余國(guó)林，夏巨諶，孔德瑜，張運(yùn)軍，陳天賦，鄧 磊，馮 儀，余 俊，夏自力

（1.湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441700；2.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.武漢新威奇科技有限公司，湖北 鄂州 436070）

0 引言

轉(zhuǎn)向節(jié)是車輛轉(zhuǎn)向部件的重要組成零件，圖1所示為中重型載重車轉(zhuǎn)向部件結(jié)構(gòu)，由前軸、轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向臂以及左、右轉(zhuǎn)向拉桿臂組成，通過(guò)螺栓連接為一體，其中轉(zhuǎn)向節(jié)的作用是帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向，同時(shí)支撐車身及將車身內(nèi)的載荷傳遞到前輪，并將車身后橋即主動(dòng)橋傳來(lái)的推力傳遞給前輪，當(dāng)制動(dòng)時(shí)還要承受制動(dòng)力和制動(dòng)力矩[1]。因涉及司機(jī)、貨物的安全，轉(zhuǎn)向節(jié)被視為核心保安件，因此一般采用鍛件制造[2]。144 型轉(zhuǎn)向節(jié)安裝于“戴姆勒”等國(guó)外客戶生產(chǎn)的中重型載重車上，嚴(yán)苛的使用環(huán)境對(duì)鍛件質(zhì)量，特別是承受剪切、彎曲和沖擊載荷反復(fù)作用的階梯軸桿部的技術(shù)性能指標(biāo)要求較高，要求延伸率A≥12.5%，且斷面收縮率Z≥50%。

圖1 中重型載重車轉(zhuǎn)向部件結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)外主要的中重型載重車轉(zhuǎn)向節(jié)有鼓式轉(zhuǎn)向節(jié)、帶臂轉(zhuǎn)向節(jié)和盤式轉(zhuǎn)向節(jié)3種，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分別如圖2～圖4 所示。3 種轉(zhuǎn)向節(jié)自頂端至底端均由左右兩耳、橫向法蘭與階梯軸桿所構(gòu)成。其不同之處在于：鼓式轉(zhuǎn)向節(jié)是3 種轉(zhuǎn)向節(jié)中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，也是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；帶臂轉(zhuǎn)向節(jié)的法蘭部分較小，2 個(gè)懸臂自法蘭側(cè)面向外伸展，結(jié)構(gòu)緊湊；盤式轉(zhuǎn)向節(jié)橫向法蘭水平投影呈“腳掌”形，從承載的角度考慮，帶有仿生學(xué)的設(shè)計(jì)觀念（144 型轉(zhuǎn)向節(jié)屬于盤式轉(zhuǎn)向節(jié)）。

圖2 鼓式轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件

圖3 帶臂轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件

圖4 盤式轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件（以144型為例）

轉(zhuǎn)向節(jié)沿軸向截面尺寸變化大，屬于長(zhǎng)軸線型軸盤類零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其成形時(shí)面臨金屬劇烈流動(dòng)而型腔深處難充型的問(wèn)題，加大了轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)成形工序的制坯難度。潘成海等[3]針對(duì)局部具有負(fù)拔模角的鼓式轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)了先“鐓粗-壓扁”制坯，再臥式“預(yù)鍛-終鍛”成形的工藝，較傳統(tǒng)的“壓扁-立式劈爪”制坯工藝更加穩(wěn)定可控，便于自動(dòng)化生產(chǎn)。王峰等[4]針對(duì)現(xiàn)有某輕卡轉(zhuǎn)向節(jié)成形過(guò)程可能出現(xiàn)的充不滿、折疊等缺陷，提出了“輥鍛制坯-鐓粗-壓扁”制坯，再臥式“預(yù)鍛-終鍛”的工藝，鍛件形狀良好，材料利用率由74.4%提高到83.2%。徐皓等[5]針對(duì)具有較大法蘭盤且左右兩耳間距大的轎車用轉(zhuǎn)向節(jié)，首先使用“鐓粗-兩次拔長(zhǎng)-預(yù)成形”的工藝制坯，隨后以熱擠壓完成預(yù)鍛，以立式終鍛成形工件，鍛件材料利用率達(dá)到了78.2%，比同類轉(zhuǎn)向節(jié)的材料利用率高出8.2%。張運(yùn)軍等[6]研發(fā)的A161 盤式轉(zhuǎn)向節(jié)的半閉式小飛邊“預(yù)鍛-終鍛”成形方案，材料利用率提升到88%，并提高了鍛件的延伸率等性能。夏巨諶等[7]針對(duì)帶臂轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)了水平可分凹模，配合“壓扁制坯-小飛邊半閉式水平正反向擠壓預(yù)鍛-切邊-水平可分凹模閉式側(cè)向擠壓成形”工藝實(shí)現(xiàn)了一火次一體式精鍛成形，與傳統(tǒng)分體鍛造相比，單件減輕質(zhì)量5 kg，節(jié)能節(jié)材，提高了生產(chǎn)效率。

