轉向螺母多向聯動加載成形工藝研究

劉 丹 劉光輝 王 濤 劉 華

（鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450001）

循環球轉向器如圖1所示，主要應用于重卡、工程機械、大型客車等中和大型商用汽車上[1]。轉向螺母（如圖2）是循環球轉向器內承載和傳遞受力的重要零件，它既是第一級螺桿-螺母傳動副的從動件，又是第二級齒條-齒扇傳動副的主動件[2-3]。在汽車轉向過程中受力情況復雜、沖擊載荷較大，因此需要良好的機械和力學性能。目前該零件的生產方式主要有兩種：（1）要求較低、缸徑較小的轉向螺母直接用圓棒料切削加工成零件形狀。（2）對要求較高、缸徑較大的轉向螺母，采用模鍛后切飛邊的加工方式。此兩種加工方式具有材料利用率低、工序多、流程長、效率低和成本高的缺點，已不能適應當下汽車零部件的高效、短流程、低能耗、高性能和低成本的生產趨勢[4-6]。

圖1 循環球轉向器結構示意圖

圖2 轉向螺母結構示意圖

本文以轉向螺母為研究對象，為了實現該零件的單工序一步成形,分析其結構形狀特點的基礎上，結合多向加載成形金屬流動特點，提出轉向螺母的多向聯動加載成形工藝。利用有限元軟件對該工藝成形過程中的金屬流動規律、成形載荷、應力分布和成形質量進行了分析。為了驗證該工藝的可行性和數值模擬分析的可靠性，進行了實物試驗。

1 工藝分析

成形工藝是否合理可行直接影響成形過程中金屬流動規律、成形載荷、成形裝置結構、鍛件質量和模具壽命[7-9]。因此，在制定成形工藝方案時，需對零件的結構特點和成形過程中的難點進行工藝分析。如圖2所示的轉向螺母結構示意圖，材質為20CrMnTi，從圖2可以看出，該零件結構形狀復雜，左右為圓柱形法蘭部分，中間呈方形，上端為齒形。如果采用圓棒料成形需要左右鐓粗成形法蘭部分，法蘭的充填變形較簡單，但需要填充的材料較多；中間前后擠壓成形階梯方形，擠壓變形過程中材料將向左右法蘭部分和上端齒形部分流動；上端擠鐓成形齒形部分，上端齒形部分雖然需要填充的材料較少，但齒形部分填充比較困難。因為各部分變形程度不同，需要的材料多少不同，因此合理地控制各部分變形程度、分料和金屬流動趨向是轉向螺母成形工藝是否合理可行的關鍵和難點。

結合轉向螺母結構特點和成形過程中的難點分析，提出了多向聯動加載成形工藝。在此工藝的成形過程中，各凸模加載順序、速度、行程可根據材料流動和充填情況進行聯動控制，控制材料主動朝需要的地方流動、聚料和填充，達到提高材料充填性和降低成形力的目的。如圖3為轉向螺母工藝模具示意圖，其工藝過程：首先前后凸模和左右凸模同時進行加載運動，預擠壓一定量，但各凸模根據各部分變形量不同，其擠壓行程不同。該過程主要進行預制坯，將圓棒坯料在模具中進行定位，避免后續模具加載運動時坯料和模具產生位置的偏移或干涉；其次前后凸模擠壓到位，在前后凸模運動的同時上模向下運動到一定位置，左右凸模回退一定距離，左凸模退回的行程小于右凸模。該過程中，前后凸模加載擠壓將坯料擠壓拍扁，成形前后方形，在擠壓的過程中，金屬材料朝左右兩端和上端進行流動。因在后續變形過程中，左右法蘭成形需要的材料多，而上端齒形充填需要的材料少，此時需要將金屬材料向左右方向引導流動，并限制其向上流動量。然后左右凸模和上凸模同時運動，左右凸模時刻保持等壓，3個凸模運動到位后形成封閉型腔，完成模具型腔的最后充填。前兩步已完成了左右法蘭和上端齒形填充材料的聚集，該過程主要是左右凸模鐓粗左右兩端金屬材料和上凸模擠壓上端金屬材料，填充法蘭和齒形型腔。

