斜頂料立式擠壓在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造中的應(yīng)用

徐 萍

(十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系,湖北十堰442000)

斜頂料立式擠壓在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造中的應(yīng)用

徐 萍

(十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系,湖北十堰442000)

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)為典型的復(fù)雜叉形鍛件,其常規(guī)開式模鍛工藝金屬消耗大、材料利用率低,制坯復(fù)雜。本文介紹了一種在熱模鍛壓機上采用斜頂料立式擠壓預(yù)成形與開式模鍛相結(jié)合的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù),可以大大提高鍛件材料利用率及節(jié)約機加工量。

少飛邊鍛造;立式擠壓;汽車轉(zhuǎn)向節(jié);斜頂料

0 引言

在曲柄鍛壓機的閉式鍛模中用立式擠壓方法制造汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件,正大量地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,它能降低產(chǎn)品制造成本,減少原材料消耗達12％-18％以上。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,汽車性能不斷提高,汽車零部件中對高精度、形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來越大,鍛造新工藝、省材節(jié)能工藝等的開發(fā)對于新型汽車零件的生產(chǎn)尤為重要。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵零件,它既支撐車體重量,又傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動力矩,因此對其機械性能和外形結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格,是汽車上的重要安全零件之一[1]。探索該類鍛件的合理鍛造方法對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文介紹了一種在熱模鍛壓機上采用斜頂料立式擠壓預(yù)成形與開式模鍛相結(jié)合的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù)。

1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的產(chǎn)品特點及傳統(tǒng)工藝

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件由三部分組成:桿部、法蘭和兩叉子,其特點是桿部細(xì)長,法蘭較大且有時為異型面,兩叉子與桿部中心線偏轉(zhuǎn)一小角度α且形狀復(fù)雜,為典型的復(fù)雜叉形件。常規(guī)的開式模鍛工藝過程為制坯、預(yù)鍛、終鍛,因桿部與法蘭、叉子部的截面面積相差太大,整體壓扁后翻轉(zhuǎn)90度局部壓扁的常規(guī)叉形件制坯方法無法滿足其要求,需在此基礎(chǔ)上增加一次鐓擠以加大法蘭和叉部的坯料截面積(見圖1),即便如此,在桿部與法蘭交接處還存在著較大飛邊,并沿桿部逐漸減小,直到尾部才達到正常寬度;預(yù)鍛需將原位于叉口部的金屬劈開,使之流向兩側(cè)叉子型腔,此時金屬必然會沿叉口前方激烈流動,形成較大的飛邊。盡管在相應(yīng)部位設(shè)計了阻力筋以增大金屬的流失阻力,但總的工藝方案決定了其飛邊消耗是很大的。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的傳統(tǒng)工藝

2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的閉式鍛造工藝

國內(nèi)對閉式鍛造、擠壓工藝的研究主要集中在鍛件的最終成形方面,如傘齒精鍛、十字軸、萬向節(jié)叉的熱擠壓等,一般要求采用精密下料和少無氧化加熱等相關(guān)工藝,局限于簡單形狀鍛件的成形。本文介紹的轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù)可在現(xiàn)有的開式模鍛的工藝基礎(chǔ)上實現(xiàn),主要原理是:改傳統(tǒng)工藝以鍛件中心平面為分模面的水平分模方式為與桿部垂直、以法蘭中心平面為基礎(chǔ)、兼顧兩側(cè)叉子型腔的垂直分模方式,以便在預(yù)鍛采用半封閉式鍛造技術(shù),正擠出桿部和反擠出兩側(cè)叉子,預(yù)成形鍛件形狀,然后終鍛成形鍛件并排出多余金屬。因預(yù)鍛是利用半封閉型腔對金屬的限制作用,迫使金屬在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下流向型腔深處,可大幅度減少飛邊金屬消耗,預(yù)鍛飛邊面積可簡單認(rèn)為是擠壓筒面積減除鍛件在分模面上的本體面積。

3 工藝及工裝設(shè)計

轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件成型的關(guān)鍵在于如何保證金屬材料的合理分配及型腔的充滿。鍛模設(shè)計上應(yīng)充分考慮型腔的金屬流動和原材料的預(yù)分配[2]。在工藝上要考慮坯料的放置位置,鍛造的方向。下面將以某種汽車轉(zhuǎn)向節(jié)(如圖3所示)的成形工藝為例來介紹這三方面的內(nèi)容。

