一種新型的重卡轉向節模鍛工藝開發

姜效峰，曹懷禮，杜衛東

(慶鈴汽車(集團)有限公司，重慶 400052)

一種新型的重卡轉向節模鍛工藝開發

姜效峰，曹懷禮，杜衛東

(慶鈴汽車(集團)有限公司，重慶 400052)

介紹了一種閉式預鍛+半閉式終鍛的重卡轉向節模鍛工藝方案，并通過數值模擬對坯料尺寸、壓扁時下壓量等工藝參數進行了優化。經過生產試制證明，對于這種新型閉式預鍛+半閉式終鍛的重卡轉向節模鍛工藝方法生產的鍛件，其鍛造流線分布與鍛件外形一致性好，材料利用率高，并且有效延長了模具壽命，可為同類枝杈類鍛件產品的生產提供借鑒。

轉向節；閉式預鍛；半閉式終鍛；數值模擬；精密成形技術

近年來，由于我國高速公路里程的快速增長和西部開發等基礎建設的迅速推進，以及物流行業的迅猛發展，市場對載重卡車的需求量與日俱增。2015年，中、重型載貨卡車年產量達到283萬輛。因此，市場對轉向節的需求超過400萬件/a，轉向節鍛件出現了供不應求的局面[1]。

轉向節是汽車重要的安全零部件，它在工作時受力情況比較復雜，既要支撐車體質量，又要傳遞轉向力矩，并承受前輪剎車制動力矩，因此轉向節的安全特性是汽車制造行業特別重視的一項指標，對其機械性能要求非常嚴格。同時，轉向節屬于復雜枝杈類零件，鍛造成形難度大，若采用半固態注入成型，雖然在1個工步內即可獲得尺寸精度較高的轉向節產品，但生產成本高，沖擊韌性和抗彎強度差，使用壽命和安全可靠性不及鍛件，目前還處于研究階段。探索轉向節合理的鍛造方法對我國汽車工業的發展具有重要意義[2-3]。另外，在汽車逐漸要求輕量化的今天，對鍛件精度要求逐步提高，不僅對鍛件的加工面的要求提高，對非加工面的要求同樣在提高。目前國內外轉向節的鍛造生產方法有如下幾種：

1) 劈爪成形工藝。工藝路線為：下料—反射爐加熱—圓料壓扁劈爪—拔長爪部—錘上鍛造成形。該工藝雖然對設備要求低，但主要缺點是鍛件精度差、質量不穩定、材料利用率低、勞動條件差。

2) 制坯彎曲終鍛工藝。工藝路線為：下料—加熱—開式鐓擠制坯—去連皮—彎曲—終鍛—切邊。該工藝的優點是制件組織性能可得到改善，缺點是工序多、能耗大、材料利用率低、鍛件成本高、金屬流線不完整。

3) 半封閉擠壓工藝。工藝路線為：下料—中頻感應加熱—鐓粗(去除氧化皮)—半封閉擠壓—終鍛—切邊—校正—檢驗。該方案采用半封閉擠壓工藝預制坯，機械性能和表面質量好，但材料利用率低[4-6]。

通過對轉向節常規鍛造成形方法進行分析和研究，在總結各種轉向節生產工藝的基礎上，本文設計了一種“閉式預鍛+半閉式終鍛”的重卡轉向節模鍛工藝方案，并通過數值模擬對坯料尺寸、壓扁壓下量等工藝參數進行了優化。實際生產結果證明：采用這種新型“閉式預鍛+半閉式終鍛”的重卡轉向節模鍛工藝生產的鍛件，鍛造流線分布與鍛件外形一致性好，材料利用率高，并且有效延長了模具壽命， 是精密成形技術在常規模鍛工藝中得到有效應用的典型案例，可為同類枝杈類鍛件產品的生產提供借鑒。

1 轉向節模鍛方案設計

1.1 轉向節的常規模鍛方案

圖1 轉向節鍛件的三維模型

常規模鍛工藝過程為：下料—制坯—預鍛—終鍛。由于零件桿部與法蘭、叉子部位橫截面積差別較大，所以需要增加1次局部鐓粗制坯，滿足法蘭、叉子部位成形的需要。 常規模鍛工藝設計一般采用開放式預鍛制坯的工藝方案，在實際生產中極易出現以下成形缺陷：

