彭景光, 陈　迪

(上海汽车粉末冶金有限公司, 上海　200072)



汽车转向管柱粉末冶金移动架的开发

彭景光, 陈迪

(上海汽车粉末冶金有限公司, 上海200072)

摘要：汽车转向管柱粉末冶金移动架是转向管柱中的一个关键零件,论述了其结构和性能特点、材料选择和生产工艺等.产品形状复杂,精度要求较高,若采用传统机加工的方式,几乎不能加工.为了实现大批量生产,使用粉末冶金的方法来制造该零件,解决了目前生产效率低、制造成本高等问题.通过制定合理的工艺,开发出了符合实际工况要求,高精度、高强度、形状复杂的粉末冶金移动架.

关键词：转向管柱; 粉末冶金; 移动架; 模具设计; 工艺; 材料

粉末冶金是一门制造金属与非金属粉末和以其为原料,经过压制、烧结及各种后续处理工艺制取金属材料和制品的科学技术,是一项以较低的成本制造高性能铁基粉末冶金制品的技术[1-2].近年来,随着汽车行业飞速发展,为了降低汽车的生产成本,越来越多的零部件用粉末冶金方法来制备.

转向管柱是车辆转向系统中的重要部件.其主要作用是通过接收驾驶员作用在方向盘上的扭矩,将其传递到转向器,从而使方向盘的转动转化成齿条的移动,控制车轮按照预期方向运动[3].转向管柱中的粉末冶金移动架(如图1所示)是转向管柱实现前后上下4个方向调整的核心零件,分别和另外2个粉末冶金齿条相配合,实现方向盘的调节功能.同时,转向管柱的移动架是汽车中的安全件,对密度和性能有一定的要求,且需要热处理.该产品若采用传统机加工的方式,几乎不能加工,形状非常复杂,且精度要求较高.因此,为了实现大批量生产,使用粉末冶金的方法来制造该零件,解决了目前生产效率低、制造成本高的问题.

图1　转向管柱粉末冶金移动架三维图

本文通过结合国内工艺状况和本公司设备,制定合理的材料、工艺、模具等参数,用于制造出符合使用要求的粉末冶金移动架.

1零件的结构和性能特点

粉末冶金移动架,其形状复杂,在整个转向柱中起承上启下的关联作用,分别与轴向架、径向架的齿部咬合,使转向管柱具有多方向的调节作用(如图2所示).包括平齿面A、斜齿面B、限位凹面C、带键槽的内孔D,以及限位柱E.尺寸精度方面,其中齿形轮廓度要求0.05 mm,齿面高度差≤0.15 mm,限位柱和限位凹面轮廓度0.1 mm.

2材料和压机的选择

2.1材料的选择

鉴于产品的结构特点、性能以及材料要求(材料牌号:Sint D11,w碳>0.75%,w铜为1%～5%),基础铁粉选择雾化铁粉,选用硬脂酸锌为润滑剂.硬脂酸锌熔点低,稍加热就能使其熔化成液相来减少粉末的内外摩擦,使其容易成形.

图2　转向管柱粉末冶金移动架二维图

2.2压机的选择

根据产品的截面积和密度要求,测算出产品大概需要50 t的压制压力来制备.压制压力F可按下式计算[4]:

F=kps

(1)

式中:p为单位压力;s为受压横截面积;k为安全系数,k=1.15～1.50,取1.20.

根据式(1)计算压制压力,则F=1.2×5×8.4=50.4 t.

同时需要上一下三的模具结构,考虑形状和结构特别复杂,所以选择使用160 t机械式压力成形机和上二下三的标准模架.

3工艺流程设计

3.1工艺的制定

根据产品要求,工艺制定如下:混料、压制、烧结、振动去毛刺、渗碳淬火、清洗和包装.由于产品精度要求高,在试验过程中需严格控制磕碰伤.

3.2粉末的混合

采用双锥型自动混料设备,其优点在于无死角、效率高、易清理,非常适合大批量生产[4].混料后粉末泊松比为2.8～3.2,压缩性大于7.0.由于产品具有很高的硬度要求,为保证成分的稳定性,采用全自动秤料系统.

3.3压制工艺

图3为转向管柱粉末冶金移动架压制成形过程,分为粉末充填、粉末传输、压制和脱模4个阶段.

由于采用上一下三的成形结构,产品每部分充填值都要非常精确,才能保证压制时每段密度是均匀的.为保证产品上下段密度均匀,成形过程中采用阴模和芯棒同时浮动.脱模时,采用保压拉下式脱模,并以内下模为基准点,把产品完全从模具中脱出.压制压力50 t,压制效率6件/min,产品高度直接达到成品要求.

