徐 萍

(十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,湖北十堰442000)

斜頂料立式擠壓在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造中的應(yīng)用

徐 萍

(十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,湖北十堰442000)

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)為典型的復(fù)雜叉形鍛件,其常規(guī)開(kāi)式模鍛工藝金屬消耗大、材料利用率低,制坯復(fù)雜。本文介紹了一種在熱模鍛壓機(jī)上采用斜頂料立式擠壓預(yù)成形與開(kāi)式模鍛相結(jié)合的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù),可以大大提高鍛件材料利用率及節(jié)約機(jī)加工量。

少飛邊鍛造;立式擠壓;汽車轉(zhuǎn)向節(jié);斜頂料

0 引言

在曲柄鍛壓機(jī)的閉式鍛模中用立式擠壓方法制造汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件,正大量地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,它能降低產(chǎn)品制造成本,減少原材料消耗達(dá)12％-18％以上。隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,汽車性能不斷提高,汽車零部件中對(duì)高精度、形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來(lái)越大,鍛造新工藝、省材節(jié)能工藝等的開(kāi)發(fā)對(duì)于新型汽車零件的生產(chǎn)尤為重要。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵零件,它既支撐車體重量,又傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動(dòng)力矩,因此對(duì)其機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格,是汽車上的重要安全零件之一[1]。探索該類鍛件的合理鍛造方法對(duì)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文介紹了一種在熱模鍛壓機(jī)上采用斜頂料立式擠壓預(yù)成形與開(kāi)式模鍛相結(jié)合的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù)。

1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的產(chǎn)品特點(diǎn)及傳統(tǒng)工藝

汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件由三部分組成:桿部、法蘭和兩叉子,其特點(diǎn)是桿部細(xì)長(zhǎng),法蘭較大且有時(shí)為異型面,兩叉子與桿部中心線偏轉(zhuǎn)一小角度α且形狀復(fù)雜,為典型的復(fù)雜叉形件。常規(guī)的開(kāi)式模鍛工藝過(guò)程為制坯、預(yù)鍛、終鍛,因桿部與法蘭、叉子部的截面面積相差太大,整體壓扁后翻轉(zhuǎn)90度局部壓扁的常規(guī)叉形件制坯方法無(wú)法滿足其要求,需在此基礎(chǔ)上增加一次鐓擠以加大法蘭和叉部的坯料截面積(見(jiàn)圖1),即便如此,在桿部與法蘭交接處還存在著較大飛邊,并沿桿部逐漸減小,直到尾部才達(dá)到正常寬度;預(yù)鍛需將原位于叉口部的金屬劈開(kāi),使之流向兩側(cè)叉子型腔,此時(shí)金屬必然會(huì)沿叉口前方激烈流動(dòng),形成較大的飛邊。盡管在相應(yīng)部位設(shè)計(jì)了阻力筋以增大金屬的流失阻力,但總的工藝方案決定了其飛邊消耗是很大的。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的傳統(tǒng)工藝

2 汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的閉式鍛造工藝

國(guó)內(nèi)對(duì)閉式鍛造、擠壓工藝的研究主要集中在鍛件的最終成形方面,如傘齒精鍛、十字軸、萬(wàn)向節(jié)叉的熱擠壓等,一般要求采用精密下料和少無(wú)氧化加熱等相關(guān)工藝,局限于簡(jiǎn)單形狀鍛件的成形。本文介紹的轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù)可在現(xiàn)有的開(kāi)式模鍛的工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn),主要原理是:改傳統(tǒng)工藝以鍛件中心平面為分模面的水平分模方式為與桿部垂直、以法蘭中心平面為基礎(chǔ)、兼顧兩側(cè)叉子型腔的垂直分模方式,以便在預(yù)鍛采用半封閉式鍛造技術(shù),正擠出桿部和反擠出兩側(cè)叉子,預(yù)成形鍛件形狀,然后終鍛成形鍛件并排出多余金屬。因預(yù)鍛是利用半封閉型腔對(duì)金屬的限制作用,迫使金屬在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下流向型腔深處,可大幅度減少飛邊金屬消耗,預(yù)鍛飛邊面積可簡(jiǎn)單認(rèn)為是擠壓筒面積減除鍛件在分模面上的本體面積。

3 工藝及工裝設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件成型的關(guān)鍵在于如何保證金屬材料的合理分配及型腔的充滿。鍛模設(shè)計(jì)上應(yīng)充分考慮型腔的金屬流動(dòng)和原材料的預(yù)分配[2]。在工藝上要考慮坯料的放置位置,鍛造的方向。下面將以某種汽車轉(zhuǎn)向節(jié)(如圖3所示)的成形工藝為例來(lái)介紹這三方面的內(nèi)容。

