張運軍 陳天賦 楊 杰 黃明偉 夏巨諶 鄧 磊 金俊松

1.湖北三環(huán)鍛造有限公司，谷城，441700

2.華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢，430074

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和受力部件，既支撐車體重量，又承受轉(zhuǎn)向力矩［1］。由于轉(zhuǎn)向節(jié)工作環(huán)境惡劣，對力學性能要求高，因此，一般采用鍛造成形［2-3］。轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件輪廓尺寸大，結(jié)構(gòu)極其復雜，導致鍛造工序多，且材料利用率低［4-5］。對于一些形狀非常復雜的轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件，如A223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件，常規(guī)的轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝甚至難以成形。該鍛件與常規(guī)轉(zhuǎn)向節(jié)的最大差別是一個直線前臂特別長，另一個稍短的前臂與桿部及直線長臂的軸線方向成90°彎曲。現(xiàn)有工藝是將前臂與桿部和法蘭分開鍛造經(jīng)機加工后采用螺栓連接為一體。這種分體制造方式不僅材料利用率低，生產(chǎn)效率低，而且產(chǎn)品性能較差。

本文針對房車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點及分體制造存在的問題，提出了如下整體模鍛工藝方案：下料→加熱→第一次制坯局部鐓粗→第二次制坯桿部拔長→預鍛→終鍛→切邊→（加熱）→彎曲及校正。最后一道彎曲及校正之前所有工序及相應(yīng)的模具可采用模鍛工藝及模具設(shè)計的相關(guān)知識進行設(shè)計和計算。而彎曲及校正工序中的彎曲成形是金屬在封閉模膛內(nèi)的彎曲大變形，與大曲率半徑自由彎曲的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)完全不同，其金屬流動需合理調(diào)控。因此，彎曲前預彎工藝的優(yōu)化是本工藝方案的難點，實現(xiàn)90°彎曲精確成形的專用模具裝置是關(guān)鍵。

1 整體模鍛工藝方案的分析

A223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件二維圖見圖1。該轉(zhuǎn)向節(jié)采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，不同于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向節(jié)的轉(zhuǎn)向節(jié)臂通過螺栓連接的方式，而是將轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向節(jié)臂進行一體化設(shè)計，然后采用整體式模鍛成形工藝，使其相對于分體鍛造擁有更好的連接強度，同時獲得良好的輕量化效果。整體式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向節(jié)的直臂部分距離轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心337.8 mm，彎臂部分距離轉(zhuǎn)向節(jié)主銷中心215.75 mm，轉(zhuǎn)向節(jié)桿部、盤部與直臂部分的分模方向和轉(zhuǎn)向節(jié)彎臂部分的分模方向垂直，按照常規(guī)鍛造工藝方法是無法實現(xiàn)該轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造成形的。

圖1 A223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件圖Fig.1 Drawings of A223 steering knuckle forging

根據(jù)該轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點，本文提出了一種全新的整體模鍛工藝方案：首先對轉(zhuǎn)向節(jié)彎臂部分采用與直臂平行的鍛造方式進行鍛造成形，從而解決分模面相互垂直無法分模的問題；然后鍛件切邊后，在熱態(tài)下采用閉式彎曲技術(shù)對轉(zhuǎn)向節(jié)彎臂部分進行局部閉式壓彎成形。針對上述整體模鍛工藝方案，制定各個工序的成形工藝及模具結(jié)構(gòu)分別如下。第一次制坯局部鐓粗采用閉式鐓粗工藝，對坯料上對應(yīng)于轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭盤的位置進行局部鐓粗，坯料的上下兩段直徑基本不變，其中間局部鐓粗及鐓粗型腔如圖2a中B-B局部剖視圖所示；第二次拔桿制坯是將局部鐓粗所成形的工件，對應(yīng)于轉(zhuǎn)向節(jié)桿部的一段進行拔長，使桿部直徑減小而長度伸長至與桿部長度相等或接近，其拔長型腔如圖2a中A-A局部剖視圖所示；預鍛是將經(jīng)過兩道制坯的工件在預鍛模膛中成形為彎曲前臂沿軸線伸直成為與直線長臂平行的叉形件，其主要成形方式為通過劈料臺壓扁并劈成叉形，使中間金屬擠入兩邊流向兩個前臂模膛，同時使桿部成形，預鍛模膛如圖2a所示，所成形的預鍛件如圖2b所示；終鍛是將預鍛件通過終鍛模膛成形為具有兩個直前臂的鍛件，這相當于一般模鍛生產(chǎn)的最后成形步驟；切邊是通過切邊模切除終鍛件周圍及叉形內(nèi)部的飛邊，切邊后的鍛件如圖3a上圖所示，切邊模的設(shè)計方法與沖壓工藝中沖裁模的設(shè)計方法相同；彎曲成形是將切邊后的鍛件長度較短的前臂在專用裝備上閉式彎曲成形，得到最終鍛件。如前所述，閉式彎曲工序是生產(chǎn)A 223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件最為關(guān)鍵的技術(shù)。

