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汽车电动助力转向系统热精锻节叉的工艺技术与创新

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赵昌德郑世念吴业忠

摘要：热精锻节叉是电动助力转向系统的成组使用的关键零件，其制备方法对转向系统的性能影响较大，对于汽车行驶的安全性、舒适性和经济性具有较大的影响。文章从生产工艺流程等方面出发，阐述了热精锻节叉的制备工艺方法及其创新点，以供同行业参考。

关键词：节叉;制备;工艺技术;创新

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

0 引言

热精锻节叉，如图1，是专门为乘用车吸能式电动助力转向系统开发的，产品市场需求量大，产品研发列入了2017年度山东省第四批技术创新项目计划。

1 基本工艺流程

热精锻节叉的制备方法，其主要工艺步骤是：下料→棒料加热→辊锻制坯→ 锻造成形→调质前抛丸→调质→抛丸→第一次磁粉探伤→机械加工→第二次磁粉探伤。

下料步骤中，原材料采用φ30～45的45钢，产品热精锻采用一模两件工艺。下料重量公差±0.02 kg，棒料端面的垂直度0.1mm。控制重量与端面垂直度有以下的作用：节约原材料，降低成本，防止棒料超重产生折叠、重量不足出现缺材等缺陷，避免了端面偏斜产生的折叠缺陷。

棒料加热步骤中，棒料加热范围为1225±25℃，采用红外测温仪在线实时检测出炉棒料的加热温度，通过温度分选装置，把温度高于1250℃的超温料和低于1200℃的低温料分别选出。为此，可采取两方面的控制措施：①采用中频感应加热，提高棒料加热效率，减少热量消耗，减少废气排放量，棒料温度均匀，芯表温差小，减少了过热和过烧现象，减轻了棒料表面氧化，使棒料在锻造形变过程中，金属流动顺畅，从而使锻件流线更加合理。②采用红外测温仪在线实时检测加热棒料的温度，严格控制温度在1200～1250℃内，使材料流动性和变形抗力趋于一致，保证了锻件组织性能的均匀性。超温棒料容易使产品整体或局部晶粒粗大，使锻件的强度、塑性和韧性降低，疲劳性能下降。低温棒料在锻造形变过程中，金属流动性差，会造成棒料拉应力、切应力等增大，降低材料的塑性，致使在变形速度过快、变形程度过大时锻件产生裂纹和缺材等缺陷。

锻造按照制坯、预锻、终锻顺序进行。模具在锻造前需预热，模具表面均匀预热到150～250℃：中频炉加热温度1200～1250℃，棒料在辊锻机上进行制坯，制成合适的制坯形状，并有效地去除棒料表面的氧化皮。将坯料放置在锻模上进行预锻和终锻。之后将锻造成形的工件放置于切边模上，进行热切边。锻造工艺保证了锻件流线良好，材料利用率高，错移量小，后续机加工精度高;锻件产品标记清晰，表面无裂纹、无明显氧化坑、无磕碰等缺陷。

在抛丸工序中，采用装载量800kg的履带式抛丸机抛丸，采用钢丝切丸。钢丝切丸不易粉碎，产生粉尘量少。抛丸装入量不超过1500件，设备电流为20～28A，抛丸时间16～20min，钢丝切丸规格φ0.8～1mm。

调质工序在保护气氛连续网带炉中进行，淬火加热温度为840～860℃，然后在60℃淬火油中淬火;回火温度625～645℃，回火时间110～130min。热处理后产品表面硬度 HB216～245，抗拉强度Rm为650～800MPa，屈服强度Re≥430 MPa，延伸率A≥16%。工件淬火质量稳定，淬透性好，抑制了晶粒长大，而且还大幅度消除了内应力，显著减少了机械加工过程中花键孔和开槽后的变形量。锻件（含机加工后）的磁粉探伤工序中，采用水剂磁悬液，水剂磁悬液包括：3～5g/l的荧光磁粉、0.2%的分散剂和0. 5%的防锈剂，周向磁化电流为0.5～0. 8kA，纵向磁化电流为10～12 kA，磁化时间为3s。

机械加工工艺主要包括：在数控机床上车端面、钻孔、车内孔和倒角，在专用铣床上铣出开口。在拉床上拉花键。加工中心工序包括：铣端面、钻孔、铣螺纹、倒角。机械加工具体步骤如下：

