一種新型的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝開發(fā)

姜效峰，曹懷禮，杜衛(wèi)東

(慶鈴汽車(集團(tuán))有限公司，重慶 400052)

一種新型的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝開發(fā)

姜效峰，曹懷禮，杜衛(wèi)東

(慶鈴汽車(集團(tuán))有限公司，重慶 400052)

介紹了一種閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝方案，并通過數(shù)值模擬對坯料尺寸、壓扁時(shí)下壓量等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)過生產(chǎn)試制證明，對于這種新型閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝方法生產(chǎn)的鍛件，其鍛造流線分布與鍛件外形一致性好，材料利用率高，并且有效延長了模具壽命，可為同類枝杈類鍛件產(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒。

轉(zhuǎn)向節(jié)；閉式預(yù)鍛；半閉式終鍛；數(shù)值模擬；精密成形技術(shù)

近年來，由于我國高速公路里程的快速增長和西部開發(fā)等基礎(chǔ)建設(shè)的迅速推進(jìn)，以及物流行業(yè)的迅猛發(fā)展，市場對載重卡車的需求量與日俱增。2015年，中、重型載貨卡車年產(chǎn)量達(dá)到283萬輛。因此，市場對轉(zhuǎn)向節(jié)的需求超過400萬件/a，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面[1]。

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車重要的安全零部件，它在工作時(shí)受力情況比較復(fù)雜，既要支撐車體質(zhì)量，又要傳遞轉(zhuǎn)向力矩，并承受前輪剎車制動(dòng)力矩，因此轉(zhuǎn)向節(jié)的安全特性是汽車制造行業(yè)特別重視的一項(xiàng)指標(biāo)，對其機(jī)械性能要求非常嚴(yán)格。同時(shí)，轉(zhuǎn)向節(jié)屬于復(fù)雜枝杈類零件，鍛造成形難度大，若采用半固態(tài)注入成型，雖然在1個(gè)工步內(nèi)即可獲得尺寸精度較高的轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品，但生產(chǎn)成本高，沖擊韌性和抗彎強(qiáng)度差，使用壽命和安全可靠性不及鍛件，目前還處于研究階段。探索轉(zhuǎn)向節(jié)合理的鍛造方法對我國汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義[2-3]。另外，在汽車逐漸要求輕量化的今天，對鍛件精度要求逐步提高，不僅對鍛件的加工面的要求提高，對非加工面的要求同樣在提高。目前國內(nèi)外轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造生產(chǎn)方法有如下幾種：

1) 劈爪成形工藝。工藝路線為：下料—反射爐加熱—圓料壓扁劈爪—拔長爪部—錘上鍛造成形。該工藝雖然對設(shè)備要求低，但主要缺點(diǎn)是鍛件精度差、質(zhì)量不穩(wěn)定、材料利用率低、勞動(dòng)條件差。

2) 制坯彎曲終鍛工藝。工藝路線為：下料—加熱—開式鐓擠制坯—去連皮—彎曲—終鍛—切邊。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是制件組織性能可得到改善，缺點(diǎn)是工序多、能耗大、材料利用率低、鍛件成本高、金屬流線不完整。

3) 半封閉擠壓工藝。工藝路線為：下料—中頻感應(yīng)加熱—鐓粗(去除氧化皮)—半封閉擠壓—終鍛—切邊—校正—檢驗(yàn)。該方案采用半封閉擠壓工藝預(yù)制坯，機(jī)械性能和表面質(zhì)量好，但材料利用率低[4-6]。

通過對轉(zhuǎn)向節(jié)常規(guī)鍛造成形方法進(jìn)行分析和研究，在總結(jié)各種轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種“閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛”的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝方案，并通過數(shù)值模擬對坯料尺寸、壓扁壓下量等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果證明：采用這種新型“閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛”的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝生產(chǎn)的鍛件，鍛造流線分布與鍛件外形一致性好，材料利用率高，并且有效延長了模具壽命， 是精密成形技術(shù)在常規(guī)模鍛工藝中得到有效應(yīng)用的典型案例，可為同類枝杈類鍛件產(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒。

