房車轉向節(jié)前臂彎曲工藝優(yōu)化與模具裝置研發(fā)及應用

文／夏巨諶，鄧磊，金俊松·華中科技大學

張運軍，甘萬兵，陳天賦，余國林·湖北三環(huán)鍛造有限公司

房車轉向節(jié)是自駕旅游用車的核心零部件，輪廊尺寸大，結構極其復雜。針對目前采用分體制造存在的諸多問題，提出了整體模鍛成形的工藝方案，并對其關鍵工序彎曲成形工藝進行了優(yōu)化與專用模具裝置開發(fā)。結果表明，所提方案合理先進，實現(xiàn)了以整體模鍛取代分體制造，所生產的房車轉向節(jié)滿足了美國客戶的技術要求。

引言房車是集交通、餐飲和住宿于一體的專用汽車。近年來，自駕旅游在美國和歐洲等發(fā)達國家發(fā)展迅速，近兩年來我國人民因改革開放生活水平大幅提高，節(jié)假日和雙休日私家車車主和親朋好友自駕游發(fā)展迅猛，對房車的需求不斷增長，由此，帶動了房車制造所需一些關鍵零部件的發(fā)展。

三環(huán)鍛造有限公司是汽車轉向節(jié)專業(yè)化生產企業(yè)，年產各種汽車轉向節(jié)系列產品1000多種，200萬件，超過100萬噸，除國內東風、一汽外，國外客戶有戴姆勒奔馳公司、荷蘭DAF公司、印度塔塔和利蘭公司、美國TRP等公司，國際業(yè)務已占公司銷售總額的25%以上。因產品質量好，供貨準時，可滿足客戶特殊要求，因此，2016年，美國某知名公司要求為其生產房車A223型轉向節(jié)，并主動提供了研發(fā)費用。

房車轉向節(jié)結構特點

常用汽車轉向節(jié)和房車A223型轉向節(jié)鍛件如圖1所示。A223型轉向節(jié)鍛件二維圖如圖2所示。其鍛件的復雜系數(shù)為S=V鍛/V包=0.075≤0.16，這表示該型轉向節(jié)為最復雜的枝杈類鍛件。它與常用載重車的轉向節(jié)的最大差別就是一個直線前臂特別長，另一個稍短的前臂與桿部及直線長臂的軸線方向成90°彎曲。

圖1 轉向節(jié)

圖2 A223型房車轉向節(jié)鍛件二維圖

圖3 鐓粗、拔長、預鍛模膛及預鍛件

目前，這種房車轉向節(jié)鍛件的生產，國內尚為空白，現(xiàn)有工藝是將前臂與桿部和法蘭分開鍛造經機加工后采用螺栓連接為一體。不難看出，分體制造存在的突出問題是，不僅材料利用率低，加熱能耗高，生產效率低，產品性能差，而且很難實現(xiàn)輕量化。

房車轉向節(jié)整體模鍛工藝簡介

公司接到訂單后，立即同華中科技大學夏巨諶教授及其課題組合作進行研發(fā)，針對房車轉向節(jié)結構特點及分體制造存在的諸多問題。經過分析并參考公司生產異形轉向節(jié)鍛件的經驗，制定了如下整體模鍛工藝方案：下料→加熱→第一次制坯局部鐓粗→第二次制坯桿部拔長→預鍛→終鍛→切邊→（加熱）→彎曲及校正。

第一次制坯局部鐓粗是采用閉式鐓粗工藝，對坯料上對應于轉向節(jié)法蘭盤的位置將其局部鐓粗，其中間局部鐓粗及鐓粗模具如圖3(a）中B-B局部剖視圖所示；第二次拔桿制坯是將局部鐓粗所成形出的工件，對應于轉向節(jié)桿部的一段進行拔長，如圖3(a）中A-A局部剖視圖所示；預鍛是將經過兩道制坯的工件在預鍛模膛中成形為將彎曲前臂沿軸線伸直成與直線長臂平行的叉形件，預鍛模膛如圖3(a）中間俯視圖所示，所成形的預鍛件如圖3(a）所示；終鍛是將預鍛件通過終鍛模膛成形為具有兩個直前臂的鍛件，這相當于一般模鍛生產的最后成形；切邊后的鍛件如圖4(a）實線所示。彎曲成形是將切邊后的鍛件長度較短的前臂在專用裝置上彎曲成形，得到最終鍛件。