從上述文獻(xiàn)可以看出，目前的研究工作主要關(guān)注如何提高鍛件的材料利用率，在鍛件力學(xué)性能方面則主要關(guān)注延伸率等指標(biāo)，而144 轉(zhuǎn)向節(jié)要保證良好的斷面收縮率指標(biāo)，這對(duì)鍛造技術(shù)提出了更高要求。以下在分析常規(guī)閉式鍛造工藝出現(xiàn)的問(wèn)題的基礎(chǔ)上，提出了預(yù)鍛件優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和平面薄飛邊精鍛終成形方法，獲得了同時(shí)滿足延伸率和斷面收縮率要求的高性能144轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件。

1 傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件出現(xiàn)的問(wèn)題及其原因

一般預(yù)鍛件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可歸納為3 點(diǎn)[8-10]：①設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件的水平投影外輪廓與終鍛件的水平投影外輪廓相似；②若外輪廓上有2 個(gè)以上的小圓角半徑構(gòu)成帶突變形狀的輪廓，則應(yīng)采用半徑較大的圓角半徑R進(jìn)行圓滑處理；③設(shè)計(jì)的預(yù)鍛件外輪廓尺寸較終鍛件對(duì)應(yīng)尺寸減小4～6 mm，減小幅度根據(jù)尺寸大小而定，其作用是使預(yù)鍛件能準(zhǔn)確放入終鍛模膛，成形順利，且有利于延長(zhǎng)終鍛模膛的使用壽命。按照傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的144 型轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛件，在終鍛時(shí)，終鍛上模隨壓力機(jī)滑塊下行至與預(yù)鍛件頭部接觸后開始施加壓力。隨著凸模繼續(xù)下行，上模中間凸臺(tái)使預(yù)鍛件桿部產(chǎn)生正向擠壓成形，上模左、右法蘭使預(yù)鍛件左、右法蘭在產(chǎn)生鐓粗壓縮變形的同時(shí)，左右兩耳產(chǎn)生反向擠壓成形。當(dāng)上、下模分模面貼合，整個(gè)終鍛模膛完全充滿時(shí)，多余金屬擠入飛邊槽，終鍛結(jié)束，這是終鍛成形的基本過(guò)程和規(guī)律。

通過(guò)預(yù)鍛和終鍛2個(gè)鍛件結(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)也可以看出，鍛件右耳及右法蘭至桿部右邊過(guò)渡處的距離短且橫截面積大，因此，鍛件頭部右邊的金屬流入桿部右邊順暢，即上下流動(dòng)協(xié)調(diào)性好；鍛件左耳及左法蘭至桿部左邊過(guò)渡處為復(fù)雜曲線形，距離長(zhǎng)且橫截面積小，頭部左邊的金屬流入桿部左邊時(shí)，流動(dòng)阻力急劇增大而流動(dòng)困難導(dǎo)致協(xié)調(diào)性差。同時(shí)，因鍛件右邊耳部、法蘭及桿部從上到下的金屬流動(dòng)協(xié)調(diào)性好，而左邊從上到下的協(xié)調(diào)性差，導(dǎo)致以桿部軸線為對(duì)稱軸，左、右兩邊流動(dòng)的對(duì)稱性差。因右邊流動(dòng)快而左邊流動(dòng)慢，右邊金屬對(duì)左邊金屬產(chǎn)生附加的拉應(yīng)力。在拉應(yīng)力作用下，過(guò)渡處金屬內(nèi)部組織會(huì)出現(xiàn)損傷，所產(chǎn)生的內(nèi)部損傷隨著金屬向下流動(dòng)而保留到左邊桿內(nèi)，且因在桿部下端未同桿部模膛底部接觸前，其上段仍處于拉應(yīng)力狀態(tài)，因此，原有的損傷將進(jìn)一步增大；此外，因左、右兩邊金屬流動(dòng)的對(duì)稱性差，會(huì)導(dǎo)致軸對(duì)稱面上產(chǎn)生附加剪切應(yīng)力，增大了對(duì)內(nèi)部損傷的影響。

