房車轉(zhuǎn)向節(jié)整體模鍛關(guān)鍵技術(shù)與模具裝置研發(fā)

張運(yùn)軍 陳天賦 楊 杰 黃明偉 夏巨諶 鄧 磊 金俊松

1.湖北三環(huán)鍛造有限公司，谷城，441700

2.華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢，430074

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和受力部件，既支撐車體重量，又承受轉(zhuǎn)向力矩［1］。由于轉(zhuǎn)向節(jié)工作環(huán)境惡劣，對(duì)力學(xué)性能要求高，因此，一般采用鍛造成形［2-3］。轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件輪廓尺寸大，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，導(dǎo)致鍛造工序多，且材料利用率低［4-5］。對(duì)于一些形狀非常復(fù)雜的轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件，如A223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件，常規(guī)的轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝甚至難以成形。該鍛件與常規(guī)轉(zhuǎn)向節(jié)的最大差別是一個(gè)直線前臂特別長(zhǎng)，另一個(gè)稍短的前臂與桿部及直線長(zhǎng)臂的軸線方向成90°彎曲?，F(xiàn)有工藝是將前臂與桿部和法蘭分開(kāi)鍛造經(jīng)機(jī)加工后采用螺栓連接為一體。這種分體制造方式不僅材料利用率低，生產(chǎn)效率低，而且產(chǎn)品性能較差。

本文針對(duì)房車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分體制造存在的問(wèn)題，提出了如下整體模鍛工藝方案：下料→加熱→第一次制坯局部鐓粗→第二次制坯桿部拔長(zhǎng)→預(yù)鍛→終鍛→切邊→（加熱）→彎曲及校正。最后一道彎曲及校正之前所有工序及相應(yīng)的模具可采用模鍛工藝及模具設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算。而彎曲及校正工序中的彎曲成形是金屬在封閉模膛內(nèi)的彎曲大變形，與大曲率半徑自由彎曲的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)完全不同，其金屬流動(dòng)需合理調(diào)控。因此，彎曲前預(yù)彎工藝的優(yōu)化是本工藝方案的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)90°彎曲精確成形的專用模具裝置是關(guān)鍵。

1 整體模鍛工藝方案的分析

A223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件二維圖見(jiàn)圖1。該轉(zhuǎn)向節(jié)采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過(guò)螺栓連接的方式，而是將轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，然后采用整體式模鍛成形工藝，使其相對(duì)于分體鍛造擁有更好的連接強(qiáng)度，同時(shí)獲得良好的輕量化效果。整體式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)的直臂部分距離轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心337.8 mm，彎臂部分距離轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心215.75 mm，轉(zhuǎn)向節(jié)桿部、盤部與直臂部分的分模方向和轉(zhuǎn)向節(jié)彎臂部分的分模方向垂直，按照常規(guī)鍛造工藝方法是無(wú)法實(shí)現(xiàn)該轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造成形的。

圖1 A223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件圖Fig.1 Drawings of A223 steering knuckle forging

根據(jù)該轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出了一種全新的整體模鍛工藝方案：首先對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)彎臂部分采用與直臂平行的鍛造方式進(jìn)行鍛造成形，從而解決分模面相互垂直無(wú)法分模的問(wèn)題；然后鍛件切邊后，在熱態(tài)下采用閉式彎曲技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)彎臂部分進(jìn)行局部閉式壓彎成形。針對(duì)上述整體模鍛工藝方案，制定各個(gè)工序的成形工藝及模具結(jié)構(gòu)分別如下。第一次制坯局部鐓粗采用閉式鐓粗工藝，對(duì)坯料上對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭盤的位置進(jìn)行局部鐓粗，坯料的上下兩段直徑基本不變，其中間局部鐓粗及鐓粗型腔如圖2a中B-B局部剖視圖所示；第二次拔桿制坯是將局部鐓粗所成形的工件，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)向節(jié)桿部的一段進(jìn)行拔長(zhǎng)，使桿部直徑減小而長(zhǎng)度伸長(zhǎng)至與桿部長(zhǎng)度相等或接近，其拔長(zhǎng)型腔如圖2a中A-A局部剖視圖所示；預(yù)鍛是將經(jīng)過(guò)兩道制坯的工件在預(yù)鍛模膛中成形為彎曲前臂沿軸線伸直成為與直線長(zhǎng)臂平行的叉形件，其主要成形方式為通過(guò)劈料臺(tái)壓扁并劈成叉形，使中間金屬擠入兩邊流向兩個(gè)前臂模膛，同時(shí)使桿部成形，預(yù)鍛模膛如圖2a所示，所成形的預(yù)鍛件如圖2b所示；終鍛是將預(yù)鍛件通過(guò)終鍛模膛成形為具有兩個(gè)直前臂的鍛件，這相當(dāng)于一般模鍛生產(chǎn)的最后成形步驟；切邊是通過(guò)切邊模切除終鍛件周圍及叉形內(nèi)部的飛邊，切邊后的鍛件如圖3a上圖所示，切邊模的設(shè)計(jì)方法與沖壓工藝中沖裁模的設(shè)計(jì)方法相同；彎曲成形是將切邊后的鍛件長(zhǎng)度較短的前臂在專用裝備上閉式彎曲成形，得到最終鍛件。如前所述，閉式彎曲工序是生產(chǎn)A 223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件最為關(guān)鍵的技術(shù)。

