张运军 1 陈天赋 1 杨 杰 1 黄明伟 1 夏巨谌 2 邓 磊 2 金俊松 2
1.湖北三环锻造有限公司，谷城，441700
2.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉，430074
摘要： 房车转向节轮廊尺寸大、结构极其复杂，目前采用的分体制造技术存在材料利用率和生产效率低、产品性能差的问题。为此，提出了转向节整体模锻成形的工艺方案，着重研究了其关键工序弯曲成形的工艺优化并进行了专用模具装置开发。采用经典塑性成形理论、有限元数值模拟和试验相结合的方法，分析了弯曲过程的应力应变状态、金属流动和损伤分布。工艺试验结果表明，所提出方案合理，实现了以整体模锻取代分体制造，材料利用率由约45%提高至70%以上，生产效率提高4～5倍。
关键词： 房车转向节；整体模锻；弯曲成形；模具装置
转向节是汽车转向系统的主要结构和受力部件，既支撑车体重量，又承受转向力矩 ［1］ 。由于转向节工作环境恶劣，对力学性能要求高，因此，一般采用锻造成形 ［2-3］ 。转向节锻件轮廓尺寸大，结构极其复杂，导致锻造工序多，且材料利用率低 ［4-5］ 。对于一些形状非常复杂的转向节锻件，如A223型房车转向节锻件，常规的转向节锻造工艺甚至难以成形。该锻件与常规转向节的最大差别是一个直线前臂特别长，另一个稍短的前臂与杆部及直线长臂的轴线方向成90°弯曲。现有工艺是将前臂与杆部和法兰分开锻造经机加工后采用螺栓连接为一体。这种分体制造方式不仅材料利用率低，生产效率低，而且产品性能较差。
本文针对房车转向节结构特点及分体制造存在的问题，提出了如下整体模锻工艺方案：下料→加热→第一次制坯局部镦粗→第二次制坯杆部拔长→预锻→终锻→切边→（加热）→弯曲及校正。最后一道弯曲及校正之前所有工序及相应的模具可采用模锻工艺及模具设计的相关知识进行设计和计算。而弯曲及校正工序中的弯曲成形是金属在封闭模膛内的弯曲大变形，与大曲率半径自由弯曲的应力及应变状态完全不同，其金属流动需合理调控。因此，弯曲前预弯工艺的优化是本工艺方案的难点，实现90°弯曲精确成形的专用模具装置是关键。
A223型转向节锻件二维图见图1。该转向节采用整体式结构设计，不同于传统转向节的转向节臂通过螺栓连接的方式，而是将转向节、转向节臂进行一体化设计，然后采用整体式模锻成形工艺，使其相对于分体锻造拥有更好的连接强度，同时获得良好的轻量化效果。整体式结构转向节的直臂部分距离转向节主销中心337.8 mm，弯臂部分距离转向节主销中心215.75 mm，转向节杆部、盘部与直臂部分的分模方向和转向节弯臂部分的分模方向垂直，按照常规锻造工艺方法是无法实现该转向节的锻造成形的。
图1 A223型房车转向节锻件图
Fig.1 Drawings of A223 steering knuckle forging
根据该转向节的结构特点，本文提出了一种全新的整体模锻工艺方案：首先对转向节弯臂部分采用与直臂平行的锻造方式进行锻造成形，从而解决分模面相互垂直无法分模的问题；然后锻件切边后，在热态下采用闭式弯曲技术对转向节弯臂部分进行局部闭式压弯成形。针对上述整体模锻工艺方案，制定各个工序的成形工艺及模具结构分别如下。第一次制坯局部镦粗采用闭式镦粗工艺，对坯料上对应于转向节法兰盘的位置进行局部镦粗，坯料的上下两段直径基本不变，其中间局部镦粗及镦粗型腔如图2a中B-B局部剖视图所示；第二次拔杆制坯是将局部镦粗所成形的工件，对应于转向节杆部的一段进行拔长，使杆部直径减小而长度伸长至与杆部长度相等或接近，其拔长型腔如图2a中A-A局部剖视图所示；预锻是将经过两道制坯的工件在预锻模膛中成形为弯曲前臂沿轴线伸直成为与直线长臂平行的叉形件，其主要成形方式为通过劈料台压扁并劈成叉形，使中间金属挤入两边流向两个前臂模膛，同时使杆部成形，预锻模膛如图2a所示，所成形的预锻件如图2b所示；终锻是将预锻件通过终锻模膛成形为具有两个直前臂的锻件，这相当于一般模锻生产的最后成形步骤；切边是通过切边模切除终锻件周围及叉形内部的飞边，切边后的锻件如图3a上图所示，切边模的设计方法与冲压工艺中冲裁模的设计方法相同；弯曲成形是将切边后的锻件长度较短的前臂在专用装备上闭式弯曲成形，得到最终锻件。如前所述，闭式弯曲工序是生产A 223型转向节锻件最为关键的技术。
