轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)

文／孟江峰·蕪湖三聯(lián)鍛造有限公司

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)

文／孟江峰·蕪湖三聯(lián)鍛造有限公司

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，它能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏地傳遞行駛方向，在汽車行駛狀態(tài)下它承受著多變的沖擊載荷，因此要求其具有很高的強(qiáng)度。近年來(lái)隨著人們安全意識(shí)的增加，作為汽車上重要的安全件，轎車轉(zhuǎn)向節(jié)開(kāi)始越來(lái)越多地采用鍛件。

典型的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)(圖1）一般由上、下球銷，轉(zhuǎn)向節(jié)臂和制動(dòng)卡鉗等幾部分組成，其主要工藝難點(diǎn)在于：⑴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分模比較困難，工藝性差；⑵綜合材料利用率比較低，一般在65%～75%，材料浪費(fèi)大；⑶成形工藝相對(duì)復(fù)雜，質(zhì)量問(wèn)題較多，很容易產(chǎn)生充不滿、錯(cuò)差、變形、折裂紋等缺陷；⑷具有較大的落差，鍛造過(guò)程中錯(cuò)移力很難平衡。正是由于這些原因，目前轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造技術(shù)在國(guó)內(nèi)僅有為數(shù)不多的廠家可以掌握。

我公司從2008年12月份開(kāi)始進(jìn)行轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的開(kāi)發(fā)，于2009年7月開(kāi)始大批量生產(chǎn)，我們用1年多的時(shí)間初步解決了轉(zhuǎn)向節(jié)成形的幾個(gè)主要技術(shù)難點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近幾年的生產(chǎn)實(shí)踐，我們的經(jīng)驗(yàn)日漸豐富，對(duì)轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝有了更深入的研究，這為總結(jié)轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝提供了基礎(chǔ)。

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)工藝方案的確定

目前比較典型的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝如圖2所示。

在這里有幾點(diǎn)需要強(qiáng)調(diào)：

圖1 我公司幾種比較典型的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)

⑴目前生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造設(shè)備主要有電液錘、熱模鍛壓力機(jī)、摩擦壓力機(jī)、高能螺旋壓力機(jī)等，由于轎車轉(zhuǎn)向節(jié)具有較大的落差，錯(cuò)移力很大，因此主機(jī)最好選擇具有良好導(dǎo)向性能的設(shè)備，如熱模鍛壓力機(jī)、高能螺旋壓力機(jī)等，這對(duì)模具壽命提高及模具尺寸減小的意義尤為明顯。如果選用摩擦壓力機(jī)作為主機(jī)，由于其抗偏載能力較差，預(yù)、終鍛應(yīng)分置于兩臺(tái)設(shè)備上。另外，為了減小鍛件的加工余量、保證工藝穩(wěn)定性，主機(jī)設(shè)備最好帶有上、下頂料裝置。

圖2 典型的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝

⑵在轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造中，由于設(shè)計(jì)理念及設(shè)備的差異，各廠家的制坯工藝差別較大，大致有以下兩種思路。1）采用拔長(zhǎng)、壓扁、彎曲、劈料等多種制坯工步相結(jié)合，利用多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行制坯，從而使預(yù)制坯的形狀最大限度地接近轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的外形，預(yù)鍛模具的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，制坯工藝相對(duì)復(fù)雜，制坯穩(wěn)定與否對(duì)人員的依賴度很高；2）采用空氣錘、壓力機(jī)、輥鍛機(jī)等制坯設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的鐓粗、拔長(zhǎng)或壓扁，依靠半閉式預(yù)鍛模具結(jié)構(gòu)來(lái)保證鍛件的成形，此方式對(duì)工人的技能要求相對(duì)較低，更容易實(shí)現(xiàn)批量作業(yè)及保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

⑶由于轎車轉(zhuǎn)向節(jié)落差大，在切邊及校正過(guò)程中存在較大的錯(cuò)移力，因此切邊、校正模具應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)或使用導(dǎo)向良好的設(shè)備。

⑷轎車轉(zhuǎn)向節(jié)一般采用調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行熱處理，為了降低能耗，近些年利用余熱淬火＋回火工藝對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)進(jìn)行熱處理已被大多數(shù)廠家所采用。

