文／夏巨諶，鄧?yán)?，金俊松·華中科技大學(xué)

張運(yùn)軍，甘萬兵，陳天賦，余國林·湖北三環(huán)鍛造有限公司

房車轉(zhuǎn)向節(jié)是自駕旅游用車的核心零部件，輪廊尺寸大，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。針對目前采用分體制造存在的諸多問題，提出了整體模鍛成形的工藝方案，并對其關(guān)鍵工序彎曲成形工藝進(jìn)行了優(yōu)化與專用模具裝置開發(fā)。結(jié)果表明，所提方案合理先進(jìn)，實現(xiàn)了以整體模鍛取代分體制造，所生產(chǎn)的房車轉(zhuǎn)向節(jié)滿足了美國客戶的技術(shù)要求。

引言房車是集交通、餐飲和住宿于一體的專用汽車。近年來，自駕旅游在美國和歐洲等發(fā)達(dá)國家發(fā)展迅速，近兩年來我國人民因改革開放生活水平大幅提高，節(jié)假日和雙休日私家車車主和親朋好友自駕游發(fā)展迅猛，對房車的需求不斷增長，由此，帶動了房車制造所需一些關(guān)鍵零部件的發(fā)展。

三環(huán)鍛造有限公司是汽車轉(zhuǎn)向節(jié)專業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)各種汽車轉(zhuǎn)向節(jié)系列產(chǎn)品1000多種，200萬件，超過100萬噸，除國內(nèi)東風(fēng)、一汽外，國外客戶有戴姆勒奔馳公司、荷蘭DAF公司、印度塔塔和利蘭公司、美國TRP等公司，國際業(yè)務(wù)已占公司銷售總額的25%以上。因產(chǎn)品質(zhì)量好，供貨準(zhǔn)時，可滿足客戶特殊要求，因此，2016年，美國某知名公司要求為其生產(chǎn)房車A223型轉(zhuǎn)向節(jié)，并主動提供了研發(fā)費(fèi)用。

房車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

常用汽車轉(zhuǎn)向節(jié)和房車A223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件如圖1所示。A223型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件二維圖如圖2所示。其鍛件的復(fù)雜系數(shù)為S=V鍛/V包=0.075≤0.16，這表示該型轉(zhuǎn)向節(jié)為最復(fù)雜的枝杈類鍛件。它與常用載重車的轉(zhuǎn)向節(jié)的最大差別就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。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)

圖2 A223型房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件二維圖

圖3 鐓粗、拔長、預(yù)鍛模膛及預(yù)鍛件

目前，這種房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的生產(chǎn)，國內(nèi)尚為空白，現(xiàn)有工藝是將前臂與桿部和法蘭分開鍛造經(jīng)機(jī)加工后采用螺栓連接為一體。不難看出，分體制造存在的突出問題是，不僅材料利用率低，加熱能耗高，生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品性能差，而且很難實現(xiàn)輕量化。

房車轉(zhuǎn)向節(jié)整體模鍛工藝簡介

公司接到訂單后，立即同華中科技大學(xué)夏巨諶教授及其課題組合作進(jìn)行研發(fā)，針對房車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及分體制造存在的諸多問題。經(jīng)過分析并參考公司生產(chǎn)異形轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的經(jīng)驗，制定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(yù)鍛→終鍛→切邊→（加熱）→彎曲及校正。

第一次制坯局部鐓粗是采用閉式鐓粗工藝，對坯料上對應(yīng)于轉(zhuǎn)向節(jié)法蘭盤的位置將其局部鐓粗，其中間局部鐓粗及鐓粗模具如圖3(a）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出的工件，對應(yīng)于轉(zhuǎn)向節(jié)桿部的一段進(jìn)行拔長，如圖3(a）中A-A局部剖視圖所示；預(yù)鍛是將經(jīng)過兩道制坯的工件在預(yù)鍛模膛中成形為將彎曲前臂沿軸線伸直成與直線長臂平行的叉形件，預(yù)鍛模膛如圖3(a）中間俯視圖所示，所成形的預(yù)鍛件如圖3(a）所示；終鍛是將預(yù)鍛件通過終鍛模膛成形為具有兩個直前臂的鍛件，這相當(dāng)于一般模鍛生產(chǎn)的最后成形；切邊后的鍛件如圖4(a）實線所示。彎曲成形是將切邊后的鍛件長度較短的前臂在專用裝置上彎曲成形，得到最終鍛件。

彎曲成形機(jī)理及工藝優(yōu)化研究

彎曲成形機(jī)理：彎曲成形分為自由彎曲成形和強(qiáng)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。本文研究的房車轉(zhuǎn)向節(jié)前臂彎曲是在模膛內(nèi)強(qiáng)制彎曲成形，彎曲臂在彎曲前的初始狀態(tài)如圖4(a）實線所示，彎曲后的狀態(tài)如圖4(a）虛線所示。

如上所述，圖4所示彎曲是前臂在上、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，即自前臂的下面至上面均為拉伸變形，相應(yīng)的應(yīng)力也為拉伸應(yīng)力，兩者的分布規(guī)律如圖4(b）所示；選擇Z軸為圓柱體的軸向坐標(biāo)，則變形體內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)如圖4(c）所示，由圖可知，沿切向為拉應(yīng)力σθ，沿軸向σz和徑向σρ均為壓應(yīng)力；其應(yīng)變的方向與應(yīng)力的方向相同。

