基于模擬軟件的轉向節裂紋分析與改進

文／張振水，吳萬心，別建友，劉文新，成希鋒·中國重汽集團濟南鑄鍛中心

轉向節是汽車上的關鍵部件，它即支撐車體重量，又傳遞轉向力矩和承受前輪剎車制動力矩，因此對其機械性能和外形結構要求較高，是汽車上的重要安全零件之一。本文介紹了轉向節鍛造工藝改進及易出現裂紋位置，結合deform 模擬軟件介紹了裂紋形成的原因，并針對裂紋位置進行了模具優化，解決裂紋導致的批量轉向節廢品。

轉向節是汽車上的關鍵部件，起到支撐車體重量，又傳遞轉向力矩和承受前輪剎車制動力矩的作用，因此對其機械性能和外形結構要求較高，是汽車上的重要安全零件之一。

我單位盤式轉向節（圖1）自今年4 月份生產以來，廢品率一直居高不下，均在10%以上，目前導致轉向節廢品的原因主要是眼睛位置（B 區）、下模小凸臺位置（H2 區）裂紋，其余位置在小頭部位（I1區），為解決上述轉向節缺陷，利用模擬軟件反復進行鍛打過程模擬及試制，查看鍛打過程中流線分布情況及料的流動方向，尋找裂紋形成的原因。

轉向節裂紋原因分析

眼睛處的裂紋及形成原因

目前我單位制坯采用拍扁工藝，拍扁后兩端面存在尖角，通過模擬軟件點位追蹤，可以看到最終拍扁后坯料尖角位置料流動至眼睛區域，在熱處理后由于應力集中原因形成裂紋，如圖2 所示。

由于型腔及坯料分布情況決定眼睛部位，在鍛打過程接近終了時才填滿型腔，因此兩股料在眼睛部位流動匯集，最終形成裂紋，如圖3 所示。

轉向節小頭端面兩側接近分模面處裂紋形成原因

鍛打過程中料的移動使坯料端面尖角最終流動至小頭處，產生應力集中（與眼睛處裂紋相同），最后會在熱處理后形成裂紋，如圖4 所示。

在預鍛距離小頭端面大約70mm（圖5(a)、圖5(b)）處，模口圓角及型腔結構導致在此位置料的流動混亂形成裂紋，在鍛打后期無法排出至毛邊（圖5(c)）。

下模小凸臺位置裂紋及形成原因

在鍛打后期小凸臺位置存在空腔，空腔部位料的填充使小凸臺處形成裂紋，如圖6 所示。

在預鍛過程中把部成形設計尺寸為175.7mm，實際鍛打厚度約155mm，在終鍛時把部料的劇烈流動帶走小凸臺處的料，形成裂紋，如圖7 所示。

工藝優化

針對以上裂紋位置及原因分析，工藝改進方案如下：

目前采用φ180mm 料段拍扁工藝，拍扁后長度在245mm 左右，拍扁后兩端面存在尖角，尖角位置直接影響預鍛件質量，將拍扁工藝改為φ150mm 料段鐓粗工藝，鐓粗后長度在280mm 左右，在預鍛中較拍扁工藝料的分布更為均勻，同時通過對鐓粗模進行優化，鐓粗毛坯兩端面接近圓滑過渡無尖角，大大降低后續鍛打過程中廢品的產生。圖8 為拍扁與鐓粗料的對比模擬圖。

模具型腔優化

眼睛處的改動

預鍛上模兩眼睛之間由原來的直面改為坡面加圓角過渡，同時加大模口圓角，如圖9 所示。

在上模眼睛1/2 位置處做一斜面與上模型腔邊緣連接，并做大約R80mm 的圓角進行過渡，如圖10所示。

預鍛下模眼睛處擋墻結構由原來封閉式更改為眼睛端打通結構，改善鍛打流向，使缺陷更易排出，如圖11 所示。

轉向節小頭端面處裂紋改動

由拍扁工藝更改為鐓粗工藝，解決坯料端面尖角問題。

更改小頭部位的擋墻結構，由原來的封閉結構（圖12(a)）改為小頭端打通結構（圖12(b)），使缺陷更易排出鍛件，其次把上模距離小頭40mm 位置處修改為R100mm 圓弧的凹槽（圖12(c)），解決小頭平面裂紋。

下模小凸臺位置改動

小凸臺結構改為與把部位置連通結構，在預鍛模位置做凹槽且采用大圓弧過渡，增加終鍛時的用料，如圖13 所示。

在預鍛上模大小爪之間進行局部改動，改善預鍛把部的成形率，使把部在預鍛過程中更易成形，解決終鍛過程中把部金屬流動形成小凸臺位置空腔導致出現裂紋現象，如圖14 所示。

針對小頭側裂紋，更改下模擋墻結構，由原來的整體擋墻結構更改為兩端開通結構，其次把距離小頭40mm 位置處修改為R100mm 圓弧的凹槽，解決小頭平面裂紋。

結論

通過對上述缺陷產生的原因進行分析及對模具修改，由拍扁工藝改為鐓粗工藝，型腔按照上述方案進行更進后，進行了鍛打試制，到目前為止最新改進的造型使廢品率大幅降低，現在廢品率不到2%，大大降低了生產成本。