某轉(zhuǎn)向節(jié)的成形工步如圖3所示。

鍛件圖的設(shè)計(jì)及3D造型

鍛件圖是鍛造工藝設(shè)計(jì)的依據(jù)及基礎(chǔ)，必須要認(rèn)真對(duì)待，在鍛件圖的設(shè)計(jì)中必須考慮以下幾方面。

分模面

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)絕大部分為曲面分模，實(shí)際上轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)就在于分模面的設(shè)計(jì)，分模面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響鍛件的成形及模具壽命，因此設(shè)計(jì)分模面時(shí)要很慎重，有幾點(diǎn)必須要注意：⑴必須要考慮模具的強(qiáng)度問(wèn)題；⑵應(yīng)考慮對(duì)加工定位基準(zhǔn)的影響，加工定位基準(zhǔn)應(yīng)標(biāo)注在鍛件圖上；⑶為保證切邊質(zhì)量，分模面斜面部分的傾角應(yīng)不小于18°，因?yàn)閮A角越小，切邊行程會(huì)越大，切邊力也就會(huì)越大；⑷要考慮對(duì)加工余量的影響；⑸分模面設(shè)計(jì)完成后，最好用3D造型進(jìn)行驗(yàn)證，以確認(rèn)其是否合理。

加工余量及拔模斜度

根據(jù)設(shè)備及工藝穩(wěn)定性的差異，目前轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的加工余量一般在2.5～3mm之間；易產(chǎn)生錯(cuò)移的方向，加工余量應(yīng)適當(dāng)加大，一般可取3～3.5mm，如上球銷一側(cè)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂一側(cè)；帶有下頂料裝置的摩擦壓力機(jī)，拔模斜度一般可取3～5°。

近些年，由于成本壓力及激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，減少鍛件加工余量、提高材料利用率、提高機(jī)加工效率已被越來(lái)越多的鍛造企業(yè)所重視。結(jié)合轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn)情況，減少加工余量、提高材料利用率的途徑主要有以下幾方面：

⑴減小拔模斜度，尤其是減小加工面的拔模斜度，如帶有下頂料機(jī)構(gòu)的摩擦壓力機(jī)，上球銷最小拔模斜度可取1°左右，內(nèi)孔可取3°左右。

圖3 某轉(zhuǎn)向節(jié)的成形工步

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件設(shè)計(jì)對(duì)比

⑵減小定位基準(zhǔn)側(cè)的加工余量，基準(zhǔn)側(cè)的余量可設(shè)計(jì)為1.5～2mm。

⑶由于傳統(tǒng)習(xí)慣的影響，鍛造生產(chǎn)時(shí)鍛件厚度尺寸一般會(huì)按中上限控制，因此非加工面厚度尺寸按下差設(shè)計(jì)也是鍛件減重的一個(gè)重要方法。

⑷鍛件局部位置精細(xì)化設(shè)計(jì)。結(jié)合成形的需要，使鍛件最大限度地接近產(chǎn)品外形也是一種不錯(cuò)的方法。如圖4所示，某轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)鍛件重量可減輕約0.5kg。

⑸通過(guò)對(duì)特定特征的分模面優(yōu)化，也可起到減小加工余量的目的，如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)分模面局部圖

⑹改變坯料成形方式或鍛造方向。如1041轉(zhuǎn)向節(jié)，傳統(tǒng)工藝為臥鍛，改為立鍛后，鍛件重量由6.15kg降到5.7kg，原材料消耗由原來(lái)的7.23kg降到了6.5kg，節(jié)材效果非常明顯，顯著降低了生產(chǎn)成本。

鍛件R角

對(duì)模具壽命而言，鍛件R角一般越大越好，但對(duì)于鍛件加工來(lái)說(shuō)，過(guò)大的圓角要么會(huì)使加工余量急劇加大，要么會(huì)使加工余量減小而產(chǎn)生加工黑皮，因此對(duì)鍛件不同部位，R角的設(shè)計(jì)應(yīng)區(qū)別對(duì)待。一般地，加工面取凸圓角R3，凹圓角R5，非加工面R角可適當(dāng)加大。

鍛件3D造型

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)由于比較復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)之間拔模、倒角時(shí)可能會(huì)相互影響，因此造型時(shí)要注意：⑴最好使用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的造型軟件，如CATIA，這樣便于后期的更改；⑵按模塊化思路進(jìn)行造型，如將上球銷、下球銷、卡鉗、轉(zhuǎn)向節(jié)臂、主體部分分開(kāi)來(lái)單獨(dú)進(jìn)行造型，拔模、倒角后再進(jìn)行疊加，這樣做的好處在于后期如需更改，只需更改相應(yīng)部位即可，工作量會(huì)大幅度下降，另外也會(huì)使造型時(shí)思路清晰，避免錯(cuò)漏問(wèn)題的發(fā)生；⑶造型完成后，最好將各結(jié)構(gòu)分模面也進(jìn)行單獨(dú)疊加，形成單獨(dú)的分模面文件，這樣在后續(xù)預(yù)、終鍛模具造型時(shí)，可以采用分模面偏置的方式生成模具橋部及倉(cāng)部結(jié)構(gòu)。圖3所示鍛件的3D造型過(guò)程如圖6所示。