彎曲成形機理及工藝優(yōu)化研究

彎曲成形機理：彎曲成形分為自由彎曲成形和強制彎曲成形兩種，自由彎曲成形時在坯料的中線形成中性層，中性層以內產生壓應變和壓應力，中性層以外產生拉應變和拉應力。本文研究的房車轉向節(jié)前臂彎曲是在模膛內強制彎曲成形，彎曲臂在彎曲前的初始狀態(tài)如圖4(a）實線所示，彎曲后的狀態(tài)如圖4(a）虛線所示。

如上所述，圖4所示彎曲是前臂在上、下凹模對應的模膛內發(fā)生彎曲。前臂左端與法蘭相連，彎曲圓心緊靠法蘭，彎曲主要發(fā)生在垂直軸線的右邊，且完全是拉伸變形，即自前臂的下面至上面均為拉伸變形，相應的應力也為拉伸應力，兩者的分布規(guī)律如圖4(b）所示；選擇Z軸為圓柱體的軸向坐標，則變形體內的應力與應變狀態(tài)如圖4(c）所示，由圖可知，沿切向為拉應力σθ，沿軸向σz和徑向σρ均為壓應力；其應變的方向與應力的方向相同。

圖4 前臂彎曲前后及其應力應變狀態(tài)圖

由上面的分析可知，前臂彎曲成形的實質是近似純拉伸成形。因此，以此為基礎，分析得到前臂彎曲前的形狀和尺寸的優(yōu)化設計方法。

優(yōu)化方法及步驟：

⑴采用UG或PRO/E軟件對A223轉向節(jié)鍛件進行三維實體造型，在計算出整個鍛件體積的同時，也分別計算出被彎曲的前臂及已成形的端部的體積V臂、V端，進而得到彎曲前桿部的體積V桿=V臂-V端；

⑵因彎曲成形是在模膛內閉式彎曲成形，其特點是桿部寬度保持不變、高度減小、長度大幅延伸的近似于拉伸伸長成形，所以彎曲成形前的直桿（預彎桿）較彎曲成形后的桿部其截面增大而長度縮短，為了預彎桿順利放入彎曲模膛，取預彎桿的寬度B桿=B彎-(1～1.5）mm，B彎為彎曲模膛寬度，即寬度B桿已知，因圓臺縱坐標至右端與法蘭盤相連接部分的高度與彎曲后對應高度相等，右端高度與前端左邊高度相等，所以彎曲前的前臂桿部為寬度（B桿）、左端及右端橫截面的高度及體積（V桿）均已知的左高右低且底面為平面的梯形，進而可求出預彎桿部的長度L桿。至此，可得到預彎桿部的形狀及主要尺寸，如圖2(a）實線圖形及標注所示。

由鍛件工步圖（未示出）上的標注可知，前臂桿部彎曲前、后的長度分別為l0=101.1mm、l1=154.9mm，其伸長量為Δl=l1-l0=53.8mm，相應的伸長變形程度為εF=(Δl/l0）×100%=53.2%。鍛件材料為42CrMo，彎曲時工件溫度為900～1000℃，其允許最大變形程度[εF]≤80%～85%。由εF＜[εF]表明，其彎曲工藝設計合理安全。