圖2 鐓粗、拔長、預鍛模膛及預鍛件Fig.2 Upsetting，stretching，preforging dies and preforging part

2 彎曲成形機理及工藝優(yōu)化研究

2.1 彎曲成形機理

彎曲成形分為自由彎曲成形和強制彎曲成形兩種，自由彎曲成形時在坯料的中線形成中性層，中性層以內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)變和壓應(yīng)力，中性層以外產(chǎn)生拉應(yīng)變和拉應(yīng)力［6-7］。本文研究的房車轉(zhuǎn)向節(jié)前臂彎曲是在模膛內(nèi)強制彎曲成形的，彎曲臂在彎曲前的初始狀態(tài)如圖3a實線所示，彎曲后的狀態(tài)如圖3a虛線所示。

圖3 前臂彎曲前后及其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)圖Fig.3 Forearm before and after bending and its stress and strain state diagram

如上所述，圖3所示彎曲成形是前臂在上下凹模對應(yīng)的模膛內(nèi)發(fā)生彎曲，前臂左端與法蘭相連，彎曲圓心緊靠法蘭，彎曲主要發(fā)生在垂直軸線的右邊，且完全是拉伸變形，相應(yīng)的應(yīng)力也為拉伸應(yīng)力，兩者的分布規(guī)律如圖3b所示；選擇Z軸為圓柱體的軸向坐標，則變形體內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)如圖3c所示，由圖3c可知，沿切向應(yīng)力為拉應(yīng)力σθ，沿軸向應(yīng)力σz和徑向應(yīng)力σρ均為壓應(yīng)力，其應(yīng)變的方向與應(yīng)力的方向相同。由分析可知，前臂彎曲成形的實質(zhì)是近似純拉伸成形，因此，以此為基礎(chǔ)，分析得到前臂彎曲前的形狀和尺寸的優(yōu)化設(shè)計方法。

2.2 優(yōu)化方法及步驟

（1）采用UG或PRO/E軟件對A223轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件進行三維實體造型，在計算出整個鍛件體積的同時，也分別計算出被彎曲的前臂及已成形的端部的體積Va、Vh，進而得到彎曲前桿部的體積Vb=Va-Vh。

（2）因彎曲成形是在模膛內(nèi)閉式完成，其特點是桿部寬度保持不變、高度減小、長度大幅延伸的近似于拉伸伸長成形，所以彎曲成形前的直桿（預彎桿）較彎曲成形后的桿部，其截面增大而長度縮短，為了預彎桿順利放入彎曲模膛，取預彎桿的寬度Bb=Bd-（1～1.5）mm，Bd為彎曲模膛寬度，即寬度Bb已知。因圓臺縱坐標至右端與法蘭盤相連接部分的高度與彎曲后對應(yīng)高度相等，右端高度與前端左邊高度相等，所以彎曲前的前臂桿部為寬度（Bb）、左端及右端橫截面的高度及體積（Vb）均已知的左高右低且底面為平面的梯形。設(shè)左右兩端高度分別為h1和h2，則彎曲前Vb=BbL（bh1+h2）/2，因 Vb已求出，Bb已知，故彎曲前桿長 Lb=2Vb/［B （bh1+h2）］，代入相應(yīng)數(shù)據(jù)求得 Lb=101.1 mm，彎曲后的桿長L1由零件圖上直接得出，為154.9 mm。其伸長量為ΔL=L1-Lb=53.8 mm，相應(yīng)的伸長變形程度為εF=（ΔL/Lb）×100%=53.2%。鍛件材料為42CrMo，彎曲時工件溫度為900～1 000℃，其允許最大變形程度［εF］≤80%。εF＜[εF]表明其彎曲工藝設(shè)計合理安全。