将工件放置于车床夹具中，确保工件前端弧面接触夹具定位面后压紧，用端面车刀车端面：用钻头钻底孔;然后车花键内孔及倒角。加工中心加工前将零件装夹在液压夹具上，确保工件夹紧定位可靠，使用防锈切削液;钻螺纹底孔、沉孔;用铣刀粗铣轴承孔底孔;用锪刀锪孔，并倒角;精镗轴承座孔，并倒角。用多工位拉床拉出花键。工件在每次加工前，清理干净夹具定位面和工件表面;工件装夹完毕后，检查工件定位是否到位、夹紧是否可靠：拉削速度4～6m/min，夹紧弹簧φ4×φ30×30。研制了弹性扭转消隙拉刀定位装置，在不影响传递拉力的前提下满足了花键角向重复定位精度的要求;研制液压成对三点自平衡锯齿式预紧夹具，三点同毛坯面接触可靠，万向压头实现自平衡，有效防止了工件变形，保证了加工精度要求，排屑顺利，受力均匀。打标记采用气动打标机打标记。要求标记清晰，位置准确。机加工后需清洗烘干，清洗剂采用防锈切削液，清洗仓温度设定为50±1℃，烘干仓温度设定为120±2℃，清洗烘干过程时间为16±1min。

2 基本工艺流程达到的效果

通过对节叉的功能、材料性能、工艺特点、力学模型等进行理论分析，及多次分组试验研究，圆满解决了开发过程中存在的问题，完善了制备工艺技术方法，达到了稳定量产的能力。应用此种制备方法的热精锻节叉，具有机械性能优良、稳定可靠、材料来源广泛、加工处理环保、性价比高等优点。此外，通过提高回火温度、适当延长保温时间，提高了锻件的稳定性，为提高机械加工的精度打下了基础，解决了工件易变形，满足了加工精度和效率要求。

节叉产品已广泛应用到乘用车电动助力转向系统上，其性能低速行驶时转向轻便，高速行驶时路感清晰，手上的方向感强，稳定。另外，乘用车遭到正面撞击时，能够吸收部分撞击能量，从而减轻驾驶员所

受的伤害。

3 制备工艺技术再创新

上述技术是一种电动助力转向系统热精锻节叉的新型基本生产工艺。虽然热精锻节叉具有机械性能优良、稳定可靠、材料来源广泛、加工处理环保、性价比高等优点，但是，仍存在制造流程長、制造成本高、产品竞争力弱的现实问题，因而，在保证前述零件机械性能的前提下，需从以下制备工艺技术上创新增加经济效益。

3.1 节叉材料创新

采用特定型号的非调质易切削钢材料代替45钢。采用的非调质易切削钢材料元素组成和重量百分比为：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%，余量为Fe和不可避免的杂质。为了适应低温、强腐蚀、高湿热等环境工作环境条件，也开发出了奥氏体不锈钢系列节叉产品，满足了特定市场需求。

3.2 工艺流程创新

在前述工艺流程的基础上，删减调质及调质前的抛丸等工艺步骤。改调质为终锻后控制冷却，冷却速度为2.5～3.5℃/s，冷却至420～450℃后进行缓冷。

3.3 工艺参数优化设计创新

降低坯料加热温度至1180～1230℃，终锻温度为930～980℃，提高锻造节拍与班产量。与45钢相比较，材料具有明显的易切削性能，故大幅提高加工中心的加工速度，加工周期由40～45s/件缩减至25～30s/件。由于材料的易切削性能，加工产生的毛刺少于45钢，手工去除机加工毛刺的工作量大幅减少。

4 技术创新效果综合评价

经统计测算，非调质易切削钢材料代替45钢，减少了生产中的能源消耗和加工刀具消耗，提高了劳动生产效率17～20%，降低了生产成本12～18%。新材料应用和成本降低，产品竞争力增强，市场占有率显著提升，现已销售美国、欧盟、土耳其、印度等20多个国家地区。

通过多年持续研发，获得了发明专利等多项自主知识产权。高新技术的开发和运用，有力地帮助企业占据产品工艺技术的制高点，实现产品专业化、规模化和精细化生产，技术创新从全方位加强了企业核心竞争能力。

参考文献：

[1]山东金马工业集团股份有限公司.电动助力转向系统热精锻节叉的制备方法[P].中國：ZL2013102116633，2015.07.29.

[2]山东金马工业集团股份有限公司.节叉产品及其制备方法[P].中国：ZL201510068857.1，2017.12.19.

[3]何加群.浅谈轴承企业的技术创新[J].轴承，2004（11）.

作者简介：赵昌德（1963-），男，山东日照人，本科，主要从事汽车零部件制造工艺技术、设备管理与工装模具设计等方面研发。

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