1 轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛方案設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)向節(jié)的常規(guī)模鍛方案

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的三維模型

常規(guī)模鍛工藝過程為：下料—制坯—預(yù)鍛—終鍛。由于零件桿部與法蘭、叉子部位橫截面積差別較大，所以需要增加1次局部鐓粗制坯，滿足法蘭、叉子部位成形的需要。 常規(guī)模鍛工藝設(shè)計(jì)一般采用開放式預(yù)鍛制坯的工藝方案，在實(shí)際生產(chǎn)中極易出現(xiàn)以下成形缺陷：

1) 模具成形時(shí)法蘭部位型腔窄而深，而桿部細(xì)又長，金屬流動(dòng)阻力較大，由于常規(guī)模鍛工藝型腔開放，模具內(nèi)部擠壓力不夠，桿部容易出現(xiàn)充不滿缺陷。

2) 坯料沒有定位，操作時(shí)容易放偏。同時(shí)，在鍛造時(shí)極其容易偏移，成形過程穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生折疊和充不滿。

3) 常規(guī)開放式預(yù)鍛制坯的工藝方案除需在生產(chǎn)中解決充不滿、局部變形嚴(yán)重、折疊等成形缺陷外，材料利用率也較低，一般為25%～70%。坯料在變形時(shí)，金屬流速快，模具磨損也較為嚴(yán)重。

1.2 閉式預(yù)鍛工藝設(shè)計(jì)

在對常規(guī)“開放式預(yù)鍛制坯+半封閉式模鍛”工藝方案存在的不足進(jìn)行分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了一種“閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛”的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝方案。模具型腔結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要工序是：在 6 300 t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行鐓粗—壓扁—閉式預(yù)鍛—半閉式終鍛。新工藝采用閉式鍛造預(yù)成型，有效提高了金屬的流動(dòng)能力以及減少飛邊金屬的消耗，可大幅提高材料利用率。同時(shí)，在預(yù)鍛過程中，行程與載荷的曲線變化比較平緩，延長了模具的使用壽命。但是，閉式模具型腔是封閉的，較常規(guī)模鍛的成型力偏大，同時(shí)對下料尺寸精度要求較高，坯料設(shè)計(jì)偏大，容易導(dǎo)致抗力劇增，模具報(bào)廢；而坯料設(shè)計(jì)過小，又會(huì)導(dǎo)致鍛件缺陷。為此，通過實(shí)際生產(chǎn)試制，并結(jié)合有限元模擬優(yōu)化坯料尺寸、壓扁壓下量等工藝參數(shù)，確定一條比較合理的“閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛”轉(zhuǎn)向節(jié)制造方案。

1.鐓粗工位; 2.壓扁工位; 3.終鍛; 4.預(yù)鍛

2 轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛過程模擬

該重卡轉(zhuǎn)向節(jié)對尺寸外形的要求較國內(nèi)更為嚴(yán)格，在模具的調(diào)試以及試制過程中還存在一些問題，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中由于有眾多因素的干擾，直接根據(jù)現(xiàn)場情況對工藝進(jìn)行優(yōu)化是相當(dāng)困難的。因此，引入數(shù)值模擬仿真技術(shù)，這對分析轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)調(diào)試過程中缺陷產(chǎn)生的原因以及找到相應(yīng)的解決方法帶來了相當(dāng)大的便利。

2.1 有限元模型的建立

2.2 下料尺寸的優(yōu)化

閉式模鍛較常規(guī)模鍛對下料尺寸精度要求較高，坯料設(shè)計(jì)偏大，容易導(dǎo)致抗力劇增，模具報(bào)廢；而坯料設(shè)計(jì)過小，又會(huì)導(dǎo)致鍛件缺陷。為此，在其他工藝參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，按表1設(shè)計(jì)了8種規(guī)格的坯料尺寸，對其鐓粗—壓扁—閉式預(yù)鍛—半閉式終鍛進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同下料規(guī)格對鍛件終鍛成形質(zhì)量及壓機(jī)載荷的影響。