制坯方案的設(shè)計(jì)

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)制坯方式多種多樣，但坯形設(shè)計(jì)的依據(jù)依然是鍛件圖，因此在制坯方案確定前，計(jì)算并繪制鍛件的等軸截面圖是十分必要的。

對(duì)于圖3所示帶轉(zhuǎn)向節(jié)臂的轉(zhuǎn)向節(jié)，我公司一般采用鐓粗＋拔長(zhǎng)的制坯方案，其目的如下：

⑴通過(guò)平板鐓粗或局部成形鐓粗去除氧化皮，同時(shí)使坯料直徑達(dá)到轉(zhuǎn)向節(jié)臂的成形要求；

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的3D造型過(guò)程

⑵通過(guò)拔長(zhǎng)滿足上球銷(減震臂）的成形需要。

除了以上制坯工序，還需要采用半閉式結(jié)構(gòu)的預(yù)鍛模具進(jìn)行預(yù)鍛，這樣才能確保制動(dòng)卡鉗、轉(zhuǎn)向節(jié)臂達(dá)到成形要求，同時(shí)也可以達(dá)到提高材料利用率的目的。

這里需要指出的是，制坯工序不應(yīng)太多、太復(fù)雜，因?yàn)樘嗟闹婆鞴ば驎?huì)降低坯料溫度，給預(yù)鍛成形帶來(lái)困難，也會(huì)影響生產(chǎn)效率；另外，在制坯時(shí)應(yīng)盡可能采用模具來(lái)保證坯形的正確制備，盡量減少對(duì)人員技能的依賴。

預(yù)鍛、終鍛模具的設(shè)計(jì)與使用

預(yù)、終鍛模具的一般設(shè)計(jì)原則鍛壓手冊(cè)中已有詳細(xì)描述，這里不再贅述，下面僅針對(duì)轎車轉(zhuǎn)向節(jié)模具設(shè)計(jì)中最常見(jiàn)的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

■ 表1 終鍛模橋部參數(shù)的選值范圍

■ 表2 擠壓筒的設(shè)計(jì)參數(shù)

參數(shù)的選取

⑴熱收縮率：一般選取1.4%～1.5%。

⑵橋部參數(shù)：終鍛模橋部參數(shù)的選值范圍見(jiàn)表1。

終鍛模橋部參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品大小及設(shè)備成形噸位做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，目前在16MN摩擦壓力機(jī)上終鍛模的橋高最小可取3mm(雙側(cè)），一般為4～5mm。另外，摩擦壓力機(jī)由于無(wú)上頂料機(jī)構(gòu)，故為便于脫模，上模膛邊緣圓角應(yīng)比下模膛大1～2mm，上模膛表面粗糙度應(yīng)比下模膛高一個(gè)等級(jí)。

鎖扣的設(shè)計(jì)

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)最常見(jiàn)的質(zhì)量問(wèn)題就是錯(cuò)模，這也是轎車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造生產(chǎn)中的核心問(wèn)題。由于轎車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，錯(cuò)移力大，對(duì)模架、設(shè)備產(chǎn)生的影響也很大，因此，合理設(shè)計(jì)鎖扣、平衡錯(cuò)移力對(duì)轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的成形意義重大。

一般轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的錯(cuò)移為兩個(gè)方向，為平衡這兩個(gè)方向的錯(cuò)移力，鎖扣應(yīng)設(shè)計(jì)成平衡鎖扣。為防止鎖扣斷裂及方便鎖扣翻新，一般將鎖扣設(shè)計(jì)成斜度為5°的斜鎖扣且有效導(dǎo)向長(zhǎng)度保持在15～20mm。另外，為了防止由于過(guò)度磨損造成鎖扣失效，在預(yù)鍛及終鍛模具上應(yīng)設(shè)計(jì)預(yù)錯(cuò)量，一般為0.3～0.5mm。

預(yù)鍛擠壓筒的設(shè)計(jì)

目前半閉式預(yù)成形工藝已被越來(lái)越多的鍛造企業(yè)所采用，半閉式預(yù)成形工藝的關(guān)鍵在于擠壓筒相關(guān)尺寸的設(shè)計(jì)，我公司擠壓筒的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

預(yù)鍛模具的設(shè)計(jì)

預(yù)鍛模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

⑴預(yù)鍛模膛的高度尺寸比終鍛大1～1.5mm(單側(cè)），寬度尺寸比終鍛小0.3～0.5mm(單側(cè)），并使預(yù)鍛件的體積比終鍛件大3%～5%。