在預(yù)成形時采用了半閉式鍛造技術(shù),但不需完全充滿,故沒有必要采用精密下料工藝、嚴(yán)格控制下料重量,普通剪切下料即可達到要求。其工藝過程和模具結(jié)構(gòu)與開式模鍛的相同,可利用已有的鍛壓機組和模架。

3.1 鍛造方向的選擇

如果按傳統(tǒng)的立式擠壓方法,即鍛造加壓方向與轉(zhuǎn)向節(jié)的桿部軸線相同,在轉(zhuǎn)向節(jié)的左側(cè)叉子內(nèi)側(cè)必須增加鍛造余塊,否則鍛件無法脫模,這不僅浪費了大量的金屬材料,而且大大增加了機加工量。因此在此轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造中,將鍛件轉(zhuǎn)動,使鍛造方向與桿部軸線成6.5°(見圖4),在鍛造過程中,使鍛件上半部先脫出模腔,再用特殊設(shè)計的頂桿(見圖4)將壓力機向上的頂出力轉(zhuǎn)化成桿部軸線方向的頂出力,使鍛件順利出模。

3.2 導(dǎo)面設(shè)計

由工藝方案可知分模面必須垂直于桿部且通過法蘭中心平面,但鍛件形狀決定了其分模面必須為曲面,我們稱之為導(dǎo)面。除滿足分模面常規(guī)設(shè)計的要求外,還得注意以下幾個問題:(1)閉式鍛造預(yù)成形時,凸模外形受擠壓筒形狀限制,其上的兩叉子型腔強度問題突出,導(dǎo)面在兩側(cè)叉子部必須從法蘭中心平面向上抬起一定高度,以減小凸模上叉子型腔深度。(2)導(dǎo)面中所有斜面與鉛垂面的夾角不得小于15度,否則會導(dǎo)致切邊拉毛刺問題。(3)導(dǎo)面各拐角處的圓角半徑為 R10左右,不宜過小,防止導(dǎo)面磨損及折紋產(chǎn)生。

3.3 制坯形狀設(shè)計

預(yù)成形時,開始金屬自由地向四周流動,但當(dāng)凸模下行到一定位置后,形成叉口的突出塊與凹模將金屬分為三個變形區(qū),分別流向桿部和兩側(cè)叉子。制坯形狀設(shè)計的主要依據(jù)就是這三個變形區(qū)所需金屬的體積和兩分流面的位置,原則上要保證這三個變形區(qū)同時充滿。

設(shè)計時還得考慮凸模開始下壓、金屬自由流動階段由中心向兩側(cè)叉子部的流動量,適當(dāng)加大正擠桿部的金屬體積;考慮坯料在擠壓凹模內(nèi)的擺放問題。制坯方式一般用壓擠或成形鐓粗,使坯料成紡錘形,因而必須符合相應(yīng)的限制條件。坯料的最大外徑應(yīng)小于法蘭最大寬度,防止金屬大量流入擠壓筒側(cè)壁或回流到鍛件本體形成折紋。

3.4 半閉式鍛造預(yù)成形模設(shè)計

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛模具圖

該技術(shù)的難點就在于立式擠壓預(yù)成形模具的設(shè)計,包括兩方面的內(nèi)容:一是型腔設(shè)計,二是擠壓筒設(shè)計。

型腔設(shè)計的原則是對終鍛型腔進行簡化,以減小金屬的填充阻力。如取消桿部各臺階,簡化設(shè)計成一帶錐度的光桿,并盡量使桿的尾部終鍛時以剛性平移的方式充滿,其模鍛斜度為1～3度,過小鍛件難以出模,過大則加大了正擠桿部的流動阻力;桿部與法蘭連接處設(shè)計一正擠變形區(qū),即“漏斗”,以便桿部的正擠成形,其大徑略大于中間分流帶寬度,角度在90°～150°之間,盡量取小值,但正擠變形區(qū)不宜太長;叉子和法蘭的預(yù)鍛設(shè)計可用普通的設(shè)計方法,即側(cè)向留0.5mm間隙,高度方向較終鍛加大2～5mm(見圖2)。為防止在預(yù)鍛型腔深處產(chǎn)生高壓氣倉,兩叉子型腔頂部均開有排氣孔,桿部則在下模頂料桿上開出四道深2.0mm的排氣槽。

