汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向用蝸桿機(jī)加工藝

■ 長(zhǎng)城汽車股份有限公司 （河北保定 071000） 亢彥海

蝸桿蝸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在汽車領(lǐng)域有較多的應(yīng)用，常用來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的減速增扭，如C-EPS（電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向）。從本質(zhì)上說(shuō)，蝸桿是軸向拉長(zhǎng)的斜齒圓柱齒輪，通常所說(shuō)的蝸桿頭數(shù)即對(duì)應(yīng)著齒數(shù)，一般常用的蝸桿頭數(shù)為一頭或雙頭，相應(yīng)蝸桿轉(zhuǎn)過(guò)一轉(zhuǎn)，蝸輪只轉(zhuǎn)過(guò)一齒或兩齒，因此蝸桿蝸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)具有高傳動(dòng)比的顯著特點(diǎn)，但傳動(dòng)效率較低，一般在85%左右，這就意味著有較多的機(jī)械損失和熱量產(chǎn)生。

從汽車整車層面來(lái)看，出于對(duì)NVH性能和節(jié)能的嚴(yán)苛要求，往往對(duì)傳動(dòng)過(guò)程的噪聲特性和能量損失控制嚴(yán)格，例如對(duì)EPS要求總體噪聲不得大于43dB，蝸桿蝸輪傳動(dòng)效率不低于90%。

1. 蝸桿的總體加工要求

基于蝸桿蝸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為提高傳動(dòng)效率，降低噪聲，對(duì)于作為主動(dòng)部件的蝸桿精度要求是較高的，這主要體現(xiàn)在齒型精度和表面粗糙度上，并需適應(yīng)大批量生產(chǎn)條件，在制造成本上可接受。

如圖1所示為某C-EPS減速機(jī)構(gòu)使用的蝸桿，雙頭右旋，軸向模數(shù)2.29，分度圓直徑為14.55mm，導(dǎo)程角20°，精度等級(jí)按GB/T 10089圓柱蝸桿、蝸輪精度中的7級(jí)精度要求執(zhí)行，要求表面粗糙度值Ra＝0.2μm，蝸桿材質(zhì)為37CrS4，硬度要求24～28HRC。從產(chǎn)品角度而言，Ra＝0.2μm的表面粗糙度要求是較為嚴(yán)苛的，就現(xiàn)狀來(lái)說(shuō)，大多數(shù)C-EPS蝸桿的表面粗糙度值要求控制在Ra＝0.4μm，但要達(dá)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(shí)現(xiàn)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(shù)控車床加工外，效率更高、更省人化的加工設(shè)備是縱切車床（走心機(jī)）。

縱切數(shù)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(guò)刀具的直線運(yùn)動(dòng)或搖擺運(yùn)動(dòng)來(lái)加工零件。

縱切數(shù)控車床設(shè)計(jì)有主、副雙主軸，配合動(dòng)力頭設(shè)計(jì)可同時(shí)進(jìn)行車、銑、磨、鉸、鉆、鏜、攻螺紋、端面切槽、側(cè)面切槽、側(cè)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(jī)構(gòu)的縱切車床及機(jī)床內(nèi)部主軸和刀庫(kù)配置情況。

配置帶上料機(jī)構(gòu)的縱切車床，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人化自動(dòng)加工，只需在上料機(jī)構(gòu)無(wú)料時(shí)補(bǔ)料即可，成品自動(dòng)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(wěn)定加工前提下，不必在設(shè)備檔次上有過(guò)高要求。

OP30和OP40，即齒面成形是蝸桿加工的重點(diǎn)，這主要是因?yàn)辇X部是動(dòng)力傳輸?shù)闹饕佑|部位，齒型的精度和表面質(zhì)量，在很大程度上決定了整個(gè)部件的技術(shù)指標(biāo)和性能?，F(xiàn)就齒面成形工藝方案進(jìn)行闡述。

4. 齒面成形工藝方案

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

該工藝的顯著特點(diǎn)是旋風(fēng)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(fēng)銑設(shè)備和工藝條件限制，導(dǎo)致齒型成形精度不足，需要經(jīng)磨齒和拋光處理，在一定程度上又制約了其高效率的優(yōu)點(diǎn)，齒面粗糙度值要想穩(wěn)定保持在Ra＝0.2μm的水平，存在較大的難度。對(duì)于低端產(chǎn)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(jī)進(jìn)行齒型的加工，齒形精度高且較為穩(wěn)定，無(wú)需再對(duì)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(duì)齒面進(jìn)行強(qiáng)化，可以使表面粗糙度值穩(wěn)定保持在Ra＝0.2μm的水平，同時(shí)齒面滾壓后產(chǎn)生的冷作硬化效應(yīng)，可有效增加零件的耐磨性及使用壽命。但相對(duì)旋風(fēng)銑削工藝而言，滾齒的加工效率是其短板。

圖 3

圖 4

德國(guó)機(jī)床廠家萊斯特瑞茲提供了兼顧上述兩種工藝特點(diǎn)的方案，即旋風(fēng)銑削成形齒型＋齒面滾壓工藝，該工藝的難點(diǎn)在于使旋風(fēng)銑削設(shè)備具備同滾齒設(shè)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(duì)齒型進(jìn)行校正，目前該工藝處于推廣階段，其效果需要經(jīng)過(guò)時(shí)間的考量，是值得關(guān)注的。

5. 結(jié)語(yǔ)

圖 5

對(duì)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的核心零件蝸桿來(lái)說(shuō)，更高的制造精度和表面質(zhì)量要求是大勢(shì)所趨。新工藝方式的出現(xiàn)，在初期固然有不少瑕疵，但隨著一些關(guān)鍵問(wèn)題的解決，新的工藝方式有可能對(duì)行業(yè)產(chǎn)生巨大的影響，應(yīng)引起足夠的重視。

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[1] 齒輪手冊(cè)編委會(huì). 齒輪手冊(cè)[M].2版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 朱孝錄. 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].3版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[3] 齒輪制造加工速查手冊(cè)編委會(huì).齒輪制造加工速查手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.