圖3 轉向螺母工藝模具示意圖

2 數值模擬

2.1 工藝方案及模擬參數

為了更深入地分析轉向螺母成形過程中金屬材料流動變形規律，對轉向螺母多向順序加載工藝和多向聯動加載成形工藝進行了對比分析。多向順序加載成形工藝過程：首先前后凸模運動擠壓金屬坯料，擠壓到位后停止；然后左右凸模運動，擠壓到位后停止；最后上凸模運動，運動到位后停止，至此整個成形過程完成。多向聯動加載成形工藝過程按上述工藝分析中工藝方案。

數值模擬過程中坯料尺寸為?85×216 mm，設置為剛塑性，模具設置為剛性。成形溫度為1 050 ℃，環境溫度為20 ℃，成形速度均為8 mm/s，摩擦系數為0.3。

2.2 模擬結果分析

2.2.1 多向順序加載成形工藝數值模擬分析

首先前后凸模擠壓金屬產生變形，金屬材料變形過程中朝左右和上端進行流動，但流動速度不均勻。左右端材料與模具接觸，存在摩擦力，材料的流動阻力較大，流動較慢，隨著變形過程的進行，左右兩端的金屬材料與左右凸模接觸，進一步阻礙了材料向左右流動的速度。上端部分相當于放開空間，流動阻力小，流動速度快，出現中間聚料較多形成鼓肚現象，如圖4所示。前后凸模擠壓到位后，左右凸模開始運動，使材料流動同時填充法蘭型腔和向上流動，隨著變形過程的進行，向上流動的金屬逐漸接觸上凸模。因右邊法蘭較小，變形量也較小，右凸模先到位左凸模后到位，左右法蘭型腔均未充滿。左右凸模到位后，上凸模向下運動，擠壓上端金屬產生變形，填充齒形型腔和法蘭型腔，上凸模到位后，零件充填情況如圖5所示，齒形部分金屬與模具型腔完全接觸，充填飽滿，但法蘭部分金屬與模具型腔未完全接觸，充填不飽滿。主要是由于，法蘭部分變形量較大，需要的材料較多，而在變形過程中，材料向上端齒形部分流動的速度較快，在上端聚集的材料過多，從而造成了法蘭部分因聚料不足填充不滿的現象。從圖6時間—成形力曲線圖可以看出，左右凸模成形力接近，上凸模成形力最大，最大成形力達到6 240 kN。在成形最后階段，3個凸模成形力都出現急劇增大的陡增現象。主要是由于上凸模運動到最后成形階段，材料充滿了上端齒形型腔，形成了封閉空間，而上端多聚集的材料由于齒形的阻擋已無法向左右兩端法蘭部分填充，就造成了上凸模的成形力急劇增加，而左右兩端雖未填充飽滿，但材料無法流動，上凸模的力通過材料傳導到左右凸模，左右凸模成形力也急劇增加。成形力的陡增急劇增大，容易對模具才生較大沖擊，對模具產生不利影響，在設計成形工藝時應避免此現象的產生。

