汽車轉向系統球頭銷的鍛造模具磨損分析

中圖分類號：U463.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0139-03

【Abstract】The wear of the forging die for the balljoint pin of the automotive steering system is related to the product qualityanddrivingsafety.Thisarticle，by means oftheArchard wear modeland finite elementanalysis，dissects the wear mechanism and influencing factors of molds.Research has found that medium carbon steel material will acelerate mold wear，andoptimizing theheat treatment process can enhance wear resistance.Impropercontrolofforging process parameters （temperature，pressure，speed，coolingrate）caneasilylead tothermalfatigueandstressconcentration. Reasonable regulation can efectively reduce losses.Standardized operation and maintenance are crucial for extending the service lifeof molds.Numerical simulation shows that there isapeak pressure of324MPaandapeak temperature of （20 720% in the balljoint transition zone.After optimizing the mold design，the wear amount is reduced to 1.22×10^-3mm ， andthe mold life canreach 40，OoO pieces，providing theoretical supportforcost reductionand eficiency improvement as well as ensuring driving safety.

【Key Words】ballhead pin;forging die;wear analysis;Archard wear model;optimization of process parameters

0 引言

汽車轉向系統關乎行車安全，球頭銷作為轉向系核心部件，其鍛造模具在長期使用中易產生磨損，不僅降低生產效率與零件品質，還存在安全隱患。

1球頭銷鍛造工藝概述

在車用轉向球頭銷鍛造生產中，鍛造溫度、速度、冷卻速率，模具材料及熱處理工藝均影響產品品質與模具壽命。鍛造溫度宜控制在 1050～1150^°C （中碳鋼再結晶溫度區間），溫度過低會導致成形困難、模具受力驟增；溫度過高則會引發材料氧化燒損、模具熱腐蝕，均會造成模具損傷或產品報廢。

鍛造速度過快（ gt;50mm/s ）會加劇模具沖擊磨損，冷卻速率不當（ gt;15^°C /s）會引發熱疲勞裂紋。此外，模具材料[如H13熱作模具鋼（化學成分：0.32～0.45C、4.75～5.50Cr 、 1.00～1.50Mo ）]及熱處理工藝（淬火溫度 1020～1050^°C 、回火溫度 580～620% ）也至關重要，優化熱處理能延長模具磨損周期、降低成本。

2球頭銷的結構特點

汽車球頭銷的形狀是分析鍛造模具磨損機理與制定控制措施的基礎。由于球頭銷常處于汽車轉向機構交變載荷與沖擊工況中，對強度、硬度及耐磨性要求較高，因此一般選用高硬度、高承載力的鋼材加工。球頭銷需帶有球頭結構，頭部與轉向節安裝成球鉸接結構以實現靈活轉向，而制造此類球頭銷的模具精度要求更高，導致在鍛造生產過程中模具承受更大磨損。球頭銷模具三維計算機輔助工程（ComputerAidedEngineering，CAE）模型結構如圖1所示。

3模具磨損的基本原理

3.1模具磨損的定義與分類

汽車轉向系統球頭銷鍛造模具在使用中易磨損，導致壽命縮短與產品品質下降。模具磨損源于與流動金屬摩擦及高溫、高壓、驟冷等因素引發的表面材料損耗，主要包括粘著、磨料、熱疲勞和腐蝕磨損。如鍛造時高溫高壓致使模具與金屬粘結，金屬從模具表面轉移到工件，即粘著磨損。

圖1球頭銷模具三維CAE模型結構

3.2 磨損機理分析

對汽車轉向系統球頭銷鍛造模具磨損機理的研究表明，模具磨損是復雜的物理化學過程。高溫鍛造產生的熱疲勞、熱沖擊會降低模具表面硬度與韌性，加速磨損。Archard磨損模型作為經典磨損理論，其核心公式揭示磨損量與載荷、滑動距離呈正相關，與材料硬度呈負相關，常用于機械設計與選材。實際生產中，優化鍛造工藝參數（如控溫、減少鍛造次數、提升材料耐熱性），并選用H13熱作模具鋼等耐磨材料，可有效控制磨損、延長模具壽命。

3.3 磨損對模具性能的影響

汽車轉向系統球頭銷鍛造模具在使用中產生的磨損，對模具性能的影響全方位且復雜深刻：磨損會導致模具幾何尺寸精度喪失、表面品質下降，直接影響球頭銷的加工精度與表面粗糙度；磨損還會加快模具表面溫度上升，進一步加速磨損，形成惡性循環，有時甚至導致模具提前失效。這不僅增加生產成本，還會降低整條生產線的效率，因此研究磨損對模具性能的影響具有重要現實意義，可為提高模具壽命、保證產品品質、降低生產成本提供支撐。

4球頭銷鍛造模具磨損因素分析

4.1 材料因素

在汽車轉向系統球頭銷鍛造模具磨損研究中，材料因素對模具壽命與鍛造品質影響顯著。球頭銷常用中碳鋼（如45鋼，硬度HRC22～34）制造，其硬度、韌性及耐磨性直接決定模具磨損程度。含碳量高（ gt;0.45% ）的鋼種雖能提升球頭銷強度，但會使摩擦系數增大（ gt;0.35 ），加速模具磨損；材料微觀組織（如晶粒尺寸（ ≤10μm ）、馬氏體含量（ 290% ））也與磨損性能緊密相關。