圖2 鐓粗、拔長(zhǎng)、預(yù)鍛模膛及預(yù)鍛件Fig.2 Upsetting，stretching，preforging dies and preforging part

2 彎曲成形機(jī)理及工藝優(yōu)化研究

2.1 彎曲成形機(jī)理

彎曲成形分為自由彎曲成形和強(qiáng)制彎曲成形兩種，自由彎曲成形時(shí)在坯料的中線形成中性層，中性層以內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)變和壓應(yīng)力，中性層以外產(chǎn)生拉應(yīng)變和拉應(yīng)力［6-7］。本文研究的房車轉(zhuǎn)向節(jié)前臂彎曲是在模膛內(nèi)強(qiáng)制彎曲成形的，彎曲臂在彎曲前的初始狀態(tài)如圖3a實(shí)線所示，彎曲后的狀態(tài)如圖3a虛線所示。

圖3 前臂彎曲前后及其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)圖Fig.3 Forearm before and after bending and its stress and strain state diagram

如上所述，圖3所示彎曲成形是前臂在上下凹模對(duì)應(yīng)的模膛內(nèi)發(fā)生彎曲，前臂左端與法蘭相連，彎曲圓心緊靠法蘭，彎曲主要發(fā)生在垂直軸線的右邊，且完全是拉伸變形，相應(yīng)的應(yīng)力也為拉伸應(yīng)力，兩者的分布規(guī)律如圖3b所示；選擇Z軸為圓柱體的軸向坐標(biāo)，則變形體內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)如圖3c所示，由圖3c可知，沿切向應(yīng)力為拉應(yīng)力σθ，沿軸向應(yīng)力σz和徑向應(yīng)力σρ均為壓應(yīng)力，其應(yīng)變的方向與應(yīng)力的方向相同。由分析可知，前臂彎曲成形的實(shí)質(zhì)是近似純拉伸成形，因此，以此為基礎(chǔ)，分析得到前臂彎曲前的形狀和尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

2.2 優(yōu)化方法及步驟

（1）采用UG或PRO/E軟件對(duì)A223轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件進(jìn)行三維實(shí)體造型，在計(jì)算出整個(gè)鍛件體積的同時(shí)，也分別計(jì)算出被彎曲的前臂及已成形的端部的體積Va、Vh，進(jìn)而得到彎曲前桿部的體積Vb=Va-Vh。

（2）因彎曲成形是在模膛內(nèi)閉式完成，其特點(diǎn)是桿部寬度保持不變、高度減小、長(zhǎng)度大幅延伸的近似于拉伸伸長(zhǎng)成形，所以彎曲成形前的直桿（預(yù)彎桿）較彎曲成形后的桿部，其截面增大而長(zhǎng)度縮短，為了預(yù)彎桿順利放入彎曲模膛，取預(yù)彎桿的寬度Bb=Bd-（1～1.5）mm，Bd為彎曲模膛寬度，即寬度Bb已知。因圓臺(tái)縱坐標(biāo)至右端與法蘭盤相連接部分的高度與彎曲后對(duì)應(yīng)高度相等，右端高度與前端左邊高度相等，所以彎曲前的前臂桿部為寬度（Bb）、左端及右端橫截面的高度及體積（Vb）均已知的左高右低且底面為平面的梯形。設(shè)左右兩端高度分別為h1和h2，則彎曲前Vb=BbL（bh1+h2）/2，因 Vb已求出，Bb已知，故彎曲前桿長(zhǎng) Lb=2Vb/［B （bh1+h2）］，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)求得 Lb=101.1 mm，彎曲后的桿長(zhǎng)L1由零件圖上直接得出，為154.9 mm。其伸長(zhǎng)量為ΔL=L1-Lb=53.8 mm，相應(yīng)的伸長(zhǎng)變形程度為εF=（ΔL/Lb）×100%=53.2%。鍛件材料為42CrMo，彎曲時(shí)工件溫度為900～1 000℃，其允許最大變形程度［εF］≤80%。εF＜[εF]表明其彎曲工藝設(shè)計(jì)合理安全。

