轉(zhuǎn)向螺母多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝研究

劉 丹 劉光輝 王 濤 劉 華

（鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450001）

循環(huán)球轉(zhuǎn)向器如圖1所示，主要應(yīng)用于重卡、工程機(jī)械、大型客車等中和大型商用汽車上[1]。轉(zhuǎn)向螺母（如圖2）是循環(huán)球轉(zhuǎn)向器內(nèi)承載和傳遞受力的重要零件，它既是第一級(jí)螺桿-螺母?jìng)鲃?dòng)副的從動(dòng)件，又是第二級(jí)齒條-齒扇傳動(dòng)副的主動(dòng)件[2-3]。在汽車轉(zhuǎn)向過(guò)程中受力情況復(fù)雜、沖擊載荷較大，因此需要良好的機(jī)械和力學(xué)性能。目前該零件的生產(chǎn)方式主要有兩種：（1）要求較低、缸徑較小的轉(zhuǎn)向螺母直接用圓棒料切削加工成零件形狀。（2）對(duì)要求較高、缸徑較大的轉(zhuǎn)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(zhǎng)、效率低和成本高的缺點(diǎn)，已不能適應(yīng)當(dāng)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(chǎn)趨勢(shì)[4-6]。

圖1 循環(huán)球轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 轉(zhuǎn)向螺母結(jié)構(gòu)示意圖

本文以轉(zhuǎn)向螺母為研究對(duì)象，為了實(shí)現(xiàn)該零件的單工序一步成形,分析其結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多向加載成形金屬流動(dòng)特點(diǎn)，提出轉(zhuǎn)向螺母的多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝。利用有限元軟件對(duì)該工藝成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)規(guī)律、成形載荷、應(yīng)力分布和成形質(zhì)量進(jìn)行了分析。為了驗(yàn)證該工藝的可行性和數(shù)值模擬分析的可靠性，進(jìn)行了實(shí)物試驗(yàn)。

1 工藝分析

成形工藝是否合理可行直接影響成形過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律、成形載荷、成形裝置結(jié)構(gòu)、鍛件質(zhì)量和模具壽命[7-9]。因此，在制定成形工藝方案時(shí)，需對(duì)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形過(guò)程中的難點(diǎn)進(jìn)行工藝分析。如圖2所示的轉(zhuǎn)向螺母結(jié)構(gòu)示意圖，材質(zhì)為20CrMnTi，從圖2可以看出，該零件結(jié)構(gòu)形狀復(fù)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(jiǎn)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(guò)程中材料將向左右法蘭部分和上端齒形部分流動(dòng)；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?yàn)楦鞑糠肿冃纬潭炔煌?，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?dòng)趨向是轉(zhuǎn)向螺母成形工藝是否合理可行的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

結(jié)合轉(zhuǎn)向螺母結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形過(guò)程中的難點(diǎn)分析，提出了多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝。在此工藝的成形過(guò)程中，各凸模加載順序、速度、行程可根據(jù)材料流動(dòng)和充填情況進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，控制材料主動(dòng)朝需要的地方流動(dòng)、聚料和填充，達(dá)到提高材料充填性和降低成形力的目的。如圖3為轉(zhuǎn)向螺母工藝模具示意圖，其工藝過(guò)程：首先前后凸模和左右凸模同時(shí)進(jìn)行加載運(yùn)動(dòng)，預(yù)擠壓一定量，但各凸模根據(jù)各部分變形量不同，其擠壓行程不同。該過(guò)程主要進(jìn)行預(yù)制坯，將圓棒坯料在模具中進(jìn)行定位，避免后續(xù)模具加載運(yùn)動(dòng)時(shí)坯料和模具產(chǎn)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(yùn)動(dòng)的同時(shí)上模向下運(yùn)動(dòng)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(guò)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(guò)程中，金屬材料朝左右兩端和上端進(jìn)行流動(dòng)。因在后續(xù)變形過(guò)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(shí)需要將金屬材料向左右方向引導(dǎo)流動(dòng)，并限制其向上流動(dòng)量。然后左右凸模和上凸模同時(shí)運(yùn)動(dòng)，左右凸模時(shí)刻保持等壓，3個(gè)凸模運(yùn)動(dòng)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(guò)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(zhuǎn)向螺母工藝模具示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 工藝方案及模擬參數(shù)

為了更深入地分析轉(zhuǎn)向螺母成形過(guò)程中金屬材料流動(dòng)變形規(guī)律，對(duì)轉(zhuǎn)向螺母多向順序加載工藝和多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝進(jìn)行了對(duì)比分析。多向順序加載成形工藝過(guò)程：首先前后凸模運(yùn)動(dòng)擠壓金屬坯料，擠壓到位后停止；然后左右凸模運(yùn)動(dòng)，擠壓到位后停止；最后上凸模運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到位后停止，至此整個(gè)成形過(guò)程完成。多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝過(guò)程按上述工藝分析中工藝方案。

數(shù)值模擬過(guò)程中坯料尺寸為?85×216 mm，設(shè)置為剛塑性，模具設(shè)置為剛性。成形溫度為1 050 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，成形速度均為8 mm/s，摩擦系數(shù)為0.3。