1) 模具成形時法蘭部位型腔窄而深，而桿部細又長，金屬流動阻力較大，由于常規模鍛工藝型腔開放，模具內部擠壓力不夠，桿部容易出現充不滿缺陷。

2) 坯料沒有定位，操作時容易放偏。同時，在鍛造時極其容易偏移，成形過程穩定性差，容易產生折疊和充不滿。

3) 常規開放式預鍛制坯的工藝方案除需在生產中解決充不滿、局部變形嚴重、折疊等成形缺陷外，材料利用率也較低，一般為25%～70%。坯料在變形時，金屬流速快，模具磨損也較為嚴重。

1.2 閉式預鍛工藝設計

在對常規“開放式預鍛制坯+半封閉式模鍛”工藝方案存在的不足進行分析和總結的基礎上，提出了一種“閉式預鍛+半閉式終鍛”的重卡轉向節模鍛工藝方案。模具型腔結構如圖2所示，主要工序是：在 6 300 t電動螺旋壓力機上進行鐓粗—壓扁—閉式預鍛—半閉式終鍛。新工藝采用閉式鍛造預成型，有效提高了金屬的流動能力以及減少飛邊金屬的消耗，可大幅提高材料利用率。同時，在預鍛過程中，行程與載荷的曲線變化比較平緩，延長了模具的使用壽命。但是，閉式模具型腔是封閉的，較常規模鍛的成型力偏大，同時對下料尺寸精度要求較高，坯料設計偏大，容易導致抗力劇增，模具報廢；而坯料設計過小，又會導致鍛件缺陷。為此，通過實際生產試制，并結合有限元模擬優化坯料尺寸、壓扁壓下量等工藝參數，確定一條比較合理的“閉式預鍛+半閉式終鍛”轉向節制造方案。

1.鐓粗工位; 2.壓扁工位; 3.終鍛; 4.預鍛

2 轉向節模鍛過程模擬

該重卡轉向節對尺寸外形的要求較國內更為嚴格，在模具的調試以及試制過程中還存在一些問題，但在實際生產過程中由于有眾多因素的干擾，直接根據現場情況對工藝進行優化是相當困難的。因此，引入數值模擬仿真技術，這對分析轉向節生產調試過程中缺陷產生的原因以及找到相應的解決方法帶來了相當大的便利。

2.1 有限元模型的建立

2.2 下料尺寸的優化

閉式模鍛較常規模鍛對下料尺寸精度要求較高，坯料設計偏大，容易導致抗力劇增，模具報廢；而坯料設計過小，又會導致鍛件缺陷。為此，在其他工藝參數不變的基礎上，按表1設計了8種規格的坯料尺寸，對其鐓粗—壓扁—閉式預鍛—半閉式終鍛進行數值模擬，分析不同下料規格對鍛件終鍛成形質量及壓機載荷的影響。

表1坯料規格對終成形質量和終鍛載荷的影響

模擬結果表明:下料規格為Φ115 mm×370 mm 時，鍛件終鍛充填質量較好,頭部(兩叉子、法蘭)與桿部處飛邊情況比較理想，如圖3所示。該規格的下料尺寸材料利用率較高，同時終鍛時的成形載荷也滿足壓機的生產要求。

圖3 終鍛后的飛邊分布情況

2.3 預鍛定位優化

在實際預鍛工序，由于轉向節后面枝椏部位是一個斜平面，坯料在預鍛時極易向桿部型腔移動，導致鍛造穩定性變差。坯料在模具型腔內過度滑移容易產生折疊、充不滿等鍛造缺陷。因此，預鍛時需要保證良好的定位。經模擬分析發現：加大坯料壓扁時(如圖4)的下壓量，在預鍛時能增加坯料與成形枝椏部位平臺的接觸面積，提高坯料的成形穩定性。因此，在使用Φ115 mm×370 mm 尺寸規格的坯料、拍扁后高度為120 mm的基礎上，設計了不同的拍扁參數進行模擬分析。經多次模擬發現:拍扁壓下量增加后，預鍛成形穩定大幅增加，但會惡化轉向節平衡塊的枝椏處的充填質量。

圖4 坯料的拍扁工序

通過對模擬結果分析發現：當拍扁壓下量增加20 mm、拍扁后坯料高度由原來120 mm變為100 mm時，坯料在預鍛時不會產生較大滑移，可以充分保證坯料的成形穩定性，但轉向節平衡塊的枝椏處出現了輕微的充不滿。為此，重新優化下料尺寸規格，將坯料規格由Φ115 mm×370 mm調整至Φ115 mm×390 mm后，有效地解決了枝椏處充填不飽滿的現象。