表1坯料規(guī)格對終成形質(zhì)量和終鍛載荷的影響

模擬結(jié)果表明:下料規(guī)格為Φ115 mm×370 mm 時(shí)，鍛件終鍛充填質(zhì)量較好,頭部(兩叉子、法蘭)與桿部處飛邊情況比較理想，如圖3所示。該規(guī)格的下料尺寸材料利用率較高，同時(shí)終鍛時(shí)的成形載荷也滿足壓機(jī)的生產(chǎn)要求。

圖3 終鍛后的飛邊分布情況

2.3 預(yù)鍛定位優(yōu)化

在實(shí)際預(yù)鍛工序，由于轉(zhuǎn)向節(jié)后面枝椏部位是一個(gè)斜平面，坯料在預(yù)鍛時(shí)極易向桿部型腔移動(dòng)，導(dǎo)致鍛造穩(wěn)定性變差。坯料在模具型腔內(nèi)過度滑移容易產(chǎn)生折疊、充不滿等鍛造缺陷。因此，預(yù)鍛時(shí)需要保證良好的定位。經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)：加大坯料壓扁時(shí)(如圖4)的下壓量，在預(yù)鍛時(shí)能增加坯料與成形枝椏部位平臺的接觸面積，提高坯料的成形穩(wěn)定性。因此，在使用Φ115 mm×370 mm 尺寸規(guī)格的坯料、拍扁后高度為120 mm的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了不同的拍扁參數(shù)進(jìn)行模擬分析。經(jīng)多次模擬發(fā)現(xiàn):拍扁壓下量增加后，預(yù)鍛成形穩(wěn)定大幅增加，但會(huì)惡化轉(zhuǎn)向節(jié)平衡塊的枝椏處的充填質(zhì)量。

圖4 坯料的拍扁工序

通過對模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)：當(dāng)拍扁壓下量增加20 mm、拍扁后坯料高度由原來120 mm變?yōu)?00 mm時(shí)，坯料在預(yù)鍛時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大滑移，可以充分保證坯料的成形穩(wěn)定性，但轉(zhuǎn)向節(jié)平衡塊的枝椏處出現(xiàn)了輕微的充不滿。為此，重新優(yōu)化下料尺寸規(guī)格，將坯料規(guī)格由Φ115 mm×370 mm調(diào)整至Φ115 mm×390 mm后，有效地解決了枝椏處充填不飽滿的現(xiàn)象。

2.4 預(yù)終鍛上下模閉式及半閉式間隙確定及優(yōu)化

預(yù)終鍛上下模閉式及半閉式間隙的確定非常關(guān)鍵。預(yù)鍛間隙過大，預(yù)鍛飛邊加大，轉(zhuǎn)向節(jié)桿部金屬流動(dòng)速度減慢，終鍛出現(xiàn)桿部充不滿缺陷；間隙過小，會(huì)出現(xiàn)鍛不靠現(xiàn)象，終鍛法蘭部位充不滿。終鍛間隙過小，金屬成形過程中所需變形力加大，鍛件極易出現(xiàn)折疊；過大，鍛件易出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象。通過模擬結(jié)果和現(xiàn)場對比，最終確定閉式預(yù)鍛擋墻上下模間隙預(yù)先設(shè)計(jì)選擇1 mm，半閉式終鍛擋墻上下模間隙預(yù)先設(shè)計(jì)選擇3 mm。