3 彎曲成形的熱力耦合有限元模擬驗證

成形過程的熱力耦合有限元數(shù)值模擬能夠?qū)に囋O(shè)計方案進行準確的驗證［8-9］。轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的彎曲成形過程模擬在DEFORM-3D軟件平臺上進行，以切邊后的終鍛件三維模型為毛坯，采用四面體網(wǎng)格劃分。模擬時的變形工況與試驗一致，毛坯初始溫度為960℃，模具溫度為20℃，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.7。上模運動速度為300 mm/s，行程為194 mm。模擬獲得的彎曲成形過程材料流動速度場、結(jié)束狀態(tài)時最大主應(yīng)力及損傷值分布狀態(tài)如圖4所示。

由圖4a和圖b可以看出，材料流動方向與彎曲方向完全一致。圖4c、圖4d分別為最大主應(yīng)力和損傷值的分布狀態(tài)，在DEFORM-3D軟件中的損傷模型為最大主應(yīng)力與等效應(yīng)力之比，即σ/-σ。

τmax這通常是判斷高合金鋼在變形程度較大時鍛件內(nèi)部是否產(chǎn)生微裂紋而采用的方法，本文則是用于判斷最大主應(yīng)力在等效應(yīng)力中所占的比例。由圖中最大損傷值可知：最大主應(yīng)力近似為等效應(yīng)力的90%，進一步驗證了其變形近似于純拉伸彎曲變形，且處于安全的變形范圍內(nèi)。不難看出，模擬結(jié)果與上述理論分析及計算結(jié)果完全吻合，進而表明所提優(yōu)化設(shè)計方法正確。

圖4 彎曲成形的模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of bending process

4 彎曲專用模具裝置研制

要實現(xiàn)A 223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)整體模鍛中的前臂彎曲成形需要研制兩類專用裝備，一種是專用壓力機即雙動液壓機［10-11］，另一種是在通用液壓機上使用的專用彎曲模具裝置。兩種裝備均要求具有相同的兩種功能，即首先將已切邊的鍛件桿部法蘭和長前臂壓緊校正，然后對短前臂彎曲成形。下面僅介紹具有突出創(chuàng)新的專用模具裝置的詳細情況。

4.1 基本結(jié)構(gòu)

圖5所示為提出的專用彎曲模具裝置，其基本結(jié)構(gòu)由模架、上凹模提升及壓緊機構(gòu)、凸凹模工作部分所組成。模架由下模板1、中模板10、上模板11和下導柱3、下壓環(huán)4、下導套5、上導套7、上導柱8及上壓環(huán)9等組成；下導套5與上導套7固定在中模板10上，下導柱3、上導柱8分別固定下模板1和上模板11上，四組導柱、導套分布在模板的四角；上凹模提升及壓緊機構(gòu)由四組法蘭筒14及拉桿15和四組活塞桿16及油缸17組成，其連接與固定方式如圖5所示；凸凹模工作部分由凸模12及凸模座13、上凹模6和下凹模2組成，凸模12與凸模座用兩個柱銷連接，凸模座固定在上模板11的凹坑中，上凹模6固定在中模板10下面，下凹模2固定在下模板1上；此外，還有頂桿19。該裝置安裝在通用液壓機上使用。

圖5 專用彎曲模具裝置Fig.5 Special die device for bending

4.2 工作過程及原理

第一步：操作液壓機使滑塊帶動上模板及固定在上模板上的所有零件向上運動，當上行至法蘭筒的底部同拉桿的圓柱頭部接觸時，帶動中模板及固定在其上的所有零件一起上行至上限位置；同時，隨著活塞桿上行，將低壓油吸入油缸下腔。第二步：將已切邊的鍛件放入下凹模中。第三步：操作液壓機滑塊及與其固定及連接在一起的所有零件向下運動，當下行至上凹模與下凹模相碰時，中模板及與其固定與連接在一起的零件均處于靜止狀態(tài)，隨著滑塊繼續(xù)下行，活塞桿壓縮油缸下腔的油液，由高壓液流閥（未畫出）產(chǎn)生的油壓通過上凹模將鍛件的桿部、法蘭及長前臂壓緊，同時凸模迫使短前臂向下彎曲成形并同時對桿部法蘭和直長臂進行校正。第四步：校正彎曲成形結(jié)束時，滑塊帶動上模板及其固定在上面的所有零件一起向上回程，回程過程與第一步相同，在回程的同時，下頂出器通過頂桿19將鍛件從下凹模中頂出，一個工作循環(huán)結(jié)束。