2 預(yù)鍛件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)該轉(zhuǎn)向節(jié)在終鍛時(shí)桿部左邊出現(xiàn)上中下3個(gè)部位金屬流動(dòng)不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，將左邊耳部與法蘭內(nèi)過(guò)渡處及法蘭與桿部外過(guò)渡處的圓角半徑適當(dāng)加大，其加大值可通過(guò)有限元模擬確定。

研究采用的損傷值表達(dá)式為：

其中，σmax為鍛件內(nèi)部模鍛過(guò)程中的最大拉應(yīng)力，MPa；σˉ為鍛件內(nèi)部的等效應(yīng)力，MPa。

損傷值m越大，表示拉應(yīng)力在3 項(xiàng)主應(yīng)力中所占比值越大，當(dāng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)會(huì)對(duì)鍛件內(nèi)部造成損傷，影響延伸率與斷面收縮率[11-12]。

144 型轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛件優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法：以相應(yīng)部位體積不變?yōu)榍疤?，以終鍛時(shí)金屬流動(dòng)順暢為目的，選擇若干個(gè)大小不同的圓角半徑R預(yù)鍛件，采用熱力耦合有限元模擬軟件中的損傷模塊進(jìn)行模擬分析，其最佳結(jié)果即為優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用這種優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的144型轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛件在終鍛時(shí)能夠降低內(nèi)部損傷。優(yōu)化前后的終鍛件損傷分布如圖5 所示，優(yōu)化后轉(zhuǎn)向節(jié)桿部的損傷值比優(yōu)化前降低約0.025，表明所采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有效降低了轉(zhuǎn)向節(jié)桿部的損傷值，能夠改善該部位的力學(xué)性能。

圖5 優(yōu)化前后的終鍛件損傷分布

3 平面薄飛邊精鍛終成形

為了促進(jìn)材料向鍛件桿部型腔流動(dòng)，提出將常規(guī)模鍛型腔周邊設(shè)置的飛邊槽取消，全部變?yōu)闃虿?，橋部的高度為h，則寬度b≥（4～8）h，根據(jù)最小阻力定理的研究得到，當(dāng)b≥5h時(shí)，模膛沿縱向會(huì)被完全充滿，采用這種方法設(shè)計(jì)的模鍛工藝，其飛邊金屬體積損耗由傳統(tǒng)方法的30%及以上減少到8%～10%，故稱平面薄飛邊精鍛成形，適合于各種形狀復(fù)雜的零件精鍛成形。

在解決144型轉(zhuǎn)向節(jié)桿部右邊內(nèi)部的損傷問(wèn)題后，同時(shí)采用盤式轉(zhuǎn)向節(jié)的平面薄飛邊精鍛終成形的工藝流程，基于J58K-1000 數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)（用于鐓粗制坯）、J58K-6300 數(shù)控電動(dòng)螺旋壓力機(jī)（用于擠壓、預(yù)鍛和終鍛）和JD31-800A 閉式單點(diǎn)機(jī)械壓力機(jī)（用于切邊），采用機(jī)器人和專用裝置建立了國(guó)內(nèi)首條144 型高性能轉(zhuǎn)向節(jié)精密鍛造生產(chǎn)線，如圖6 所示。生產(chǎn)的144 型轉(zhuǎn)向節(jié)精密鍛件如圖7所示。鍛件延伸率為13%，斷面收縮率為54.9%，材料利用率達(dá)到88.2%，鍛件質(zhì)量超過(guò)國(guó)外客戶的技術(shù)要求，并通過(guò)節(jié)省材料為企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 自動(dòng)化精鍛生產(chǎn)線

圖7 144型轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件

4 結(jié)束語(yǔ)

基于金屬損傷理論和有限元數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)了144 型轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)提出了平面薄飛邊精鍛終成形工藝，獲得了延伸率為13%、斷面收縮率為54.9%的高性能鍛件，同時(shí)其材料利用率高達(dá)88.2%，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。