2.4 預終鍛上下模閉式及半閉式間隙確定及優化

預終鍛上下模閉式及半閉式間隙的確定非常關鍵。預鍛間隙過大，預鍛飛邊加大，轉向節桿部金屬流動速度減慢，終鍛出現桿部充不滿缺陷；間隙過小，會出現鍛不靠現象，終鍛法蘭部位充不滿。終鍛間隙過小，金屬成形過程中所需變形力加大，鍛件極易出現折疊；過大，鍛件易出現充不滿現象。通過模擬結果和現場對比，最終確定閉式預鍛擋墻上下模間隙預先設計選擇1 mm，半閉式終鍛擋墻上下模間隙預先設計選擇3 mm。

3 現場試制

通過數值模擬確定了較為優化的坯料尺寸、拍扁下壓量等工藝參數，并在6 300 t電動螺旋壓力機上進行該轉向節的鐓粗—壓扁—閉式預鍛—半閉式終鍛試制，配套的設備有1 500 kVA 感應加熱爐、12.5 MN 切邊校正壓力機和控冷裝置，鍛件在終鍛、切邊和校正后進入控冷裝置進行可控冷卻。現場試制結果表明:通過該工藝生產的轉向節成形質量良好，成材率約為80%，各項性能指標符合技術協議要求。圖5為實際試制鍛件與模擬結果對比。

圖5 實際試制鍛件與模擬結果對比

4 結論

1) 在分析和總結常規轉向節鍛造成形方法的基礎上，提出了一種新型“閉式預鍛+半閉式終鍛”的重卡轉向節模鍛工藝方法。新工藝采用閉式鍛造預成型，有效地提高了金屬的流動能力并減少了飛邊金屬的消耗，大幅提高了材料利用率。同時變形金屬處于三向壓應力狀態，各部位金屬流動比較均勻，可有效延長模具壽命。該工藝方法是精密成形技術在常規模鍛工藝中得到有效應用的典型案例，為同類枝杈類鍛件產品的生產提供借鑒。

2) 通過模擬分析優化了下料規格、拍扁壓下量等工藝參數，并通過實際生產試制進行了驗證。試驗結果表明:采用Φ115 mm×390 mm規格的坯料，將坯料拍扁至100 mm，可有效保證坯料在預鍛時的定位，提高成形穩定性，同時也能保證終鍛時鍛件各部位的充填質量。

3) 實際生產情況表明：在閉式預鍛擋墻間隙選擇1 mm、半閉式終鍛擋墻間隙選擇3 mm時，解決了鍛件填充和折疊等缺陷問題，且鍛件的金屬流線滿足要求。

[1] 2014—2015年卡車市場深度調查分析及發展前景研究報告[EB/OL].[2016-05-26].http://www.cir.cn/2014-04/KaCheShiChangFenXiBaoGao.html.

2014—2015 truck market depth investigation and analysis and development prospects[EB/OL].[2016-05-26].http://www.cir.cn/2014-04/KaCheShiChangFenXiBaoGao.html.

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(責任編輯 劉 舸)

Development of a New Forging Process of Steering Knuckle

JIANG Xiao-feng, CAO Huai-li, DU Wei-dong

(QingLing Motors (Group) Co., Ltd., Chongqing 400052, China)

This paper introduced a closed pre forging and half closed die forging method for the manufacturing of the steering knuckle. And the process parameters such as stock size, press amount when be flattening and so on were optimized by means of numerical simulation, and after being proved by the trial production, the forging production with the new method had high material utilization ratio, and effectively extended the die life, through which the streamline distribution is consistent with the shape of the forging. It can provide a reference for the manufacturing of branch-like forging piece.

steering knuckle; closed pre forging; half closed die forging; numerical simulation; precision forming technology

2016-12-25

姜效峰，男，工程師，主要從事汽車鍛件鍛造工藝、熱加工成型和模具開發及制造研究，E-mail:qinglingzgb@126.com；曹懷禮，男，高級工程師，主要從事汽車、發動機開發及模具技術研究；杜衛東，男，主要從事汽車制造研究。

姜效峰，曹懷禮，杜衛東.一種新型的重卡轉向節模鍛工藝開發[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(2):34-38.

format：JIANG Xiao-feng, CAO Huai-li, DU Wei-dong.Development of a New Forging Process of Steering Knuckle[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(2):34-38.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.02.006

U463

A

1674-8425(2017)02-0034-05