4.2工藝參數因素

工藝參數是汽車轉向系統球頭銷鍛造模具磨損研究的關鍵變量。鍛造溫度不當（偏離材料再結晶溫度）會軟化材料、削弱模具強度，加速磨損；鍛造壓力過高會引發局部應力集中，加劇磨損。利用有限元分析優化模具設計，或采用伺服壓力機精確控壓，均可減少磨損。

冷卻速度控制同樣重要，錯誤的冷卻速度易導致模具表面熱裂，縮短疲勞壽命。通過選用合適的冷卻介質（如水基、油基冷卻劑），控制冷卻方式與時間，能有效避免熱裂紋產生。

4.3操作與維護因素

操作與維護不當是汽車轉向球頭銷鍛造模具磨損的主因，不僅縮短模具壽命、降低生產效率，還會增加報廢件數量。

操作層面：操作人員技能水平直接影響模具壽命。加熱過急、冷卻控溫不當產生的熱應力，極易引發模具早期失效。因此，開展定期技能培訓，規范操作與保養流程，是預防磨損的重要手段。

維護層面：建立基于條件監測的預測性維護機制至關重要。通過實時監測模具表面硬度等關鍵參數，可預判磨損趨勢，在臨界值前完成修復或更換，有效避免生產中斷。

4.4 多因素耦合影響

前文已對材料因素、工藝參數因素及操作與維護因素進行獨立討論，但在實際球頭銷鍛造生產中，模具磨損極少由單一因素獨立導致，而是各因素相互關聯、耦合作用的結果：一個因素的改變可能引發或加劇其他因素的負面效應，形成加速磨損的惡性循環；反之，通過系統性優化也可形成延長模具壽命的良性循環。為清晰展示各因素的復雜交互作用，表1對主要因素間的耦合影響進行對比分析。

5球頭銷模具磨損數值模擬結果分析

5.1 表面壓強數值模擬分析

在球頭銷鍛造中，模具主要承受金屬塑性變形反作用力，受力面積隨材料流動和模具形狀改變。鍛造初期壓強高易加劇磨損，可通過壓強計算預測并預防。

利用有限元分析模擬壓強分布，能掌握不同階段變化。例如球頭銷頭部成型時，金屬流動不均導致壓強不均，引發局部過度磨損。優化模具設計可減少壓強集中。如圖2所示，球頭銷最大表面壓強324MPa ，低于H13鋼屈服強度，利于減緩磨損。建立壓強分析模型，可為預測磨損、優化工藝提供依據；調整鍛造參數和模具結構，能控制溫度與磨損，改善壓強分布，延長模具壽命。

5.2表面溫度數值模擬分析

在汽車轉向系統球頭銷鍛造過程中，模具表面溫度是影響磨損程度的關鍵因素之一：高溫環境下工作時，模具表面溫度升高會導致材料熱膨脹，影響尺寸精度與表面硬度；在球頭銷熱鍛過程中，模具材料的熱穩定性是決定其使用壽命的重要因素，表面溫度越高，磨損率相應越高。因此，精確控制鍛造過程中的溫度，可有效減緩模具磨損，延長使用壽命；此外，通過數值模擬模具表面溫度，可預測不同工作條件下的磨損情況。如圖3球頭銷表面溫度分布云圖所示，模具表面最高溫度為 720% ，主要分布在球頭銷過渡區域，該溫度下模具雖無明顯裂紋等損傷，但對磨損影響較大，后續需優化工藝。

表1球頭銷鍛造模具磨損多因素耦合作用分析

5.3鍛造工藝參數對磨損量的影響

在汽車轉向系統球頭銷鍛造中，鍛造工藝參數顯著影響模具磨損。溫度控制在材料最佳塑性區可減少磨損；鍛造速度過高會因沖擊力加劇磨損，優化速度能兼顧效率與品質。鍛造壓力超工件材料屈服強度80% （45鋼屈服強度 400～550MPa ）時，模具磨損激增，合理設壓可提升成形品質。經有限元分析，該模具最大磨損量 1.22×10^-5mm ，預計加工40983件達報廢閥值（ 0.5mm ），壽命約4萬件。相比冷鍛工藝，本研究的熱鍛工藝在成本、成形性和量產穩定性上優勢明顯，適用于中碳鋼球頭銷大規模生產。

6結論

本研究提出的基于FEA與Archard模型的磨損預測與優化方法，實現了對球頭銷鍛造模具磨損的量化預測，顯著提升了磨損分析的精度與可靠性。本研究不僅適用于球頭銷模具，也可為其他精密鍛件的模具設計提供理論依據和技術路徑，對降低生產成本、提高產品一致性與可靠性、保障行車安全具有重要的工程實踐意義，較傳統基于經驗的設計方法，模具使用壽命得以提升，體現出明顯的技術優勢與工程應用價值。

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（編輯 林子衿）