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汽车转向齿条数控强力成形磨削 |
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作者：周哲平 骆广进 秦炜 范炳忠 来源：雅式工业专网 |
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转向齿条：汽车的重要零部件
齿条齿轮转向系统是轿车、小型货车普遍使用的一种转向机构，而汽车转向齿条是齿条齿轮转向系统中的关键件。
其工作原理简单，齿条齿轮式齿轮组被包在一个金属管中，齿条的各个齿端都突出在金属管外，并用横拉杆连在一起。一只小齿轮连在转向轴上，当转动汽车方向盘，转向器齿轮转动，使与之啮合的齿条沿着轴向移动。在齿条各齿端的横拉杆转向轴的转向臂上，通过齿条将方向盘旋转运动转化成车轮传动所需要的线性运动，从而使左右横拉杆带动转向节左右转动，使转向车轮实现偏转而实现汽车转向。
在齿条齿轮转向系统中，转向齿条的精度、啮合度高低非常重要，转向系统是决定汽车主动安全性的关键总成。转向齿条精度差会造成转向不灵敏、操纵不稳，需大幅转动方向盘，不仅影响汽车的操作宜人性，甚至会造成转向系统故障而导致事故。国际上，汽车生产大厂曾出现由於转向系统问题而召回的事例。
图1 汽车转向齿条
汽车转向齿条的形状与加工
转向齿条可分为直齿条和螺旋齿条，亦可以分为单齿型齿条和变齿型齿条。齿型部分的宽度一般为200mm左右，加工深度在5-10mm。国内目前仍采用把热处理作为末道工序的工艺流程，齿条的常规加工是在未淬火的材料上磨出齿型，然後淬硬。但国外有些厂家已把磨削优化为末道工序，因为如果在整体淬硬的实体材料上直接磨出全宽度齿型可以明显提高加工质量和生产效率。
长期以来，我国的汽车行业大多采用插削、铣削或拉削方法进行汽车转向齿条齿型的加工。从这些工艺的实际应用来看，插削、铣削的精度精度较低，效率一般，而拉削的精度稍好，效率也较高，但是这几种加工方式的精度和效率都不及强力成形磨削，而且所使用的刀具成本高，加工的柔性较差。由於国内没有转向齿成形磨床的生产，从而严重制约了汽车工业的发展。
国外，早在上世纪的60、70年代起就广泛应用了强力成形磨削，德国斯来福临集团旗下的Blohm、Maegerle公司都有相应的机床，如Blohm公司的PROFIMAT MT、MC系列成形磨床和Maegerle公司的MMS、MGC系列磨床都能进行汽车转向齿的成形磨削加工。德国ELB公司的MICRO-CUT-A系列磨床、aba公司的POWERLINE CNC成形磨床系列也都能进行转向齿条的成形磨削。此外，意大利FAVERETTO公司、西班牙达诺巴特公司、日本的冈本公司都能制造相应的能磨削汽车转向齿的数控强力成形磨床。
图2 齿条齿轮转向系统示意图
汽车转向齿条齿型最适合用强力成形磨床进行加工，堪称强力成形磨床最典型的工件。
转向齿条齿形的磨削工艺
杭机集团将其数控强力成形磨床系列中通用性较好的MKL7150×10数控强力成形磨床成功用於汽车转向齿条的成形磨削加工。迄今为止，该机床已批量提供给国内近10家汽车零部件制造企业，最多的一家先後购置了8台MKL7150数控强力成形磨床。
该机床采用台式金刚滚轮修整器或者台式金刚碟形应用Y、Z轴联动实现成形修整的方法，在最大厚度为240mm的砂轮上修整出齿条齿形轮廓。通过采用缓进给强力深切成形的方式，在砂轮的全宽度上磨削出整体的齿形。转向齿条采用五工位液压夹具夹紧，一次装夹5件（见图3 ）。
图3 五工位液压夹具
该机床采用西门子840D数控系统，在磨削过程中，除工件装卸外，均可执行数控程序自动完成加工，磨削工作循环是“粗磨–修整砂轮–精磨”，垂直总进给量8mm，直接磨出成形齿，单件加工时间约1.4分钟。
当然，各个生产厂根据自身的设备、加工批量、生产效率等因素采用不同的加工工艺。如机床经过国内荆州恒隆等汽车零部件生产厂的实际生产验证，使用情况很好。该公司所购置的几台MKL7150数控强力成形磨床基本处於24小时连续工作的状态。现在，该公司为了充分利用原有的生产设备，同时节约加工费用，也为了进一步提高加工效率，由原来的粗磨、精磨分两刀进行，改成在上磨床进行成形磨削之前，用铣床在工件上先铣出一个顶面，再上MKL7150数控强力成形磨床磨一刀就下料了，每台机床每天的产量在1000件左右。
需说明一点，MKL7150数控强力成形磨床也完全可以和国外机床媲美，在淬硬的实体材料上直接磨出转向齿条的齿型轮廓。只是因为国内仍沿用将热处理工序作为末道工序—可能这种工艺仍适合目前的生产实践。以後，如有用户要求采用这种工艺，MKL7150数控强力成形磨床完全可以胜任。而这款数控强力成形磨床除了用於汽车转向齿条，还能用於汽车转向摇臂轴扇形齿的成形磨削。汽车转向摇臂轴扇形齿的齿部模数为8~10m，一般加工工艺是齿形滚削或插削後渗碳淬火，较先进的工艺是淬火後采用成形磨齿以提高齿形精度和降低粗糙度并延长使用寿命。扇形齿的成形磨削是根据变齿厚直齿的啮合原理而成的。
MKL7150数控强力成形磨床
该磨床结构先进，属国内首创，其横向导轨置於立柱中部两侧，X、Y、Z三轴导轨具有先进的结构性和工艺性，进给灵敏，加工精度高。其可采用多种成形修整技术，如台面金刚滚轮修整、金刚笔通过X、Y两轴联动修整或采用国际先进的盘形修整技术，修整成形精度高。机床纵向有快速进给功能，可实现普通平磨的往复式磨削。磨削区域采用全封闭式结构，同时贯彻强制性安全标准，采标先进，操作宜人性好。值得一提的是，杭机在为用户提供加工设备的同时，还在深入研究用户工艺後将可靠的工艺一起配套提供给用户。
针对汽车转向齿条磨削宽度在200mm、切深在5-10mm，且材料是实体的实际情况，MKL7150×10磨床系列中专用於汽车转向齿条磨削机床的磨头主轴电机功率高达77KW，是该系列机床中较大的一个品种。砂轮宽度最大可达240mm，为目前国内最宽。砂轮全宽度磨削切深最大为8mm，可实现高效率的超宽砂轮、超大功率主轴大切深强力成形磨削，掌握这项先进技术的企业在国际上也为数不多。
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(7/17/2010) |
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