轉向節鍛造工藝與模具優化

文／武絡，宮顯宇，唐康，莊志強·富成鍛造有限公司

轉向節鍛造工藝與模具優化

文／武絡，宮顯宇，唐康，莊志強·富成鍛造有限公司

汽車轉向節因其形狀復雜，機械性能要求高，成形難度大，市場需求可觀以及較高的技術附加值而被認為是鍛造業的高精尖產品。我公司自開發該項產品以來，充分運用鍛造工藝數值模擬與優化技術，結合生產實踐進行的試驗工作，完成奔馳某車型所用轉向節從試生產到批量生產，再到鍛造工藝及模具優化改進的整個過程。圖1所示為奔馳某車型轉向節。

產品設計特點

該產品筋部較薄，桿部較長，且桿部在下模，因此鍛壓時充滿較為困難，在預鍛時就設計出有利于鍛件桿部充滿的結構來保證鍛件桿部及筋部的充滿。為保證終鍛有足夠金屬進一步填充型腔深處，除增加預鍛件厚度外，還在預鍛件的沖頭部位預留有一定的金屬，這部分金屬位于鍛件的中心位置，受壓時易于向兩側法蘭盤和桿部補充金屬且不易流向飛邊。即將上模沖頭減小，做成凹圓形，為終鍛時桿部留有一定的金屬，增加金屬流向模膛外的阻力，確保鍛件桿部的成形，同時使得上模筋部深度降低，利于成形。各拐角處均以較大的圓角過渡，圓角半徑一般不小于R10，防止產生折紋。模膛鍛件設計示意圖見圖2。

圖1 奔馳某車型轉向節

圖2 模膛鍛件設計示意圖

生產工藝流程

該產品在雙2500t壓力機生產線上進行生產，為了開發符合公司現有設備的生產工藝，現行的整個工藝方案省去了生產該系列產品傳統工藝中的鐓粗、半封閉擠壓制坯兩道工序，將生產工藝流程定為：下料→加熱（中頻爐）→預鍛成形（2500t壓力機）→終鍛成形（2500t壓力機）→切邊（630t切邊壓力機）→熱處理→表面清理→探傷→終檢。

圖3 轉向節預鍛、終鍛溫場分布

工藝與模具優化

由于缺少了制坯工序，最初設計的預鍛變形量較大，要達到成熟方案中的制坯、預鍛兩道工序的效果，就會增大預鍛的設計難度。在設計預鍛模具時，對預鍛型腔進行簡化，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3°，模鍛斜度過小鍛件難以出模，過大則加大了正擠桿部的流動阻力；桿部與底面連接處設計一正擠變形區，即“漏斗”，以便桿部的正擠成形，但正擠變形區不宜太長；底面采用斜面過渡，可顯著降低成形阻力；兩側法蘭盤預鍛設計時側向留0.5mm間隙，高度方向較終鍛加大2～5mm，盡量使終鍛變形為反擠壓成形。

該鍛件在批量生產過程中，終鍛模具的使用壽命較低。利用Deform-3D模擬鍛件成形過程，從鍛件的溫場狀況可以判斷出終鍛模具損耗嚴重的區域，如圖3所示。

針對產品終鍛模具壽命低的問題，經與客戶協商后，對該鍛件模具進行了適當的修改。終鍛和預鍛的薄壁內側圓角處進行適當加強（見表1中粉色區域），避免了模具上細小沖頭的出現，顯著降低模具的變形程度，提高模具壽命。同時，對此位置該處的補料亦可改善鍛件因材料不足導致的折疊問題，改善材料分配狀態，減少缺料處擠出折疊的可能。

為了初步驗證改進后的效果，通過使用Deform-3D軟件對鍛造過程進行了仿真，參數設置完全還原實際生產狀況，結果顯示模具結構改進前終鍛易損耗部位局部壓強為168MPa，改進后相同部位壓強降低為129MPa，降低幅度約為24%，在很大程度上改善了易損耗部位的工作狀態，對于提高模具壽命具有比較顯著的效果。此外，在此部位反復出現的折疊情況也大為好轉，合理的材料分配更易實現鍛件的充型。

表1 模具修改位置前后對比

圖4 終鍛改進前后對比

經實際生產統計，該產品的模具壽命在原有基礎上提高了一倍以上，由之前生產不足1500件增加到3500件，大大提升了模具的壽命，降低了模具修復成本，同時也提升了鍛件質量，降低了內側凹坑出現鍛造缺陷的可能性，更利于成形。

結束語

汽車轉向節鍛件形狀復雜，尺寸精度要求較高，在鍛造生產中通過改變模具結構來提高模具壽命是提高模具壽命的重要方法之一。公司在開展轉向節生產以來，對成形充滿困難，預終鍛工藝疲勞、模具壽命和生產穩定性都做出了較多的優化。經過優化后的鍛造工藝和模具，不僅很好的保證了產品的質量，同時降低了公司的生產成本，提高了市場競爭力。