在預(yù)成形時(shí)采用了半閉式鍛造技術(shù),但不需完全充滿,故沒(méi)有必要采用精密下料工藝、嚴(yán)格控制下料重量,普通剪切下料即可達(dá)到要求。其工藝過(guò)程和模具結(jié)構(gòu)與開(kāi)式模鍛的相同,可利用已有的鍛壓機(jī)組和模架。

3.1 鍛造方向的選擇

如果按傳統(tǒng)的立式擠壓方法,即鍛造加壓方向與轉(zhuǎn)向節(jié)的桿部軸線相同,在轉(zhuǎn)向節(jié)的左側(cè)叉子內(nèi)側(cè)必須增加鍛造余塊,否則鍛件無(wú)法脫模,這不僅浪費(fèi)了大量的金屬材料,而且大大增加了機(jī)加工量。因此在此轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造中,將鍛件轉(zhuǎn)動(dòng),使鍛造方向與桿部軸線成6.5°(見(jiàn)圖4),在鍛造過(guò)程中,使鍛件上半部先脫出模腔,再用特殊設(shè)計(jì)的頂桿(見(jiàn)圖4)將壓力機(jī)向上的頂出力轉(zhuǎn)化成桿部軸線方向的頂出力,使鍛件順利出模。

3.2 導(dǎo)面設(shè)計(jì)

由工藝方案可知分模面必須垂直于桿部且通過(guò)法蘭中心平面,但鍛件形狀決定了其分模面必須為曲面,我們稱之為導(dǎo)面。除滿足分模面常規(guī)設(shè)計(jì)的要求外,還得注意以下幾個(gè)問(wèn)題:(1)閉式鍛造預(yù)成形時(shí),凸模外形受擠壓筒形狀限制,其上的兩叉子型腔強(qiáng)度問(wèn)題突出,導(dǎo)面在兩側(cè)叉子部必須從法蘭中心平面向上抬起一定高度,以減小凸模上叉子型腔深度。(2)導(dǎo)面中所有斜面與鉛垂面的夾角不得小于15度,否則會(huì)導(dǎo)致切邊拉毛刺問(wèn)題。(3)導(dǎo)面各拐角處的圓角半徑為 R10左右,不宜過(guò)小,防止導(dǎo)面磨損及折紋產(chǎn)生。

3.3 制坯形狀設(shè)計(jì)

預(yù)成形時(shí),開(kāi)始金屬自由地向四周流動(dòng),但當(dāng)凸模下行到一定位置后,形成叉口的突出塊與凹模將金屬分為三個(gè)變形區(qū),分別流向桿部和兩側(cè)叉子。制坯形狀設(shè)計(jì)的主要依據(jù)就是這三個(gè)變形區(qū)所需金屬的體積和兩分流面的位置,原則上要保證這三個(gè)變形區(qū)同時(shí)充滿。

設(shè)計(jì)時(shí)還得考慮凸模開(kāi)始下壓、金屬自由流動(dòng)階段由中心向兩側(cè)叉子部的流動(dòng)量,適當(dāng)加大正擠桿部的金屬體積;考慮坯料在擠壓凹模內(nèi)的擺放問(wèn)題。制坯方式一般用壓擠或成形鐓粗,使坯料成紡錘形,因而必須符合相應(yīng)的限制條件。坯料的最大外徑應(yīng)小于法蘭最大寬度,防止金屬大量流入擠壓筒側(cè)壁或回流到鍛件本體形成折紋。

3.4 半閉式鍛造預(yù)成形模設(shè)計(jì)

圖4 轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛模具圖

該技術(shù)的難點(diǎn)就在于立式擠壓預(yù)成形模具的設(shè)計(jì),包括兩方面的內(nèi)容:一是型腔設(shè)計(jì),二是擠壓筒設(shè)計(jì)。

型腔設(shè)計(jì)的原則是對(duì)終鍛型腔進(jìn)行簡(jiǎn)化,以減小金屬的填充阻力。如取消桿部各臺(tái)階,簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)成一帶錐度的光桿,并盡量使桿的尾部終鍛時(shí)以剛性平移的方式充滿,其模鍛斜度為1～3度,過(guò)小鍛件難以出模,過(guò)大則加大了正擠桿部的流動(dòng)阻力;桿部與法蘭連接處設(shè)計(jì)一正擠變形區(qū),即“漏斗”,以便桿部的正擠成形,其大徑略大于中間分流帶寬度,角度在90°～150°之間,盡量取小值,但正擠變形區(qū)不宜太長(zhǎng);叉子和法蘭的預(yù)鍛設(shè)計(jì)可用普通的設(shè)計(jì)方法,即側(cè)向留0.5mm間隙,高度方向較終鍛加大2～5mm(見(jiàn)圖2)。為防止在預(yù)鍛型腔深處產(chǎn)生高壓氣倉(cāng),兩叉子型腔頂部均開(kāi)有排氣孔,桿部則在下模頂料桿上開(kāi)出四道深2.0mm的排氣槽。

