某款轉(zhuǎn)向節(jié)鑄改鍛工藝分析與實(shí)現(xiàn)

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車(chē)轉(zhuǎn)向橋中的重要零件之一，能夠使汽車(chē)穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向。轉(zhuǎn)向節(jié)的作用是傳遞并承受汽車(chē)前部載荷，支撐并帶動(dòng)前輪繞主銷(xiāo)轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車(chē)轉(zhuǎn)向，汽車(chē)在行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向節(jié)承受著多變的沖擊載荷，因此要求其具有很高的性能。而轎車(chē)的質(zhì)量要求更是毋庸置疑，對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求。
 

一汽鍛造公司承擔(dān)的此款轉(zhuǎn)向節(jié)為重點(diǎn)研發(fā)產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安全性能要求較高。毛坯前期策劃為鑄造工藝，經(jīng)過(guò)工藝分析與仿真模擬測(cè)算，為了更好的保證產(chǎn)品功能性及使用性，最終確定了該產(chǎn)品的鑄改鍛方案。承接此產(chǎn)品后，相關(guān)技術(shù)人員與整車(chē)研發(fā)人員共同探討，協(xié)同開(kāi)發(fā)，從鍛造工藝的角度確定產(chǎn)品分模面、加工余量及外形，使其既能保證產(chǎn)品工藝成形，又能實(shí)現(xiàn)裝配要求、功能性和使用性。經(jīng)過(guò)調(diào)試鍛打，首批合格鍛件已提供，性能檢測(cè)無(wú)問(wèn)題，并已經(jīng)加工出合格產(chǎn)品，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)工作。
 

鍛造工藝分析
 

根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品三維，經(jīng)過(guò)增加加工余量、出模角及叉口防變形等鍛造工藝后，完成了相對(duì)易于鍛件成形且不易造成鍛件變形的三維設(shè)計(jì)。成形后的轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件復(fù)雜系數(shù)S4，該復(fù)雜系數(shù)的超重鍛件在乘用車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)制造中實(shí)屬罕見(jiàn)。
 

經(jīng)過(guò)鍛造成形力學(xué)分析，根據(jù)鍛件投影面積初步計(jì)算所需鍛打力在4500t左右。計(jì)算出所需鍛打噸位并根據(jù)已有轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我司現(xiàn)有設(shè)備資源，確定了合適的設(shè)備，選擇符合其工藝特性的1600t電動(dòng)螺旋（摩擦壓力機(jī)）做預(yù)鍛，配合2500t電動(dòng)螺旋做終鍛。
 

具體工藝路線為：下料→加熱→鐓粗→預(yù)鍛→終鍛→切邊→校正→熱處理→硬度檢驗(yàn)→表面清理→探傷→終檢。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件

工藝技術(shù)難點(diǎn)分析及預(yù)防措施

⑴完成鍛件設(shè)計(jì)后考慮其成形工藝，通過(guò)截面計(jì)算方法找到相對(duì)適合坯料分料的角度面，尤其要考慮的是支臂和桿部的分料。支臂長(zhǎng)度約160mm，完全延展到鍛件外側(cè)，此處成形極其困難，鍛打過(guò)程極易出現(xiàn)折疊和充不滿(mǎn)等缺陷。根據(jù)已有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，必須保證預(yù)鍛在此處有足夠多的存料，在終鍛時(shí)采用排料原則，將有折紋趨勢(shì)的坯料排放到飛邊位置，避免缺陷產(chǎn)生。桿部長(zhǎng)度超過(guò)120mm，為了保證其流線組織及機(jī)械性能，需通過(guò)擠壓成形，如分料不均或桿部坯料不足，鍛件易出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，無(wú)形中增加了預(yù)鍛的難度。綜合以上問(wèn)題，選取了多個(gè)鍛件截面進(jìn)行計(jì)算，找到了與鍛件成30°角（如圖2所示）為坯料均衡擺放方向，坯料中心距離鍛件桿部中心偏出20mm，截面計(jì)算后所需最粗坯料在φ130mm以?xún)?nèi)，且可以滿(mǎn)足所有截面需求。

圖2 鍛件分料中心位置示意圖

⑵鍛件內(nèi)部平面最薄尺寸為17mm，出現(xiàn)在環(huán)形筋部?jī)?nèi)窩槽位置，此處既容易造成成形折疊，又容易出現(xiàn)熱處理淬裂，在前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮其潛在風(fēng)險(xiǎn)。為了避免鍛件失效，通過(guò)圓角補(bǔ)償和利用厚度公差上限進(jìn)行調(diào)整，并且在預(yù)鍛工步做好坯料的分配，在易出現(xiàn)折紋趨勢(shì)位置做好坯料填充。

