基于模擬軟件的轉(zhuǎn)向節(jié)裂紋分析與改進(jìn)

文／張振水，吳萬心，別建友，劉文新，成希鋒·中國重汽集團(tuán)濟(jì)南鑄鍛中心

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵部件，它即支撐車體重量，又傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動(dòng)力矩，因此對其機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求較高，是汽車上的重要安全零件之一。本文介紹了轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝改進(jìn)及易出現(xiàn)裂紋位置，結(jié)合deform 模擬軟件介紹了裂紋形成的原因，并針對裂紋位置進(jìn)行了模具優(yōu)化，解決裂紋導(dǎo)致的批量轉(zhuǎn)向節(jié)廢品。

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵部件，起到支撐車體重量，又傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動(dòng)力矩的作用，因此對其機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求較高，是汽車上的重要安全零件之一。

我單位盤式轉(zhuǎn)向節(jié)（圖1）自今年4 月份生產(chǎn)以來，廢品率一直居高不下，均在10%以上，目前導(dǎo)致轉(zhuǎn)向節(jié)廢品的原因主要是眼睛位置（B 區(qū)）、下模小凸臺位置（H2 區(qū)）裂紋，其余位置在小頭部位（I1區(qū)），為解決上述轉(zhuǎn)向節(jié)缺陷，利用模擬軟件反復(fù)進(jìn)行鍛打過程模擬及試制，查看鍛打過程中流線分布情況及料的流動(dòng)方向，尋找裂紋形成的原因。

轉(zhuǎn)向節(jié)裂紋原因分析

眼睛處的裂紋及形成原因

目前我單位制坯采用拍扁工藝，拍扁后兩端面存在尖角，通過模擬軟件點(diǎn)位追蹤，可以看到最終拍扁后坯料尖角位置料流動(dòng)至眼睛區(qū)域，在熱處理后由于應(yīng)力集中原因形成裂紋，如圖2 所示。

由于型腔及坯料分布情況決定眼睛部位，在鍛打過程接近終了時(shí)才填滿型腔，因此兩股料在眼睛部位流動(dòng)匯集，最終形成裂紋，如圖3 所示。

轉(zhuǎn)向節(jié)小頭端面兩側(cè)接近分模面處裂紋形成原因

鍛打過程中料的移動(dòng)使坯料端面尖角最終流動(dòng)至小頭處，產(chǎn)生應(yīng)力集中（與眼睛處裂紋相同），最后會在熱處理后形成裂紋，如圖4 所示。

在預(yù)鍛距離小頭端面大約70mm（圖5(a)、圖5(b)）處，?？趫A角及型腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在此位置料的流動(dòng)混亂形成裂紋，在鍛打后期無法排出至毛邊（圖5(c)）。

下模小凸臺位置裂紋及形成原因

在鍛打后期小凸臺位置存在空腔，空腔部位料的填充使小凸臺處形成裂紋，如圖6 所示。

在預(yù)鍛過程中把部成形設(shè)計(jì)尺寸為175.7mm，實(shí)際鍛打厚度約155mm，在終鍛時(shí)把部料的劇烈流動(dòng)帶走小凸臺處的料，形成裂紋，如圖7 所示。

工藝優(yōu)化

針對以上裂紋位置及原因分析，工藝改進(jìn)方案如下：

目前采用φ180mm 料段拍扁工藝，拍扁后長度在245mm 左右，拍扁后兩端面存在尖角，尖角位置直接影響預(yù)鍛件質(zhì)量，將拍扁工藝改為φ150mm 料段鐓粗工藝，鐓粗后長度在280mm 左右，在預(yù)鍛中較拍扁工藝料的分布更為均勻，同時(shí)通過對鐓粗模進(jìn)行優(yōu)化，鐓粗毛坯兩端面接近圓滑過渡無尖角，大大降低后續(xù)鍛打過程中廢品的產(chǎn)生。圖8 為拍扁與鐓粗料的對比模擬圖。

模具型腔優(yōu)化

眼睛處的改動(dòng)

預(yù)鍛上模兩眼睛之間由原來的直面改為坡面加圓角過渡，同時(shí)加大?？趫A角，如圖9 所示。

在上模眼睛1/2 位置處做一斜面與上模型腔邊緣連接，并做大約R80mm 的圓角進(jìn)行過渡，如圖10所示。

預(yù)鍛下模眼睛處擋墻結(jié)構(gòu)由原來封閉式更改為眼睛端打通結(jié)構(gòu)，改善鍛打流向，使缺陷更易排出，如圖11 所示。

轉(zhuǎn)向節(jié)小頭端面處裂紋改動(dòng)

由拍扁工藝更改為鐓粗工藝，解決坯料端面尖角問題。

更改小頭部位的擋墻結(jié)構(gòu)，由原來的封閉結(jié)構(gòu)（圖12(a)）改為小頭端打通結(jié)構(gòu)（圖12(b)），使缺陷更易排出鍛件，其次把上模距離小頭40mm 位置處修改為R100mm 圓弧的凹槽（圖12(c)），解決小頭平面裂紋。

下模小凸臺位置改動(dòng)

小凸臺結(jié)構(gòu)改為與把部位置連通結(jié)構(gòu)，在預(yù)鍛模位置做凹槽且采用大圓弧過渡，增加終鍛時(shí)的用料，如圖13 所示。

在預(yù)鍛上模大小爪之間進(jìn)行局部改動(dòng)，改善預(yù)鍛把部的成形率，使把部在預(yù)鍛過程中更易成形，解決終鍛過程中把部金屬流動(dòng)形成小凸臺位置空腔導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，如圖14 所示。

針對小頭側(cè)裂紋，更改下模擋墻結(jié)構(gòu)，由原來的整體擋墻結(jié)構(gòu)更改為兩端開通結(jié)構(gòu)，其次把距離小頭40mm 位置處修改為R100mm 圓弧的凹槽，解決小頭平面裂紋。

結(jié)論

通過對上述缺陷產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析及對模具修改，由拍扁工藝改為鐓粗工藝，型腔按照上述方案進(jìn)行更進(jìn)后，進(jìn)行了鍛打試制，到目前為止最新改進(jìn)的造型使廢品率大幅降低，現(xiàn)在廢品率不到2%，大大降低了生產(chǎn)成本。