斜顶料立式挤压在汽车转向节锻造中的应用

徐 萍

(十堰职业技术学院机电工程系,湖北十堰442000)

斜顶料立式挤压在汽车转向节锻造中的应用

徐 萍

(十堰职业技术学院机电工程系,湖北十堰442000)

汽车转向节为典型的复杂叉形锻件,其常规开式模锻工艺金属消耗大、材料利用率低,制坯复杂。本文介绍了一种在热模锻压机上采用斜顶料立式挤压预成形与开式模锻相结合的汽车转向节少飞边锻造技术,可以大大提高锻件材料利用率及节约机加工量。

少飞边锻造;立式挤压;汽车转向节;斜顶料

0 引言

在曲柄锻压机的闭式锻模中用立式挤压方法制造汽车转向节锻件,正大量地应用于工业生产中,它能降低产品制造成本,减少原材料消耗达12％-18％以上。随着汽车工业的迅猛发展,汽车性能不断提高,汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大,锻造新工艺、省材节能工艺等的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要。转向节是汽车上的关键零件,它既支撑车体重量,又传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩,因此对其机械性能和外形结构要求严格,是汽车上的重要安全零件之一[1]。探索该类锻件的合理锻造方法对我国汽车工业的发展具有重要意义。本文介绍了一种在热模锻压机上采用斜顶料立式挤压预成形与开式模锻相结合的汽车转向节少飞边锻造技术。

1 汽车转向节锻件的产品特点及传统工艺

汽车转向节锻件由三部分组成:杆部、法兰和两叉子,其特点是杆部细长,法兰较大且有时为异型面,两叉子与杆部中心线偏转一小角度α且形状复杂,为典型的复杂叉形件。常规的开式模锻工艺过程为制坯、预锻、终锻,因杆部与法兰、叉子部的截面面积相差太大,整体压扁后翻转90度局部压扁的常规叉形件制坯方法无法满足其要求,需在此基础上增加一次镦挤以加大法兰和叉部的坯料截面积(见图1),即便如此,在杆部与法兰交接处还存在着较大飞边,并沿杆部逐渐减小,直到尾部才达到正常宽度;预锻需将原位于叉口部的金属劈开,使之流向两侧叉子型腔,此时金属必然会沿叉口前方激烈流动,形成较大的飞边。尽管在相应部位设计了阻力筋以增大金属的流失阻力,但总的工艺方案决定了其飞边消耗是很大的。

图1 汽车转向节锻件的传统工艺

2 汽车转向节锻件的闭式锻造工艺

国内对闭式锻造、挤压工艺的研究主要集中在锻件的最终成形方面,如伞齿精锻、十字轴、万向节叉的热挤压等,一般要求采用精密下料和少无氧化加热等相关工艺,局限于简单形状锻件的成形。本文介绍的转向节少飞边锻造技术可在现有的开式模锻的工艺基础上实现,主要原理是:改传统工艺以锻件中心平面为分模面的水平分模方式为与杆部垂直、以法兰中心平面为基础、兼顾两侧叉子型腔的垂直分模方式,以便在预锻采用半封闭式锻造技术,正挤出杆部和反挤出两侧叉子,预成形锻件形状,然后终锻成形锻件并排出多余金属。因预锻是利用半封闭型腔对金属的限制作用,迫使金属在三向压应力状态下流向型腔深处,可大幅度减少飞边金属消耗,预锻飞边面积可简单认为是挤压筒面积减除锻件在分模面上的本体面积。

3 工艺及工装设计

转向节锻件成型的关键在于如何保证金属材料的合理分配及型腔的充满。锻模设计上应充分考虑型腔的金属流动和原材料的预分配[2]。在工艺上要考虑坯料的放置位置,锻造的方向。下面将以某种汽车转向节(如图3所示)的成形工艺为例来介绍这三方面的内容。

在预成形时采用了半闭式锻造技术,但不需完全充满,故没有必要采用精密下料工艺、严格控制下料重量,普通剪切下料即可达到要求。其工艺过程和模具结构与开式模锻的相同,可利用已有的锻压机组和模架。

3.1 锻造方向的选择

如果按传统的立式挤压方法,即锻造加压方向与转向节的杆部轴线相同,在转向节的左侧叉子内侧必须增加锻造余块,否则锻件无法脱模,这不仅浪费了大量的金属材料,而且大大增加了机加工量。因此在此转向节的锻造中,将锻件转动,使锻造方向与杆部轴线成6.5°(见图4),在锻造过程中,使锻件上半部先脱出模腔,再用特殊设计的顶杆(见图4)将压力机向上的顶出力转化成杆部轴线方向的顶出力,使锻件顺利出模。