⑶叉口位置在鍛造過(guò)程中易出現(xiàn)變形，根據(jù)以往類(lèi)似件生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，切邊后叉口易向內(nèi)側(cè)收縮，尤其在后續(xù)處理過(guò)程中叉口易造成磕碰擠壓等變形。綜合考慮以上因素，在叉口中間連接位置增加連皮，并且連皮通過(guò)后續(xù)機(jī)加工方式去除，這樣一來(lái)，可以有效防止鍛造過(guò)程中產(chǎn)生缺陷，保證生產(chǎn)出合格鍛件。

仿真模擬及調(diào)試問(wèn)題解決

將設(shè)計(jì)完成的初始模具及坯料轉(zhuǎn)化到Forge有限元仿真模擬軟件中進(jìn)行預(yù)模擬，初步驗(yàn)證設(shè)計(jì)可行性，并通過(guò)模擬查看成形過(guò)程中是否出現(xiàn)折疊、充不滿(mǎn)等潛在缺陷。根據(jù)初始坯料中心擺放位置，在預(yù)鍛下模做好定位凹槽，如圖3為經(jīng)過(guò)鐓粗后的坯料擺放位置，由于預(yù)鍛下模有凹槽，極好地限制了坯料的滾動(dòng)，減小了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，并且降低了操作風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)鍛毛坯一致性。

圖3 坯料擺放示意圖

解決了預(yù)鍛模具的坯料定位問(wèn)題后，終鍛工序通過(guò)型腔即可達(dá)到定位要求，無(wú)需額外增加定位。從仿真模擬分析（圖4、圖5）結(jié)果來(lái)看，鍛件在兩道工序中無(wú)折疊、充不滿(mǎn)等缺陷，鍛件最難解決的長(zhǎng)臂問(wèn)題，通過(guò)成角度擺放及模具設(shè)計(jì)得以解決，對(duì)長(zhǎng)臂位置檢查，無(wú)任何缺陷。桿部位置通過(guò)可變圓角設(shè)計(jì)，使坯料快速向桿部型腔充填，桿部充滿(mǎn)無(wú)問(wèn)題，而且不至于造成桿部流線斷裂，極大的提高了鍛件性能。

圖4 預(yù)鍛工序仿真模擬分析

圖5 終鍛工序仿真模擬分析

在實(shí)際調(diào)試生產(chǎn)過(guò)程中，通過(guò)在預(yù)鍛和終鍛模具上增加鎖扣來(lái)控制鍛件錯(cuò)差，鎖扣間隙設(shè)置為0.5mm，為保證合模時(shí)不產(chǎn)生碰撞，鎖扣設(shè)計(jì)出7°斜度。鎖扣不僅控制了鍛件的錯(cuò)差，而且抵消了鍛件曲面分模產(chǎn)生的錯(cuò)移力，保證生產(chǎn)出合格的鍛件。設(shè)備的下死點(diǎn)依靠模具貼合后保證，根據(jù)鍛件所需的鍛打力調(diào)整輸出力，并設(shè)計(jì)有合適的承擊面，以此保證鍛件的厚度，并保證在公差范圍內(nèi)。

效果驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)以上措施的實(shí)施，我公司完成了對(duì)鑄改鍛轉(zhuǎn)向節(jié)的成功設(shè)計(jì)及調(diào)試，順利保證了樣件的提交。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，拉伸和沖擊性能均達(dá)標(biāo)，鍛件流線符合工藝要求（如圖6）。目前由新工藝加工出的鍛件成品，經(jīng)檢驗(yàn)后完全達(dá)標(biāo)，現(xiàn)已在整車(chē)上安裝。

圖6 轉(zhuǎn)向節(jié)流線分析示意
 

結(jié)束語(yǔ)

此款轉(zhuǎn)向節(jié)的成功研制，實(shí)現(xiàn)了我司首次轉(zhuǎn)向節(jié)鑄改鍛的工藝改動(dòng)，填補(bǔ)了我司在大型乘用車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)開(kāi)發(fā)與研制方面的空白。此件的成功研制大力提升了我司在轉(zhuǎn)向節(jié)制造上的研發(fā)能力，同時(shí)極大增加了我司在轉(zhuǎn)向節(jié)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

—— 來(lái)源：《鍛造與沖壓》2019年第5期