3 彎曲成形的熱力耦合有限元模擬驗(yàn)證

成形過(guò)程的熱力耦合有限元數(shù)值模擬能夠?qū)に囋O(shè)計(jì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確的驗(yàn)證［8-9］。轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的彎曲成形過(guò)程模擬在DEFORM-3D軟件平臺(tái)上進(jìn)行，以切邊后的終鍛件三維模型為毛坯，采用四面體網(wǎng)格劃分。模擬時(shí)的變形工況與試驗(yàn)一致，毛坯初始溫度為960℃，模具溫度為20℃，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.7。上模運(yùn)動(dòng)速度為300 mm/s，行程為194 mm。模擬獲得的彎曲成形過(guò)程材料流動(dòng)速度場(chǎng)、結(jié)束狀態(tài)時(shí)最大主應(yīng)力及損傷值分布狀態(tài)如圖4所示。

由圖4a和圖b可以看出，材料流動(dòng)方向與彎曲方向完全一致。圖4c、圖4d分別為最大主應(yīng)力和損傷值的分布狀態(tài)，在DEFORM-3D軟件中的損傷模型為最大主應(yīng)力與等效應(yīng)力之比，即σ/-σ。

τmax這通常是判斷高合金鋼在變形程度較大時(shí)鍛件內(nèi)部是否產(chǎn)生微裂紋而采用的方法，本文則是用于判斷最大主應(yīng)力在等效應(yīng)力中所占的比例。由圖中最大損傷值可知：最大主應(yīng)力近似為等效應(yīng)力的90%，進(jìn)一步驗(yàn)證了其變形近似于純拉伸彎曲變形，且處于安全的變形范圍內(nèi)。不難看出，模擬結(jié)果與上述理論分析及計(jì)算結(jié)果完全吻合，進(jìn)而表明所提優(yōu)化設(shè)計(jì)方法正確。

圖4 彎曲成形的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of bending process

4 彎曲專用模具裝置研制

要實(shí)現(xiàn)A 223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)整體模鍛中的前臂彎曲成形需要研制兩類專用裝備，一種是專用壓力機(jī)即雙動(dòng)液壓機(jī)［10-11］，另一種是在通用液壓機(jī)上使用的專用彎曲模具裝置。兩種裝備均要求具有相同的兩種功能，即首先將已切邊的鍛件桿部法蘭和長(zhǎng)前臂壓緊校正，然后對(duì)短前臂彎曲成形。下面僅介紹具有突出創(chuàng)新的專用模具裝置的詳細(xì)情況。

4.1 基本結(jié)構(gòu)

圖5所示為提出的專用彎曲模具裝置，其基本結(jié)構(gòu)由模架、上凹模提升及壓緊機(jī)構(gòu)、凸凹模工作部分所組成。模架由下模板1、中模板10、上模板11和下導(dǎo)柱3、下壓環(huán)4、下導(dǎo)套5、上導(dǎo)套7、上導(dǎo)柱8及上壓環(huán)9等組成；下導(dǎo)套5與上導(dǎo)套7固定在中模板10上，下導(dǎo)柱3、上導(dǎo)柱8分別固定下模板1和上模板11上，四組導(dǎo)柱、導(dǎo)套分布在模板的四角；上凹模提升及壓緊機(jī)構(gòu)由四組法蘭筒14及拉桿15和四組活塞桿16及油缸17組成，其連接與固定方式如圖5所示；凸凹模工作部分由凸模12及凸模座13、上凹模6和下凹模2組成，凸模12與凸模座用兩個(gè)柱銷連接，凸模座固定在上模板11的凹坑中，上凹模6固定在中模板10下面，下凹模2固定在下模板1上；此外，還有頂桿19。該裝置安裝在通用液壓機(jī)上使用。

圖5 專用彎曲模具裝置Fig.5 Special die device for bending

4.2 工作過(guò)程及原理

第一步：操作液壓機(jī)使滑塊帶動(dòng)上模板及固定在上模板上的所有零件向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)上行至法蘭筒的底部同拉桿的圓柱頭部接觸時(shí)，帶動(dòng)中模板及固定在其上的所有零件一起上行至上限位置；同時(shí)，隨著活塞桿上行，將低壓油吸入油缸下腔。第二步：將已切邊的鍛件放入下凹模中。第三步：操作液壓機(jī)滑塊及與其固定及連接在一起的所有零件向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下行至上凹模與下凹模相碰時(shí)，中模板及與其固定與連接在一起的零件均處于靜止?fàn)顟B(tài)，隨著滑塊繼續(xù)下行，活塞桿壓縮油缸下腔的油液，由高壓液流閥（未畫出）產(chǎn)生的油壓通過(guò)上凹模將鍛件的桿部、法蘭及長(zhǎng)前臂壓緊，同時(shí)凸模迫使短前臂向下彎曲成形并同時(shí)對(duì)桿部法蘭和直長(zhǎng)臂進(jìn)行校正。第四步：校正彎曲成形結(jié)束時(shí)，滑塊帶動(dòng)上模板及其固定在上面的所有零件一起向上回程，回程過(guò)程與第一步相同，在回程的同時(shí)，下頂出器通過(guò)頂桿19將鍛件從下凹模中頂出，一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束。