⑵對(duì)于鍛件上帶有臺(tái)階的，為避免由于預(yù)鍛錯(cuò)模或擺料原因產(chǎn)生充不滿及刮料折疊，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，取消或采用大斜度、大圓角圓滑處理，如圖7a所示。

⑶轉(zhuǎn)向節(jié)臂過(guò)渡處應(yīng)采用大圓弧或斜面進(jìn)行過(guò)渡，以利于預(yù)鍛成形，避免折紋的產(chǎn)生，如圖7b所示。

⑷對(duì)于具有深內(nèi)孔的轉(zhuǎn)向節(jié)，可以采用增加連皮厚度、抬高深孔底部的方式，避免碗口折紋的產(chǎn)生及增加模具強(qiáng)度，但應(yīng)注意要計(jì)算好深孔部位的體積，確保比終鍛體積大1%～3%，否則會(huì)產(chǎn)生穿筋折疊。

⑸應(yīng)考慮坯料在預(yù)鍛型腔的定位問(wèn)題，必要時(shí)可在型腔內(nèi)增加槽、臺(tái)等定位特征，如圖8所示。

圖7 預(yù)鍛模具簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

圖8 預(yù)鍛開(kāi)設(shè)定位槽

⑹采用半閉式預(yù)成形工藝，應(yīng)在預(yù)鍛完成90%以上的成形量，終鍛僅起到整形的作用?；谶@樣的設(shè)計(jì)思想，預(yù)鍛成形設(shè)備的噸位一般大于終鍛成形設(shè)備。

⑺將擠壓筒橋?qū)?、斜度、間隙進(jìn)一步減小，從而使擠壓筒的阻料能力更強(qiáng)，材料利用率更高，這應(yīng)該作為今后預(yù)鍛模結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要方向。

終鍛模具的設(shè)計(jì)

終鍛模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

⑴對(duì)于在切邊和沖孔時(shí)可能產(chǎn)生變形的部位(如轉(zhuǎn)向節(jié)制動(dòng)卡鉗、ABS面等），必須在終鍛模增加1～1.5mm的補(bǔ)償量。

⑵在模膛易磨損處，可在鍛件負(fù)公差范圍內(nèi)增加磨損量，以提高模具壽命。

⑶在下模易積聚氧化皮的部位，鍛件尺寸應(yīng)適當(dāng)增加。

⑷為了便于NC加工，鍛模型腔外圓角(尤其是水平方向的圓角）的圓角半徑應(yīng)盡量加大，一般其值可取≥12mm。

⑸對(duì)于難充滿的較深型腔，可考慮開(kāi)設(shè)排氣孔。

預(yù)、終鍛模具使用時(shí)的注意事項(xiàng)

由于轉(zhuǎn)向節(jié)模具規(guī)格大，使用中易產(chǎn)生斷裂，因此使用時(shí)要特別注意：

⑴必須保證模具預(yù)熱溫度在150～250℃，嚴(yán)禁冷模鍛造，禁止低溫鍛造。

⑵應(yīng)定期對(duì)模具墊板進(jìn)行翻新，防止因墊板變形造成模具底面受力不均產(chǎn)生破裂。

⑶應(yīng)定期對(duì)設(shè)備導(dǎo)軌間隙進(jìn)行檢查，防止因?qū)к夐g隙過(guò)大造成模具鎖扣斷裂。

⑷對(duì)于摩擦壓力機(jī)，模架上必須安裝承擊板，避免因設(shè)備打擊力波動(dòng)造成模具破裂。

結(jié)束語(yǔ)

轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程，受到模具設(shè)計(jì)、模具加工、熱處理技術(shù)、設(shè)備能力、操作人員技能水平、現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理和過(guò)程控制水平等多重因素的影響，任何一個(gè)因素產(chǎn)生問(wèn)題，都會(huì)對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性及產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良影響，因此，其質(zhì)量水平是企業(yè)綜合實(shí)力的體現(xiàn)。本文所介紹的都是近幾年我公司在轎車轉(zhuǎn)向節(jié)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中摸索出的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，和幾年前相比，雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)有了較大的提高，但仍存在一些比較突出的問(wèn)題，如模具壽命不高、材料利用率低、生產(chǎn)異常情況多等，這些都是我們亟待解決的問(wèn)題。

孟江峰，技術(shù)部部長(zhǎng)，副總工程師，主要從事鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)方面的工作，主持完成了BMPV轎車轉(zhuǎn)向節(jié)、博世2344高壓共軌、NTN 3代輪轂等項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工作，擁有“一種半閉式鍛壓模具”、“回轉(zhuǎn)體鍛件無(wú)飛邊精密鍛壓成形模具”等多項(xiàng)專利技術(shù)。