3.2 导面设计

由工艺方案可知分模面必须垂直于杆部且通过法兰中心平面,但锻件形状决定了其分模面必须为曲面,我们称之为导面。除满足分模面常规设计的要求外,还得注意以下几个问题:(1)闭式锻造预成形时,凸模外形受挤压筒形状限制,其上的两叉子型腔强度问题突出,导面在两侧叉子部必须从法兰中心平面向上抬起一定高度,以减小凸模上叉子型腔深度。(2)导面中所有斜面与铅垂面的夹角不得小于15度,否则会导致切边拉毛刺问题。(3)导面各拐角处的圆角半径为 R10左右,不宜过小,防止导面磨损及折纹产生。

3.3 制坯形状设计

预成形时,开始金属自由地向四周流动,但当凸模下行到一定位置后,形成叉口的突出块与凹模将金属分为三个变形区,分别流向杆部和两侧叉子。制坯形状设计的主要依据就是这三个变形区所需金属的体积和两分流面的位置,原则上要保证这三个变形区同时充满。

设计时还得考虑凸模开始下压、金属自由流动阶段由中心向两侧叉子部的流动量,适当加大正挤杆部的金属体积;考虑坯料在挤压凹模内的摆放问题。制坯方式一般用压挤或成形镦粗,使坯料成纺锤形,因而必须符合相应的限制条件。坯料的最大外径应小于法兰最大宽度,防止金属大量流入挤压筒侧壁或回流到锻件本体形成折纹。

3.4 半闭式锻造预成形模设计

图4 转向节预锻模具图

该技术的难点就在于立式挤压预成形模具的设计,包括两方面的内容:一是型腔设计,二是挤压筒设计。

型腔设计的原则是对终锻型腔进行简化,以减小金属的填充阻力。如取消杆部各台阶,简化设计成一带锥度的光杆,并尽量使杆的尾部终锻时以刚性平移的方式充满,其模锻斜度为1～3度,过小锻件难以出模,过大则加大了正挤杆部的流动阻力;杆部与法兰连接处设计一正挤变形区,即“漏斗”,以便杆部的正挤成形,其大径略大于中间分流带宽度,角度在90°～150°之间,尽量取小值,但正挤变形区不宜太长;叉子和法兰的预锻设计可用普通的设计方法,即侧向留0.5mm间隙,高度方向较终锻加大2～5mm(见图2)。为防止在预锻型腔深处产生高压气仓,两叉子型腔顶部均开有排气孔,杆部则在下模顶料杆上开出四道深2.0mm的排气槽。

为保证终锻有足够金属进一步填充型腔深处,除增加预锻件厚度外,该工艺还在预锻件的叉口部位预留有一定的金属,这部分金属位于锻件的中心位置,受压时易于向两叉子和杆部补充金属且不易流向飞边。其高度约 10～20mm,宽度 20～30mm,坡度为60°,各拐角处均以较大的圆角过渡,圆角半径一般不小于R15(见图2),防止产生折纹。

挤压筒设计又包括三方面的内容:挤压筒平面形状设计,高度及凸凹模侧向间隙的确定。

根据转向节锻件的一般形状,常用长方形挤压筒,四周以较大的圆弧连接,有时简化为扁圆形,其长宽设计在于挤压筒壁到型腔边缘最小距离的确定,一般不小于20mm,主要考虑的是凸模上的型腔强度,即保证其最小壁厚与型槽深度比大于1.0;其次是使预成形时产生一定的飞边桥部阻力,避免金属过早流至凹模挤压筒壁,挤入凸凹模侧向间隙形成较大的垂直毛刺并将上下模抱死,挤压筒内上下模分模面间隙和开式模锻的飞边桥部高度相同。

挤压筒高度以能适时封闭金属为宜,有人认为凸模要在金属开始变形时就进入凹模内,这样必然需较高的挤压筒,削弱了凸模强度,给工装设计、制造造成困难并浪费了模具材料。实事上可在上述基础上减小一半左右,达到40～60mm即可,这样可大大缓和凸模强度问题。

凸凹模侧向单边间隙为0.5mm左右,包括四周圆弧均应达到这一要求,以防止金属注入间隙。为便于凸模顺利进入凹模,应在凹模口部10～15mm范围内设计出15°的导入角,且凹模口部取较大的圆弧连接;但为增加金属流入侧壁间隙的阻力,凸模边缘取较小的圆角。挤压筒壁一般为直壁,最大倾角不大于3°。

4 结束语

用斜顶料立式挤压进行汽车转向节少飞边锻造技术已成功地应用于某转向节的生产,该技术具有以下特点:(1)可大幅度减少飞边金属消耗,提高材料利用率;(2)可锻出常规工艺无法锻出的法兰面凸台;(3)挤压筒水平投影面积较原水平分模的锻件水平投影面积(包括飞边桥部)小得多,可选用吨位较小的设备;(4)可在现有开式模锻的设备、工装结构、下料及加热方法的基础上实现。

[1]郑玉春.40Cr汽车转向节锻造余热淬火工艺研究[J].热加工工艺,2004(3):47.

[2]单丽梅.卡车转向节锻造工艺与模具设计[J].模具工业,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,十堰职业技术学院机电工程系讲师,硕士,研究方向:机械制造,液压传动。