彎曲專用模具裝置研制

基本結構：圖5所示為筆者提出的專用彎曲模具裝置，其基本結構由模架、上凹模提升及壓緊機構、凸凹模工作部分所組成。模架由下模板、中模板、上模板和下導柱、下壓環(huán)、下導套、上導套、上導柱及上壓環(huán)等組成；下導套與上導套固定在中模板上，下導柱、上導柱分別固定在下模板和上模板上，四組導柱、導套分布在模板的四角；上凹模提升及壓緊機構由四組法蘭筒及拉桿和四組活塞桿及油缸組成，其連接與固定方式如圖5所示；凸凹模工作部分由凸模及凸模座、上凹模和下凹模組成，凸模與凸模座用兩個柱銷連接，凸模座固定在上模板的凹坑中，上凹模固定在中模板下面，下凹模固定下模板上；此外，還有頂桿。該裝置安裝在通用液壓機上使用。按照圖5所示基本結構及原理研制出的專用模具裝置照片如圖6所示。

工作過程及原理：

⑴操作液壓機使滑塊帶動上模板及固定在上模板上的所有零件上行，當上行至法蘭筒的底部同拉桿的圓柱頭部接觸時，帶動中模板及固定在其上的所有零件一起上行至上限位置；同時，隨著活塞桿上行，將低壓油吸入油缸下腔；

圖5 專用彎曲模具裝置

圖6 專用彎曲模具裝置照片

⑵將已切邊的鍛件放入下凹模中；

⑶操作液壓機滑塊及與其固定及連接在一起的所有零件下行，當下行至上凹模與下凹模相碰時，中模板及其固定與連接在一起的零件均處于靜止狀態(tài)，隨著滑塊繼續(xù)下行，活塞桿壓縮油缸下腔的油液，由高壓液流閥產生的油壓通過上凹模將鍛件的桿部、法蘭及長前臂壓緊，同時凸模迫使短前臂向下彎曲成形并同時對桿部法蘭和直長臂進行校正；

⑷校正彎曲成形結束時，滑塊帶動上模板及其固定在上面的所有零件一起向上回程，回程過程與第一步相同，在回程的同時，下頂出器通過頂桿將鍛件從下凹模中頂出，一個工作循環(huán)結束。

工藝試驗及生產應用

鍛件材料為42CrMo，坯料尺寸為φ125mm×458 mm，采用公司現(xiàn)有的中頻感應加熱爐、5t模鍛錘、10t模鍛錘、800t曲柄壓力機和630t四立柱通用液壓機為試驗和小批量生產設備，將制坯及預鍛模、終鍛模、沖模及圖5所示彎曲專用模具裝置分別安裝在對應的設備上使用。試驗完全按照前述工藝流程進行，試驗中采用水基石墨潤滑劑進行噴霧式潤滑，試驗所得A223房車轉向節(jié)鍛件并經初步機加工的產品如圖1(b）所示，達到了美國客戶的技術標準和要求，并已開始小批量供貨。

所試驗出的鍛件經光學快速精密測量完全達到美國用戶的技術標準。已經進行了小批量生產供用戶使用。

目前正在設計并建立中頻感應加熱爐→輥鍛機制坯→1600t數(shù)控電動螺旋壓力機預鍛→2500t數(shù)控電動螺旋壓力機終鍛→800t曲柄壓力機切邊→630t液壓機校正及彎曲成形，采用機器人操作的全自動化生產線，將實現(xiàn)大批量生產，以滿足國內外迅速增長的市場需求。

采用整體模鍛技術生產A223房車轉向節(jié)同分體制造然后采用螺栓連接為一體的技術生產轉向節(jié)比較：材料利用率由約45%提高到70%以上；節(jié)約加熱能耗35%以上；生產效率提高4～5倍，產品力學性能大為提高。

結論

⑴針對A223房車轉向節(jié)的結構特點，所研發(fā)的整體模鍛關鍵技術及模具裝置同現(xiàn)有的分體制造技術生產轉向節(jié)鍛件比較，具有節(jié)材、節(jié)能、提高生產效率和產品質量的突出優(yōu)點，這對具有彎曲前臂轉向節(jié)的整體模鍛具有推廣應用價值。

⑵正在建立的全自動化生產線，為房車轉向節(jié)這類復雜枝杈類零件整體模鍛批量生產奠定了堅實基礎。