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 多向順序加載成形工藝數(shù)值模擬分析

首先前后凸模擠壓金屬產(chǎn)生變形，金屬材料變形過(guò)程中朝左右和上端進(jìn)行流動(dòng)，但流動(dòng)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(dòng)阻力較大，流動(dòng)較慢，隨著變形過(guò)程的進(jìn)行，左右兩端的金屬材料與左右凸模接觸，進(jìn)一步阻礙了材料向左右流動(dòng)的速度。上端部分相當(dāng)于放開(kāi)空間，流動(dòng)阻力小，流動(dòng)速度快，出現(xiàn)中間聚料較多形成鼓肚現(xiàn)象，如圖4所示。前后凸模擠壓到位后，左右凸模開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，使材料流動(dòng)同時(shí)填充法蘭型腔和向上流動(dòng)，隨著變形過(guò)程的進(jìn)行，向上流動(dòng)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(yùn)動(dòng)，擠壓上端金屬產(chǎn)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(guò)程中，材料向上端齒形部分流動(dòng)的速度較快，在上端聚集的材料過(guò)多，從而造成了法蘭部分因聚料不足填充不滿的現(xiàn)象。從圖6時(shí)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(dá)到6 240 kN。在成形最后階段，3個(gè)凸模成形力都出現(xiàn)急劇增大的陡增現(xiàn)象。主要是由于上凸模運(yùn)動(dòng)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(wú)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(wú)法流動(dòng)，上凸模的力通過(guò)材料傳導(dǎo)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(duì)模具才生較大沖擊，對(duì)模具產(chǎn)生不利影響，在設(shè)計(jì)成形工藝時(shí)應(yīng)避免此現(xiàn)象的產(chǎn)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(jié)束時(shí)充填狀況圖

圖6 多向順序加載成形時(shí)間-載荷曲線

2.2.2 多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝數(shù)值模擬分析

該工藝變形過(guò)程分為3個(gè)階段，第一階段是變形的初始階段，各部分只產(chǎn)生較小變形，變形過(guò)程比較簡(jiǎn)單。第二階段前后凸模運(yùn)動(dòng)擠壓坯料產(chǎn)生變形，圓棒料在前后凸模的擠壓作用下產(chǎn)生變形流動(dòng)，材料朝著左右方向和向上流動(dòng)，各個(gè)方向的流動(dòng)速度不同，出現(xiàn)了左右兩端向中間翹的現(xiàn)象，如圖7所示。主要由于上凸模向下運(yùn)動(dòng)，阻礙了金屬向上流動(dòng)的速度，同時(shí)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(dòng)速度，而左右兩端由于凸模后退形成了開(kāi)放空間，材料流動(dòng)阻力較小，下部分金屬流動(dòng)較快。隨著變形過(guò)程的進(jìn)行，金屬開(kāi)始接觸左凸模，由于凸模的作用阻礙了金屬向左流動(dòng)的趨勢(shì)，使金屬材料向右端流動(dòng)更容易、有更多的金屬向右端流動(dòng)，為后續(xù)右端法蘭的充填聚集充足的材料。整個(gè)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(gè)主要凸模同時(shí)運(yùn)動(dòng)擠壓金屬產(chǎn)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(duì)大些，金屬能自由流動(dòng)的空間也就大些，相對(duì)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(dǎo)了材料向型腔較大、需要材料較多的部分流動(dòng)，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(zhuǎn)向螺母充填飽滿，如圖8所示。

圖7 多向聯(lián)動(dòng)加載成形中間

圖8 多向聯(lián)動(dòng)加載成形結(jié)束時(shí)充填狀況圖

在成形過(guò)程中通過(guò)各凸模的聯(lián)動(dòng)控制加載，將材料主動(dòng)向需要的地方流動(dòng)，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(nèi)流動(dòng)，這樣就可以避免成形力的急劇增加。從圖9所示的時(shí)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(guò)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(xiàn)急劇增加陡增現(xiàn)象。

圖9 多向聯(lián)動(dòng)加載成形時(shí)間-成形力曲線

成形過(guò)程中應(yīng)力分布如圖10所示，各成形部分應(yīng)力較大處一般出現(xiàn)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(chǎn)生變形，變形較為劇烈，應(yīng)力比較大。圖10b所示為左右凸模擠壓金屬時(shí)，凸模與材料接觸后產(chǎn)生的摩擦力阻礙了金屬的流動(dòng)，金屬在結(jié)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(gè)成形過(guò)程中最大應(yīng)力217 MPa，在一般模具材料承受范圍之內(nèi)。

圖10 多向聯(lián)動(dòng)加載成形過(guò)程中應(yīng)力分布圖

3 工藝試驗(yàn)

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提供的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)?zāi)＞撸诙嘞蚵?lián)動(dòng)數(shù)控液壓機(jī)上進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)中模具材料采用H13，圓棒料采用中頻感應(yīng)加熱至1 050 ℃，模具預(yù)熱至250 ℃，采用水基石墨潤(rùn)滑劑進(jìn)行潤(rùn)滑，良好的潤(rùn)滑有利于減少成形過(guò)程中的摩擦力，延長(zhǎng)模具壽命和方便成形后脫模。試驗(yàn)成形出的轉(zhuǎn)向螺母如圖11所示，零件各部分充填飽滿，尺寸符合設(shè)計(jì)要求，無(wú)裂紋折疊等鍛造缺陷。為進(jìn)一步驗(yàn)證新工藝的可靠性和穩(wěn)定性，利用試驗(yàn)?zāi)＞撸M(jìn)行了轉(zhuǎn)向螺母的小批量試制。試制的零件，質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)小批量試制后，模具未出現(xiàn)磨損裂紋斷裂等缺陷。

圖11 試驗(yàn)成形出的轉(zhuǎn)向螺母

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)轉(zhuǎn)向螺母結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、成形難度大的問(wèn)題，提出了多向聯(lián)動(dòng)加載成形工藝。對(duì)此工藝成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力分布情況、成形力的預(yù)測(cè)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，數(shù)值模擬結(jié)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(guò)程中最大應(yīng)力217 MPa。試驗(yàn)成形出的轉(zhuǎn)向螺母充填飽滿、無(wú)折疊裂紋等鍛造缺陷，試驗(yàn)結(jié)果表明該工藝具有可行性，為該零件的實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的理論參考。