也開發出了奧氏體不銹鋼系列節叉產品，滿足了特定市場需求。

3.2 工藝流程創新

在前述工藝流程的基礎上，刪減調質及調質前的拋丸等工藝步驟。改調質為終鍛后控制冷卻，冷卻速度為2.5～3.5℃/s，冷卻至420～450℃后進行緩冷。

3.3 工藝參數優化設計創新

降低坯料加熱溫度至1180～1230℃，終鍛溫度為930～980℃，提高鍛造節拍與班產量。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，加工產生的毛刺少于45鋼，手工去除機加工毛刺的工作量大幅減少。

4 技術創新效果綜合評價

經統計測算，非調質易切削鋼材料代替45鋼，減少了生產中的能源消耗和加工刀具消耗，提高了勞動生產效率17～20%，降低了生產成本12～18%。新材料應用和成本降低，產品競爭力增強，市場占有率顯著提升，現已銷售美國、歐盟、土耳其、印度等20多個國家地區。

通過多年持續研發，獲得了發明專利等多項自主知識產權。高新技術的開發和運用，有力地幫助企業占據產品工藝技術的制高點，實現產品專業化、規?；途毣a，技術創新從全方位加強了企業核心競爭能力。

參考文獻：

[1]山東金馬工業集團股份有限公司.電動助力轉向系統熱精鍛節叉的制備方法[P].中國：ZL2013102116633，2015.07.29.

[2]山東金馬工業集團股份有限公司.節叉產品及其制備方法[P].中國：ZL201510068857.1，2017.12.19.

[3]何加群.淺談軸承企業的技術創新[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、設備管理與工裝模具設計等方面研發。