圖4 多向順序加載第130步成形圖

圖5 多向順序加載成形結束時充填狀況圖

圖6 多向順序加載成形時間-載荷曲線

2.2.2 多向聯動加載成形工藝數值模擬分析

該工藝變形過程分為3個階段，第一階段是變形的初始階段，各部分只產生較小變形，變形過程比較簡單。第二階段前后凸模運動擠壓坯料產生變形，圓棒料在前后凸模的擠壓作用下產生變形流動，材料朝著左右方向和向上流動，各個方向的流動速度不同，出現了左右兩端向中間翹的現象，如圖7所示。主要由于上凸模向下運動，阻礙了金屬向上流動的速度，同時由于上凸模與金屬接觸后也阻礙了坯料上部分金屬向左右兩端流動速度，而左右兩端由于凸模后退形成了開放空間，材料流動阻力較小，下部分金屬流動較快。隨著變形過程的進行，金屬開始接觸左凸模，由于凸模的作用阻礙了金屬向左流動的趨勢，使金屬材料向右端流動更容易、有更多的金屬向右端流動，為后續右端法蘭的充填聚集充足的材料。整個第二階段變形，金屬與右凸模未接觸。第三階段為左右法蘭和齒形部分變形充填階段，3個主要凸模同時運動擠壓金屬產生變形，右端金屬比左端填充得要快，主要是右端型腔比左端相對大些，金屬能自由流動的空間也就大些，相對的變形阻力也就小些，而左右凸模的力相同，那么阻力小的凸模的速度就快些。引導了材料向型腔較大、需要材料較多的部分流動，更有利于提高材料的充填性和降低成形力，最終成形出的轉向螺母充填飽滿，如圖8所示。

圖7 多向聯動加載成形中間

圖8 多向聯動加載成形結束時充填狀況圖

在成形過程中通過各凸模的聯動控制加載，將材料主動向需要的地方流動，各變形部分聚料比較均勻合理，就是在成形的最后階段，各部分材料都還可以在各部分模具型腔內流動，這樣就可以避免成形力的急劇增加。從圖9所示的時間-成形力曲線看，最大成形力4 490 kN，比順序加載工藝成形力降低了28%。左右凸模和上凸模的最終成形力接近，成形過程中各凸模的成形力逐漸增加，雖然上凸模在成形的最后階段成形力增加較快，但未出現急劇增加陡增現象。

圖9 多向聯動加載成形時間-成形力曲線

成形過程中應力分布如圖10所示，各成形部分應力較大處一般出現在變形比較劇烈的地方，圖10a所示金屬材料與上凸模的齒形部分接觸后產生變形，變形較為劇烈，應力比較大。圖10b所示為左右凸模擠壓金屬時，凸模與材料接觸后產生的摩擦力阻礙了金屬的流動，金屬在結合部分變形較為劇烈。圖10c所示為變形的最后階段，各部分模具型腔基本填充完全，最后充填部分的變形較為劇烈。整個成形過程中最大應力217 MPa，在一般模具材料承受范圍之內。

圖10 多向聯動加載成形過程中應力分布圖

3 工藝試驗

根據數值模擬結果提供的工藝參數設計了試驗模具，在多向聯動數控液壓機上進行了工藝試驗。試驗中模具材料采用H13，圓棒料采用中頻感應加熱至1 050 ℃，模具預熱至250 ℃，采用水基石墨潤滑劑進行潤滑，良好的潤滑有利于減少成形過程中的摩擦力，延長模具壽命和方便成形后脫模。試驗成形出的轉向螺母如圖11所示，零件各部分充填飽滿，尺寸符合設計要求，無裂紋折疊等鍛造缺陷。為進一步驗證新工藝的可靠性和穩定性，利用試驗模具，進行了轉向螺母的小批量試制。試制的零件，質量穩定，經過小批量試制后，模具未出現磨損裂紋斷裂等缺陷。

圖11 試驗成形出的轉向螺母

4 結語

針對轉向螺母結構形狀復雜、成形難度大的問題，提出了多向聯動加載成形工藝。對此工藝成形過程中的金屬流動規律、應力分布情況、成形力的預測進行了數值模擬分析，數值模擬結果表明此工藝最大成形力4 490 kN，比順序加載工藝成形力降低了28%，成形過程中最大應力217 MPa。試驗成形出的轉向螺母充填飽滿、無折疊裂紋等鍛造缺陷，試驗結果表明該工藝具有可行性，為該零件的實際生產提供了一定的理論參考。