4.3 設(shè)計要點

其一，凸模的彎曲工作行程S根據(jù)彎曲工藝確定，法蘭筒活塞桿相對于拉桿、油缸的行程S'≥S；其二，采用塑性成形理論公式或有限元模擬計算方法求出凸模的彎曲力Pb，則合模壓緊力Pc≥Pb；其三，四個油缸各自的內(nèi)徑按d=來確定，單位壓力p為所選擇高壓液流閥的允許壓力；其四，配套液壓機的噸位Pg≥ (Pc+Pb)≥ 2Pb。

4.4 結(jié)構(gòu)及性能特點

其一，通過高壓溢流閥閉壓排油，既可保持上下凹模的合模壓緊力大小不變，確保彎曲成形過程的穩(wěn)定性，又可通高壓溢流閥調(diào)節(jié)合模壓緊力的大小，同時依靠真空吸油，不用高壓泵供油，節(jié)約了液壓驅(qū)動系統(tǒng)運行成本；其二，將導向裝置設(shè)計成上下導柱的形式同時對固定在中模板上的上下導套導向，避免了單一導柱過長易彎曲變形與加工及安裝精度不易保證的問題；其三，制造費用低，僅為專用設(shè)備的1/12～1/10。按照圖5所示基本結(jié)構(gòu)及原理研制出的專用模具裝置如圖6所示。

圖6 專用彎曲模具裝置照片F(xiàn)ig.6 Photo of bending die device

5 工藝試驗及生產(chǎn)應(yīng)用

鍛件材料為42CrMo，坯料尺寸為?125 mm×458 mm，采用中頻感應(yīng)加熱爐、5 t模鍛錘、10 t模鍛錘、800 t曲柄壓力和630 t四立柱通用液壓機為試驗和小批量生產(chǎn)設(shè)備，將制坯及預鍛模、終鍛模、沖模及圖6所示彎曲專用模具裝置分別安裝在對應(yīng)的設(shè)備上，試驗完全按照前述工藝流程進行，試驗中采用水基石墨潤滑劑進行噴霧式潤滑。試驗所得A 223房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件并經(jīng)初步機加工的產(chǎn)品如圖7所示。

試驗鍛件經(jīng)光學快速精密測量完全達到美國用戶的技術(shù)標準，已經(jīng)進行了小批量生產(chǎn)供用戶使用。目前正在設(shè)計并建立中頻感應(yīng)加熱爐→輥鍛機制坯→1 600 t數(shù)控電動螺旋壓力機預鍛→2 500 t數(shù)控電動螺旋壓力機終鍛→800 t曲柄壓力機切邊→630 t液壓機校正及彎曲成形、采用機器人操作的全自動化生產(chǎn)線，將實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，以滿足國內(nèi)外迅速增長的市場需求。

圖7 A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)樣件Fig.7 A223 steering knuckle

采用整體模鍛技術(shù)生產(chǎn)A 223房車轉(zhuǎn)向節(jié)，同分體制造相比：材料利用率由約45%提高到70%以上，節(jié)約加熱能耗35%以上，生產(chǎn)效率提高4～5倍；采用分體式螺栓連接的方式，連接強度為800 MPa左右，整體鍛造產(chǎn)品的抗拉強度達到924～1 122 MPa；整體鍛造不僅取消了連接螺栓，同時轉(zhuǎn)向節(jié)臂部分的結(jié)構(gòu)得到了簡化，單件產(chǎn)品質(zhì)量減小10%以上。

6 結(jié)論

針對A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點，所研發(fā)的整體模鍛技術(shù)及模具裝置同現(xiàn)有的分體制造技術(shù)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件比較，具有節(jié)材、節(jié)能、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量突出的優(yōu)點，這對具有彎曲前臂轉(zhuǎn)向節(jié)的整體模鍛具有推廣應(yīng)用價值。正在建立的全自動化生產(chǎn)線可為房車轉(zhuǎn)向節(jié)這類復雜枝叉類零件整體模鍛批量生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。