3 現(xiàn)場試制

通過數(shù)值模擬確定了較為優(yōu)化的坯料尺寸、拍扁下壓量等工藝參數(shù)，并在6 300 t電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上進(jìn)行該轉(zhuǎn)向節(jié)的鐓粗—壓扁—閉式預(yù)鍛—半閉式終鍛試制，配套的設(shè)備有1 500 kVA 感應(yīng)加熱爐、12.5 MN 切邊校正壓力機(jī)和控冷裝置，鍛件在終鍛、切邊和校正后進(jìn)入控冷裝置進(jìn)行可控冷卻?，F(xiàn)場試制結(jié)果表明:通過該工藝生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)成形質(zhì)量良好，成材率約為80%，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合技術(shù)協(xié)議要求。圖5為實(shí)際試制鍛件與模擬結(jié)果對比。

圖5 實(shí)際試制鍛件與模擬結(jié)果對比

4 結(jié)論

1) 在分析和總結(jié)常規(guī)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形方法的基礎(chǔ)上，提出了一種新型“閉式預(yù)鍛+半閉式終鍛”的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝方法。新工藝采用閉式鍛造預(yù)成型，有效地提高了金屬的流動(dòng)能力并減少了飛邊金屬的消耗，大幅提高了材料利用率。同時(shí)變形金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，各部位金屬流動(dòng)比較均勻，可有效延長模具壽命。該工藝方法是精密成形技術(shù)在常規(guī)模鍛工藝中得到有效應(yīng)用的典型案例，為同類枝杈類鍛件產(chǎn)品的生產(chǎn)提供借鑒。

2) 通過模擬分析優(yōu)化了下料規(guī)格、拍扁壓下量等工藝參數(shù)，并通過實(shí)際生產(chǎn)試制進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用Φ115 mm×390 mm規(guī)格的坯料，將坯料拍扁至100 mm，可有效保證坯料在預(yù)鍛時(shí)的定位，提高成形穩(wěn)定性，同時(shí)也能保證終鍛時(shí)鍛件各部位的充填質(zhì)量。

3) 實(shí)際生產(chǎn)情況表明：在閉式預(yù)鍛擋墻間隙選擇1 mm、半閉式終鍛擋墻間隙選擇3 mm時(shí)，解決了鍛件填充和折疊等缺陷問題，且鍛件的金屬流線滿足要求。

[1] 2014—2015年卡車市場深度調(diào)查分析及發(fā)展前景研究報(bào)告[EB/OL].[2016-05-26].http://www.cir.cn/2014-04/KaCheShiChangFenXiBaoGao.html.

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(責(zé)任編輯 劉 舸)

Development of a New Forging Process of Steering Knuckle

JIANG Xiao-feng, CAO Huai-li, DU Wei-dong

(QingLing Motors (Group) Co., Ltd., Chongqing 400052, China)

This paper introduced a closed pre forging and half closed die forging method for the manufacturing of the steering knuckle. And the process parameters such as stock size, press amount when be flattening and so on were optimized by means of numerical simulation, and after being proved by the trial production, the forging production with the new method had high material utilization ratio, and effectively extended the die life, through which the streamline distribution is consistent with the shape of the forging. It can provide a reference for the manufacturing of branch-like forging piece.

steering knuckle; closed pre forging; half closed die forging; numerical simulation; precision forming technology

2016-12-25

姜效峰，男，工程師，主要從事汽車鍛件鍛造工藝、熱加工成型和模具開發(fā)及制造研究，E-mail:qinglingzgb@126.com；曹懷禮，男，高級工程師，主要從事汽車、發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)及模具技術(shù)研究；杜衛(wèi)東，男，主要從事汽車制造研究。

姜效峰，曹懷禮，杜衛(wèi)東.一種新型的重卡轉(zhuǎn)向節(jié)模鍛工藝開發(fā)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(2):34-38.

format：JIANG Xiao-feng, CAO Huai-li, DU Wei-dong.Development of a New Forging Process of Steering Knuckle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):34-38.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.006

U463

A

1674-8425(2017)02-0034-05