汽车电动助力转向用蜗杆机加工艺

■ 长城汽车股份有限公司 （河北保定 071000） 亢彦海

蜗杆蜗轮传动机构在汽车领域有较多的应用，常用来实现电动机的减速增扭，如C-EPS（电动助力转向）。从本质上说，蜗杆是轴向拉长的斜齿圆柱齿轮，通常所说的蜗杆头数即对应着齿数，一般常用的蜗杆头数为一头或双头，相应蜗杆转过一转，蜗轮只转过一齿或两齿，因此蜗杆蜗轮传动结构具有高传动比的显著特点，但传动效率较低，一般在85%左右，这就意味着有较多的机械损失和热量产生。

从汽车整车层面来看，出于对NVH性能和节能的严苛要求，往往对传动过程的噪声特性和能量损失控制严格，例如对EPS要求总体噪声不得大于43dB，蜗杆蜗轮传动效率不低于90%。

1. 蜗杆的总体加工要求

基于蜗杆蜗轮传动结构的特点，为提高传动效率，降低噪声，对于作为主动部件的蜗杆精度要求是较高的，这主要体现在齿型精度和表面粗糙度上，并需适应大批量生产条件，在制造成本上可接受。

如图1所示为某C-EPS减速机构使用的蜗杆，双头右旋，轴向模数2.29，分度圆直径为14.55mm，导程角20°，精度等级按GB/T 10089圆柱蜗杆、蜗轮精度中的7级精度要求执行，要求表面粗糙度值Ra＝0.2μm，蜗杆材质为37CrS4，硬度要求24～28HRC。从产品角度而言，Ra＝0.2μm的表面粗糙度要求是较为严苛的，就现状来说，大多数C-EPS蜗杆的表面粗糙度值要求控制在Ra＝0.4μm，但要达到更好的噪声和效率水平，控制在Ra＝0.2μm是必要的。

2. 蜗杆加工工艺路线

蜗杆毛坯为直径约22mm的棒料，其整体工艺路线如图2所示。

3. 各工序工艺实现方法

OP10为外圆加工，通常的工艺方式为车削，除需要精加工的轴承位和齿部外圆外，均车削到位。

图 1

图 2

需要特别提出的是，该序除可采用通用数控车床加工外，效率更高、更省人化的加工设备是纵切车床（走心机）。

纵切数控车床目前最大可加工直径为32mm，一次加工行程最多230mm，主要通过刀具的直线运动或摇摆运动来加工零件。

纵切数控车床设计有主、副双主轴，配合动力头设计可同时进行车、铣、磨、铰、钻、镗、攻螺纹、端面切槽、侧面切槽、侧面铣削和角度钻孔等功能和多工序加工。

如图3所示为带上料机构的纵切车床及机床内部主轴和刀库配置情况。

配置带上料机构的纵切车床，可实现无人化自动加工，只需在上料机构无料时补料即可，成品自动从出料口输出，非常适合该种零件的大批量加工。

OP20加工的轴承位外径公差约为7μm，齿顶直径公差为±0.005mm，由于工件和加工量均较小，采用小型外圆磨床，在满足尺寸公差要求和稳定加工前提下，不必在设备档次上有过高要求。

OP30和OP40，即齿面成形是蜗杆加工的重点，这主要是因为齿部是动力传输的主要接触部位，齿型的精度和表面质量，在很大程度上决定了整个部件的技术指标和性能。现就齿面成形工艺方案进行阐述。

4. 齿面成形工艺方案

（1）方案一：旋风铣＋磨齿（见图4）。利用旋风铣削工艺进行齿型成形的粗加工，留有磨削余量，经铣削的齿面表面粗糙度值Ra≤1.6μm，铣削完成后经磨齿机磨齿，完成齿型的终加工，经磨齿后的齿面粗糙度值Ra＝0.4～0.8μm，因此，为达到要求，需进行齿面的抛光处理。

该工艺的显著特点是旋风铣工艺的高切削效率，通常情况下，相比滚齿工艺可以高近3倍。但该工艺方式由于旋风铣设备和工艺条件限制，导致齿型成形精度不足，需要经磨齿和抛光处理，在一定程度上又制约了其高效率的优点，齿面粗糙度值要想稳定保持在Ra＝0.2μm的水平，存在较大的难度。对于低端产品，该工艺方式维持Ra＝0.4μm的水平，还是足够的。

（2）方案二：滚齿＋滚压（见图5）。利用滚齿机进行齿型的加工，齿形精度高且较为稳定，无需再对齿型做其他加工，滚齿后齿面表面粗糙度值在Ra＝0.8μm左右。齿面成形后采用滚压工艺对齿面进行强化，可以使表面粗糙度值稳定保持在Ra＝0.2μm的水平，同时齿面滚压后产生的冷作硬化效应，可有效增加零件的耐磨性及使用寿命。但相对旋风铣削工艺而言，滚齿的加工效率是其短板。

图 3

图 4

德国机床厂家莱斯特瑞兹提供了兼顾上述两种工艺特点的方案，即旋风铣削成形齿型＋齿面滚压工艺，该工艺的难点在于使旋风铣削设备具备同滚齿设备相同或更高的齿型精度加工能力，而不必再使用磨齿工艺对齿型进行校正，目前该工艺处于推广阶段，其效果需要经过时间的考量，是值得关注的。

5. 结语

图 5

对电动助力转向系统中的核心零件蜗杆来说，更高的制造精度和表面质量要求是大势所趋。新工艺方式的出现，在初期固然有不少瑕疵，但随着一些关键问题的解决，新的工艺方式有可能对行业产生巨大的影响，应引起足够的重视。

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[1] 齿轮手册编委会. 齿轮手册[M].2版. 北京：机械工业出版社，2004.

[2] 朱孝录. 齿轮传动设计手册[M].3版. 北京：化学工业出版社，2010.

[3] 齿轮制造加工速查手册编委会.齿轮制造加工速查手册[M]. 北京：机械工业出版社，2012.