4.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

其一，凸模的彎曲工作行程S根據(jù)彎曲工藝確定，法蘭筒活塞桿相對(duì)于拉桿、油缸的行程S'≥S；其二，采用塑性成形理論公式或有限元模擬計(jì)算方法求出凸模的彎曲力Pb，則合模壓緊力Pc≥Pb；其三，四個(gè)油缸各自的內(nèi)徑按d=來(lái)確定，單位壓力p為所選擇高壓液流閥的允許壓力；其四，配套液壓機(jī)的噸位Pg≥ (Pc+Pb)≥ 2Pb。

4.4 結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

其一，通過(guò)高壓溢流閥閉壓排油，既可保持上下凹模的合模壓緊力大小不變，確保彎曲成形過(guò)程的穩(wěn)定性，又可通高壓溢流閥調(diào)節(jié)合模壓緊力的大小，同時(shí)依靠真空吸油，不用高壓泵供油，節(jié)約了液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行成本；其二，將導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)成上下導(dǎo)柱的形式同時(shí)對(duì)固定在中模板上的上下導(dǎo)套導(dǎo)向，避免了單一導(dǎo)柱過(guò)長(zhǎng)易彎曲變形與加工及安裝精度不易保證的問(wèn)題；其三，制造費(fèi)用低，僅為專用設(shè)備的1/12～1/10。按照?qǐng)D5所示基本結(jié)構(gòu)及原理研制出的專用模具裝置如圖6所示。

圖6 專用彎曲模具裝置照片F(xiàn)ig.6 Photo of bending die device

5 工藝試驗(yàn)及生產(chǎn)應(yīng)用

鍛件材料為42CrMo，坯料尺寸為?125 mm×458 mm，采用中頻感應(yīng)加熱爐、5 t模鍛錘、10 t模鍛錘、800 t曲柄壓力和630 t四立柱通用液壓機(jī)為試驗(yàn)和小批量生產(chǎn)設(shè)備，將制坯及預(yù)鍛模、終鍛模、沖模及圖6所示彎曲專用模具裝置分別安裝在對(duì)應(yīng)的設(shè)備上，試驗(yàn)完全按照前述工藝流程進(jìn)行，試驗(yàn)中采用水基石墨潤(rùn)滑劑進(jìn)行噴霧式潤(rùn)滑。試驗(yàn)所得A 223房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件并經(jīng)初步機(jī)加工的產(chǎn)品如圖7所示。

試驗(yàn)鍛件經(jīng)光學(xué)快速精密測(cè)量完全達(dá)到美國(guó)用戶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)進(jìn)行了小批量生產(chǎn)供用戶使用。目前正在設(shè)計(jì)并建立中頻感應(yīng)加熱爐→輥鍛機(jī)制坯→1 600 t數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)預(yù)鍛→2 500 t數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)終鍛→800 t曲柄壓力機(jī)切邊→630 t液壓機(jī)校正及彎曲成形、采用機(jī)器人操作的全自動(dòng)化生產(chǎn)線，將實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，以滿足國(guó)內(nèi)外迅速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

圖7 A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)樣件Fig.7 A223 steering knuckle

采用整體模鍛技術(shù)生產(chǎn)A 223房車轉(zhuǎn)向節(jié)，同分體制造相比：材料利用率由約45%提高到70%以上，節(jié)約加熱能耗35%以上，生產(chǎn)效率提高4～5倍；采用分體式螺栓連接的方式，連接強(qiáng)度為800 MPa左右，整體鍛造產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度達(dá)到924～1 122 MPa；整體鍛造不僅取消了連接螺栓，同時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)臂部分的結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，單件產(chǎn)品質(zhì)量減小10%以上。

6 結(jié)論

針對(duì)A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所研發(fā)的整體模鍛技術(shù)及模具裝置同現(xiàn)有的分體制造技術(shù)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件比較，具有節(jié)材、節(jié)能、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量突出的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)具有彎曲前臂轉(zhuǎn)向節(jié)的整體模鍛具有推廣應(yīng)用價(jià)值。正在建立的全自動(dòng)化生產(chǎn)線可為房車轉(zhuǎn)向節(jié)這類復(fù)雜枝叉類零件整體模鍛批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。