■ 呂金旗，孫漢寶，栗智鵬

1. 車用轉(zhuǎn)向節(jié)簡(jiǎn)介

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件，它與汽車懸架、前車軸、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及制動(dòng)器總成相連，支撐并帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽車靈活轉(zhuǎn)向，是汽車前部關(guān)鍵承載部件。

在汽車行駛狀態(tài)下，轉(zhuǎn)向節(jié)承受著多變的沖擊載荷。轉(zhuǎn)向節(jié)的安全可靠性直接影響著整車的行駛可靠性，其在汽車零部件中具有十分重要的地位。

此外，轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料屬性、生產(chǎn)工藝等因素也存在不確定性，這些隨機(jī)因素的存在使得轉(zhuǎn)向節(jié)的可靠性要求非常高。

（1）轉(zhuǎn)向節(jié)輕量化制造 傳統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)主要由球墨鑄鐵鑄造而成，這種轉(zhuǎn)向節(jié)重量較重，且易產(chǎn)生疲勞失效。為了汽車輕量化和提高簧下性能，國(guó)內(nèi)外開始研發(fā)高性能鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，如圖1所示。目前歐美、日本等許多汽車已規(guī)模化使用鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，由現(xiàn)有的鑄鐵件、鍛造件向鋁合金精密鑄造新產(chǎn)品的升級(jí)換代，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品的輕量化、高性能化和低成本化。

（2）轉(zhuǎn)向節(jié)制造工藝簡(jiǎn)介 日本用立式擠壓鑄造機(jī)生產(chǎn)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)已有多年歷史，工藝過程嚴(yán)格保密，沒有可借鑒的資料可查。歐洲某些汽車生產(chǎn)大國(guó)鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn)以鍛造為主，部分采用差壓鑄造。

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車鍛件中最難生產(chǎn)的鍛件之一，其鍛造設(shè)計(jì)水平代表了汽車鍛件的最高設(shè)計(jì)水平，此類鍛件鍛造工序多，鍛造工藝復(fù)雜，對(duì)其鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)要求高。

目前，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造生產(chǎn)面臨的主要問題是：鍛件材料利用率低，鍛造能耗高；轉(zhuǎn)向節(jié)新品開發(fā)主要依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，風(fēng)險(xiǎn)大。

差壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)率較高，通常采用A356鋁合金作為原料，A356鋁合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別在250MPa、180MPa左右，伸長(zhǎng)率較低，一般不超過5%。但是隨著差壓鑄件熱處理工藝的發(fā)展，經(jīng)過熱處理的A356合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別在280MPa、200MPa左右，伸長(zhǎng)率可達(dá)8%。差壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)的力學(xué)性能及疲勞壽命均有大幅提升，完全可以滿足汽車行駛的安全要求。

圖1 鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)

圖2 差壓鑄造機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2. 差壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)工藝

差壓鑄造又稱反壓鑄造，是一種在壓力下充型和凝固結(jié)晶的鑄造工藝方法，兼有低壓鑄造和壓力鑄造的特點(diǎn)。它是在低壓鑄造的基礎(chǔ)上，鑄型外加密封罩，同時(shí)向坩堝和罩內(nèi)通入壓縮空氣，但坩堝內(nèi)的壓力略高，將坩堝內(nèi)的金屬液在壓差的作用下經(jīng)升液管充填鑄型，并在壓力下結(jié)晶。

（1）轉(zhuǎn)向節(jié)差壓鑄造機(jī)組成 圖2是差壓鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)示意。差壓鑄造機(jī)主要由上壓力罐、下壓力罐、坩堝、升液管、模具及驅(qū)動(dòng)、微機(jī)控制系統(tǒng)組成。下壓力罐內(nèi)安裝有電阻保溫爐，保溫爐內(nèi)安裝有坩堝及升液管；模具驅(qū)動(dòng)氣缸在微機(jī)控制系統(tǒng)控制下沿著支柱垂直上下動(dòng)作，完成轉(zhuǎn)向節(jié)的差壓鑄造。

（2）轉(zhuǎn)向節(jié)差壓鑄造工藝 差壓鑄造的加壓工藝過程分為6個(gè)階段：上壓力罐充氣階段，充氣壓力均為p；上壓力罐壓力遞減階段；由于下壓力罐壓力保持不變，鋁液在壓差作用下沿升液管上升進(jìn)入到模具里，所以此為升液、充型階段；保壓階段；互通階段；排氣卸壓階段。

鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)澆注鋁合金時(shí)，充氣壓力為0.5～0.6MPa,澆注溫度710～725℃；模具工作溫度150～280℃；不得高于360℃；保壓和留模時(shí)間15～25s。

3. 差壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)熱處理工藝

差壓鋁合金鑄件的熱處理就是選用某一熱處理規(guī)范，控制加熱速度升到某一相應(yīng)溫度下保溫一定時(shí)間并以一定速度冷卻，以改變鋁合金的組織，其主要目的是提高合金的力學(xué)性能，增強(qiáng)耐蝕性，改善可加工性，獲得尺寸的穩(wěn)定性。

差壓鑄造轉(zhuǎn)向節(jié)選擇的熱處理工藝參數(shù)為：加熱到520℃保溫20min，繼續(xù)加熱到535℃保溫8h；在15s之內(nèi)淬入60℃水中；淬后放入165℃保溫爐中，保溫6h，出爐室溫冷卻2h。

所謂固溶處理就是將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分溶解后快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝，鋁合金的固溶處理有三個(gè)目的：①使Mg、Si元素固溶到α（Al）基體中。②Mg、Si在α（Al）基體中均勻化。③共晶Si相形態(tài)在固溶過程中發(fā)生由纖維狀向粒狀形態(tài)的轉(zhuǎn)變。將合金元素固溶到基體金屬中形成固溶體以提高合金強(qiáng)度的方法稱固溶強(qiáng)化。

固溶溫度和固溶時(shí)間的選擇為獲得良好的時(shí)效強(qiáng)化效果，在不發(fā)生過熱、過燒及晶粒長(zhǎng)大的條件下，本例中選擇固溶溫度為535℃，時(shí)間為8h；加熱溫度高些，保溫時(shí)間長(zhǎng)些，有利于獲得最大過飽和度的均勻固溶體，所以本例中選擇冷卻溫度60℃，時(shí)間為15s，其目的是保證在冷卻過程不析出第二相，否則在隨后時(shí)效處理時(shí)，已析出相將起晶核作用，造成局部不均勻析出相而降低時(shí)效強(qiáng)化效果。

圖3 室內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)

圖4 施加在轉(zhuǎn)向節(jié)上的載荷實(shí)時(shí)波形

4. 轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)向節(jié)屬于汽車的安全部件，其安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)。通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，轉(zhuǎn)向節(jié)主要失效形式為疲勞破壞，鑒于汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的力學(xué)性能要求非常高，通常要通過轉(zhuǎn)向節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)來驗(yàn)證其安全性。

道路疲勞試驗(yàn)具有試驗(yàn)工況真實(shí)、載荷準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、成本高、試驗(yàn)邊界條件不一致及試驗(yàn)強(qiáng)化系數(shù)不同的缺點(diǎn)。轉(zhuǎn)向節(jié)室內(nèi)臺(tái)架等幅波、載荷譜疲勞試驗(yàn)，具有強(qiáng)化系數(shù)可選擇、時(shí)間短、費(fèi)用低、邊界條件一致的優(yōu)點(diǎn)。因此，轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞試驗(yàn)多采用室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)完成，圖3是室內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)的實(shí)物圖，圖4為室內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)載荷譜示意圖。

臺(tái)架設(shè)備為MTS液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)，載荷條件是單軸交變載荷，低頻周期為4Hz，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)沃勒曲線比較受損程度，判據(jù)是沃勒曲線不允許在2×106范圍內(nèi)與應(yīng)力循環(huán)曲線相交，轉(zhuǎn)向節(jié)裂紋長(zhǎng)度不大于1mm。以A356鋁合金為基材，通過文中提到的熱處理工藝處理后，經(jīng)過轉(zhuǎn)向節(jié)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)在安全性、疲勞壽命均滿足產(chǎn)品要求。

5. 結(jié)語(yǔ)

在我國(guó)目前的生產(chǎn)力情況下，以A356鋁合金為基材，采用差壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn)工藝已經(jīng)成熟，配合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕耆梢詽M足道路車輛對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的安全性要求。差壓鑄造鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)工藝及其熱處理工藝的成熟，實(shí)現(xiàn)了高性能鋁合金汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的產(chǎn)業(yè)化與規(guī)?；瘧?yīng)用，提高了我國(guó)汽車零部件產(chǎn)品的創(chuàng)新能力和自主品牌汽車的競(jìng)爭(zhēng)力。

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