為保證終鍛有足夠金屬進(jìn)一步填充型腔深處,除增加預(yù)鍛件厚度外,該工藝還在預(yù)鍛件的叉口部位預(yù)留有一定的金屬,這部分金屬位于鍛件的中心位置,受壓時(shí)易于向兩叉子和桿部補(bǔ)充金屬且不易流向飛邊。其高度約 10～20mm,寬度 20～30mm,坡度為60°,各拐角處均以較大的圓角過(guò)渡,圓角半徑一般不小于R15(見(jiàn)圖2),防止產(chǎn)生折紋。

擠壓筒設(shè)計(jì)又包括三方面的內(nèi)容:擠壓筒平面形狀設(shè)計(jì),高度及凸凹模側(cè)向間隙的確定。

根據(jù)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的一般形狀,常用長(zhǎng)方形擠壓筒,四周以較大的圓弧連接,有時(shí)簡(jiǎn)化為扁圓形,其長(zhǎng)寬設(shè)計(jì)在于擠壓筒壁到型腔邊緣最小距離的確定,一般不小于20mm,主要考慮的是凸模上的型腔強(qiáng)度,即保證其最小壁厚與型槽深度比大于1.0;其次是使預(yù)成形時(shí)產(chǎn)生一定的飛邊橋部阻力,避免金屬過(guò)早流至凹模擠壓筒壁,擠入凸凹模側(cè)向間隙形成較大的垂直毛刺并將上下模抱死,擠壓筒內(nèi)上下模分模面間隙和開(kāi)式模鍛的飛邊橋部高度相同。

擠壓筒高度以能適時(shí)封閉金屬為宜,有人認(rèn)為凸模要在金屬開(kāi)始變形時(shí)就進(jìn)入凹模內(nèi),這樣必然需較高的擠壓筒,削弱了凸模強(qiáng)度,給工裝設(shè)計(jì)、制造造成困難并浪費(fèi)了模具材料。實(shí)事上可在上述基礎(chǔ)上減小一半左右,達(dá)到40～60mm即可,這樣可大大緩和凸模強(qiáng)度問(wèn)題。

凸凹模側(cè)向單邊間隙為0.5mm左右,包括四周圓弧均應(yīng)達(dá)到這一要求,以防止金屬注入間隙。為便于凸模順利進(jìn)入凹模,應(yīng)在凹?？诓?0～15mm范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出15°的導(dǎo)入角,且凹?？诓咳≥^大的圓弧連接;但為增加金屬流入側(cè)壁間隙的阻力,凸模邊緣取較小的圓角。擠壓筒壁一般為直壁,最大傾角不大于3°。

4 結(jié)束語(yǔ)

用斜頂料立式擠壓進(jìn)行汽車轉(zhuǎn)向節(jié)少飛邊鍛造技術(shù)已成功地應(yīng)用于某轉(zhuǎn)向節(jié)的生產(chǎn),該技術(shù)具有以下特點(diǎn):(1)可大幅度減少飛邊金屬消耗,提高材料利用率;(2)可鍛出常規(guī)工藝無(wú)法鍛出的法蘭面凸臺(tái);(3)擠壓筒水平投影面積較原水平分模的鍛件水平投影面積(包括飛邊橋部)小得多,可選用噸位較小的設(shè)備;(4)可在現(xiàn)有開(kāi)式模鍛的設(shè)備、工裝結(jié)構(gòu)、下料及加熱方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。

[1]鄭玉春.40Cr汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造余熱淬火工藝研究[J].熱加工工藝,2004(3):47.

[2]單麗梅.卡車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝與模具設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè),2008(1):51.

Application of Standing Extrusion Technology with Slanting Ejector in Automobile Knuckle Forging

XU Ping
(Dep t.of Mechanics&Electronics Eng.,Shiyan Technical Institute,Shiyan 442000,China)

When conventionalopen-die-forging is app lied to automotive steering knuckle as usual,themetalmaterial utilization is high w hile its efficiency low,and the perfo rming step is comp licated because of its typical complex fo rk forging.This paper p resents a hot-die-fo rging p rocess w ith small flash,w hich uses slanting ejecto r and standing extrusion combined w ith the open-die-fo rging technology,so the utilization of materials is greatly imp roved and machining is less needed.

fo rging w ith small flash;standing extrusion;automotive steering knuckle;slanting ejector

TG31

A

1008-4738(2010)03-0110-03

2010-05-08

徐 萍(1973-),女,十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系講師,碩士,研究方向:機(jī)械制造,液壓傳動(dòng)。