為保證終鍛有足夠金屬進一步填充型腔深處,除增加預(yù)鍛件厚度外,該工藝還在預(yù)鍛件的叉口部位預(yù)留有一定的金屬,這部分金屬位于鍛件的中心位置,受壓時易于向兩叉子和桿部補充金屬且不易流向飛邊。其高度約 10～20mm,寬度 20～30mm,坡度為60°,各拐角處均以較大的圓角過渡,圓角半徑一般不小于R15(見圖2),防止產(chǎn)生折紋。

擠壓筒設(shè)計又包括三方面的內(nèi)容:擠壓筒平面形狀設(shè)計,高度及凸凹模側(cè)向間隙的確定。

根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的一般形狀,常用長方形擠壓筒,四周以較大的圓弧連接,有時簡化為扁圓形,其長寬設(shè)計在于擠壓筒壁到型腔邊緣最小距離的確定,一般不小于20mm,主要考慮的是凸模上的型腔強度,即保證其最小壁厚與型槽深度比大于1.0;其次是使預(yù)成形時產(chǎn)生一定的飛邊橋部阻力,避免金屬過早流至凹模擠壓筒壁,擠入凸凹模側(cè)向間隙形成較大的垂直毛刺并將上下模抱死,擠壓筒內(nèi)上下模分模面間隙和開式模鍛的飛邊橋部高度相同。

擠壓筒高度以能適時封閉金屬為宜,有人認(rèn)為凸模要在金屬開始變形時就進入凹模內(nèi),這樣必然需較高的擠壓筒,削弱了凸模強度,給工裝設(shè)計、制造造成困難并浪費了模具材料。實事上可在上述基礎(chǔ)上減小一半左右,達到40～60mm即可,這樣可大大緩和凸模強度問題。

凸凹模側(cè)向單邊間隙為0.5mm左右,包括四周圓弧均應(yīng)達到這一要求,以防止金屬注入間隙。為便于凸模順利進入凹模,應(yīng)在凹?？诓?0～15mm范圍內(nèi)設(shè)計出15°的導(dǎo)入角,且凹?？诓咳≥^大的圓弧連接;但為增加金屬流入側(cè)壁間隙的阻力,凸模邊緣取較小的圓角。擠壓筒壁一般為直壁,最大傾角不大于3°。

4 結(jié)束語

用斜頂料立式擠壓進行汽車轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù)已成功地應(yīng)用于某轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn),該技術(shù)具有以下特點:(1)可大幅度減少飛邊金屬消耗,提高材料利用率;(2)可鍛出常規(guī)工藝無法鍛出的法蘭面凸臺;(3)擠壓筒水平投影面積較原水平分模的鍛件水平投影面積(包括飛邊橋部)小得多,可選用噸位較小的設(shè)備;(4)可在現(xiàn)有開式模鍛的設(shè)備、工裝結(jié)構(gòu)、下料及加熱方法的基礎(chǔ)上實現(xiàn)。

[1]鄭玉春.40Cr汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造余熱淬火工藝研究[J].熱加工工藝,2004(3):47.

[2]單麗梅.卡車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝與模具設(shè)計[J].模具工業(yè),2008(1):51.

Application of Standing Extrusion Technology with Slanting Ejector in Automobile Knuckle Forging

XU Ping
(Dep t.of Mechanics&Electronics Eng.,Shiyan Technical Institute,Shiyan 442000,China)

When conventionalopen-die-forging is app lied to automotive steering knuckle as usual,themetalmaterial utilization is high w hile its efficiency low,and the perfo rming step is comp licated because of its typical complex fo rk forging.This paper p resents a hot-die-fo rging p rocess w ith small flash,w hich uses slanting ejecto r and standing extrusion combined w ith the open-die-fo rging technology,so the utilization of materials is greatly imp roved and machining is less needed.

fo rging w ith small flash;standing extrusion;automotive steering knuckle;slanting ejector

TG31

A

1008-4738(2010)03-0110-03

2010-05-08

徐 萍(1973-),女,十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系講師,碩士,研究方向:機械制造,液壓傳動。