图3　转向管柱粉末冶金移动架压制成形过程

3.4烧结工艺

烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一.所谓烧结,就是将粉末压坯在低于其主要成分熔点的温度下进行加热,从而提高压坯强度和各种力学性能的一种过程[2].Fe-C-Cu三元体系的烧结为有限多元系固相烧结类[2].采用连续式普通网带烧结炉进行烧结,烧结温度为1 120 ℃,烧结时间30 min,采用氨分解和氮气的还原性保护气氛,露点为-40 ℃,防止产品氧化并去除表面氧化颗粒.冷却段采用常规水冷.

3.5振动去毛刺

鉴于产品的使用工况,产品外观不允许有毛刺和飞边.移动架形状又较为复杂,采用盘刷或者喷砂的方式都不可行,所以选用钢球振动的方式去毛刺,其效率高、去毛刺效果好.去毛刺介质选用钢球,振动时间为10 min.

3.6热处理工艺

热处理采用铁基粉末冶金通用的整体渗碳淬火[5],即在分解氨气氛下,将烧结的零件加热到860 ℃,保温30 min,然后在860 ℃下将零件淬于50 ℃温油中.最后在150 ℃下回火5 min,达到硬度要求.

3.7清洗包装

由于零件用于汽车转向管柱系统,所以对产品清洁度有一定要求.采用高压油清洗工艺可以符合要求,也具有一定的效率.产品清洗后,采用散装的方式进行包装.

4模具的设计

4.1成形模具主要零件的尺寸计算

4.1.1阴模高度

阴模高度应满足粉末充填和定位的需要.因此,阴模高度一般包括粉末充填的高度、下模冲的定位高度和上模冲压缩粉末前进入阴模的深度[6],即

H阴=H粉+h上+h下

(2)

下模冲的定位高度h下是根据下模冲与阴模之间的装配需要而选定的.总的来说,以能满足下模冲在阴模的定位需要为原则,一般取10～30 mm,本文中取20 mm.上模冲的定位高度h上取0.综上,阴模高度为:

H阴=65+20+0=85mm

4.1.2阴模和模冲尺寸确定

由于移动架形状特别复杂,所以每个模冲的尺寸需要同比例缩放,由材料试验结果得到,压制弹性后效为0.15%,烧结变形量为0.25%.根据模具尺寸计算公式如下[6]:

D=D产(1-t-s)

(3)

式中:D为模具尺寸;t为压坯的径向弹性后效;s为压坯的径向烧结收缩率;D产为产品外径.通过该公式可计算出每个模冲的尺寸.

4.1.3模冲高度的计算

由于采用上一下三的成形结构,上模高度只需采用闭合高度的最小值,通常取100 mm.

外下模计算如下[6-9]:

H外下模=H阴+H法兰+H脱模

(4)

式中:H外下模为外下模高度;H阴为阴模高度;H法兰为安装用法兰高度,通常取15 mm;H脱模为脱模所需要高度,通常取10～20 mm.

根据式(4),H外下模=85+15+10=110 mm.

中下模计算如下[6-9]:

H中下模=H外下模+H法兰+H脱模+H垫块

(5)

式中:H中下模为中下模高度;H垫块为外下模垫块高度.

根据式(5),H中下模=110+15+10+50=185 mm.

内下模计算如下[6-9]:

H内下模=H中下模+H法兰+H脱模+H垫块

式中:H内下模为中下模高度.

根据式(5),H内下模=185+15+10+40=250 mm.

4.2模具设计中的注意事项

移动架较为复杂,产品台阶数多,设计过程特别需要注意模具的分型区域.同时,单个模冲的成形面积特别小,模冲又特别长,热处理硬度需要控制在特别紧的范围内.在试验过程中,模具寿命是难点,需要在脱模、圆角过渡等方面特别注意.

通过大量的理论计算和实际生产的细节讨论,制定了转向管柱移动架生产的模具样式和具体的试验工艺.通过混料、压制、烧结和热处理等一系列工序设计,对移动架的开发进行了详细的说明.在所有的工作中,模具设计是重点.经过对移动架的设计,可以制造该零件为生产所需.目前该产品已经实现批量生产,取得了较好的经济效益,解决了机加工高成本和低效率的问题.

参考文献:

[1]倪冠曹.汽车用粉末冶金件对铁粉的需求[J].粉末冶金工业,2003,13(2):26-28.

[2]黄培云.粉末冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,1997.

[3]刘海峰,张鹏.转向管柱转动力矩不确定度评定[J].汽车零部件,2011(8):33-34.

[4]韩风麟.粉末冶金设备实用手册[M].北京:冶金工业出版社,1997.

[5]美国金属学会.金属手册[M].北京:机械工业出版社,1994.

[6]印红羽,张华诚.粉末冶金模具设计手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

[7]奏万忠.粉末冶金异形齿轮的开发[J].粉末冶金工业,2007,17(4):19-21.

[8]师磊.粉末冶金正时销座的设计与开发[J].国外建材科技,2008,29(4):61-65.

[9]韩风麟.粉末冶金机械零件[M].北京:机械工业出版社,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

中图分类号：TF 124.32

文献标志码：A

作者简介：彭景光(1984—),男,硕士研究生,工程师,主要从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