圖4 前臂彎曲前后及其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)圖

由上面的分析可知，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。

優(yōu)化方法及步驟：

⑴采用UG或PRO/E軟件對A223轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件進(jìn)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V臂、V端，進(jìn)而得到彎曲前桿部的體積V桿=V臂-V端；

⑵因彎曲成形是在模膛內(nèi)閉式彎曲成形，其特點(diǎn)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(yù)彎桿）較彎曲成形后的桿部其截面增大而長度縮短，為了預(yù)彎桿順利放入彎曲模膛，取預(yù)彎桿的寬度B桿=B彎-(1～1.5）mm，B彎為彎曲模膛寬度，即寬度B桿已知，因圓臺縱坐標(biāo)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（B桿）、左端及右端橫截面的高度及體積（V桿）均已知的左高右低且底面為平面的梯形，進(jìn)而可求出預(yù)彎桿部的長度L桿。至此，可得到預(yù)彎桿部的形狀及主要尺寸，如圖2(a）實線圖形及標(biāo)注所示。

由鍛件工步圖（未示出）上的標(biāo)注可知，前臂桿部彎曲前、后的長度分別為l0=101.1mm、l1=154.9mm，其伸長量為Δl=l1-l0=53.8mm，相應(yīng)的伸長變形程度為εF=(Δl/l0）×100%=53.2%。鍛件材料為42CrMo，彎曲時工件溫度為900～1000℃，其允許最大變形程度[εF]≤80%～85%。由εF＜[εF]表明，其彎曲工藝設(shè)計合理安全。

彎曲專用模具裝置研制

基本結(jié)構(gòu)：圖5所示為筆者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(jī)構(gòu)、凸凹模工作部分所組成。模架由下模板、中模板、上模板和下導(dǎo)柱、下壓環(huán)、下導(dǎo)套、上導(dǎo)套、上導(dǎo)柱及上壓環(huán)等組成；下導(dǎo)套與上導(dǎo)套固定在中模板上，下導(dǎo)柱、上導(dǎo)柱分別固定在下模板和上模板上，四組導(dǎo)柱、導(dǎo)套分布在模板的四角；上凹模提升及壓緊機(jī)構(gòu)由四組法蘭筒及拉桿和四組活塞桿及油缸組成，其連接與固定方式如圖5所示；凸凹模工作部分由凸模及凸模座、上凹模和下凹模組成，凸模與凸模座用兩個柱銷連接，凸模座固定在上模板的凹坑中，上凹模固定在中模板下面，下凹模固定下模板上；此外，還有頂桿。該裝置安裝在通用液壓機(jī)上使用。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照片如圖6所示。

工作過程及原理：

⑴操作液壓機(jī)使滑塊帶動上模板及固定在上模板上的所有零件上行，當(dāng)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；

圖5 專用彎曲模具裝置

圖6 專用彎曲模具裝置照片

⑵將已切邊的鍛件放入下凹模中；

⑶操作液壓機(jī)滑塊及與其固定及連接在一起的所有零件下行，當(dāng)下行至上凹模與下凹模相碰時，中模板及其固定與連接在一起的零件均處于靜止?fàn)顟B(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(jìn)行校正；

⑷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，下頂出器通過頂桿將鍛件從下凹模中頂出，一個工作循環(huán)結(jié)束。

工藝試驗及生產(chǎn)應(yīng)用

鍛件材料為42CrMo，坯料尺寸為φ125mm×458 mm，采用公司現(xiàn)有的中頻感應(yīng)加熱爐、5t模鍛錘、10t模鍛錘、800t曲柄壓力機(jī)和630t四立柱通用液壓機(jī)為試驗和小批量生產(chǎn)設(shè)備，將制坯及預(yù)鍛模、終鍛模、沖模及圖5所示彎曲專用模具裝置分別安裝在對應(yīng)的設(shè)備上使用。試驗完全按照前述工藝流程進(jìn)行，試驗中采用水基石墨潤滑劑進(jìn)行噴霧式潤滑，試驗所得A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件并經(jīng)初步機(jī)加工的產(chǎn)品如圖1(b）所示，達(dá)到了美國客戶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，并已開始小批量供貨。

所試驗出的鍛件經(jīng)光學(xué)快速精密測量完全達(dá)到美國用戶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)進(jìn)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(jī)制坯→1600t數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)預(yù)鍛→2500t數(shù)控電動螺旋壓力機(jī)終鍛→800t曲柄壓力機(jī)切邊→630t液壓機(jī)校正及彎曲成形，采用機(jī)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。

采用整體模鍛技術(shù)生產(chǎn)A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)同分體制造然后采用螺栓連接為一體的技術(shù)生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)比較：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，產(chǎn)品力學(xué)性能大為提高。

結(jié)論

⑴針對A223房車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所研發(fā)的整體模鍛關(guān)鍵技術(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)量的突出優(yōu)點(diǎn)，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。

⑵正在建立的全自動化生產(chǎn)線，為房車轉(zhuǎn)向節(jié)這類復(fù)雜枝杈類零件整體模鍛批量生產(chǎn)奠定了堅實基礎(chǔ)。