图2 镦粗、拔长、预锻模膛及预锻件
Fig.2 Upsetting，stretching，preforging dies and preforging part
弯曲成形分为自由弯曲成形和强制弯曲成形两种，自由弯曲成形时在坯料的中线形成中性层，中性层以内产生压应变和压应力，中性层以外产生拉应变和拉应力 ［6-7］ 。本文研究的房车转向节前臂弯曲是在模膛内强制弯曲成形的，弯曲臂在弯曲前的初始状态如图3a实线所示，弯曲后的状态如图3a虚线所示。
图3 前臂弯曲前后及其应力应变状态图
Fig.3 Forearm before and after bending and its stress and strain state diagram
如上所述，图3所示弯曲成形是前臂在上下凹模对应的模膛内发生弯曲，前臂左端与法兰相连，弯曲圆心紧靠法兰，弯曲主要发生在垂直轴线的右边，且完全是拉伸变形，相应的应力也为拉伸应力，两者的分布规律如图3b所示；选择Z轴为圆柱体的轴向坐标，则变形体内的应力与应变状态如图3c所示，由图3c可知，沿切向应力为拉应力σ θ ，沿轴向应力σ z 和径向应力σ ρ 均为压应力，其应变的方向与应力的方向相同。由分析可知，前臂弯曲成形的实质是近似纯拉伸成形，因此，以此为基础，分析得到前臂弯曲前的形状和尺寸的优化设计方法。
（1）采用UG或PRO/E软件对A223转向节锻件进行三维实体造型，在计算出整个锻件体积的同时，也分别计算出被弯曲的前臂及已成形的端部的体积V a 、V h ，进而得到弯曲前杆部的体积V b =V a -V h 。
（2）因弯曲成形是在模膛内闭式完成，其特点是杆部宽度保持不变、高度减小、长度大幅延伸的近似于拉伸伸长成形，所以弯曲成形前的直杆（预弯杆）较弯曲成形后的杆部，其截面增大而长度缩短，为了预弯杆顺利放入弯曲模膛，取预弯杆的宽度B b =B d -（1～1.5）mm，B d 为弯曲模膛宽度，即宽度B b 已知。因圆台纵坐标至右端与法兰盘相连接部分的高度与弯曲后对应高度相等，右端高度与前端左边高度相等，所以弯曲前的前臂杆部为宽度（B b ）、左端及右端横截面的高度及体积（V b ）均已知的左高右低且底面为平面的梯形。设左右两端高度分别为h 1 和h 2 ，则弯曲前V b =B b L（ b h 1 +h 2 ）/2，因 V b 已求出，B b 已知，故弯曲前杆长 L b =2V b /［B （ b h 1 +h 2 ）］，代入相应数据求得 L b =101.1 mm，弯曲后的杆长L 1 由零件图上直接得出，为154.9 mm。其伸长量为ΔL=L 1 -L b =53.8 mm，相应的伸长变形程度为ε F =（ΔL/L b ）×100%=53.2%。锻件材料为42CrMo，弯曲时工件温度为900～1 000℃，其允许最大变形程度［ε F ］≤80%。ε F ＜[ε F ]表明其弯曲工艺设计合理安全。
成形过程的热力耦合有限元数值模拟能够对工艺设计方案进行准确的验证 ［8-9］ 。转向节锻件的弯曲成形过程模拟在DEFORM-3D软件平台上进行，以切边后的终锻件三维模型为毛坯，采用四面体网格划分。模拟时的变形工况与试验一致，毛坯初始温度为960℃，模具温度为20℃，摩擦因数设置为0.7。上模运动速度为300 mm/s，行程为194 mm。模拟获得的弯曲成形过程材料流动速度场、结束状态时最大主应力及损伤值分布状态如图4所示。
由图4a和图b可以看出，材料流动方向与弯曲方向完全一致。图4c、图4d分别为最大主应力和损伤值的分布状态，在DEFORM-3D软件中的损伤模型为最大主应力与等效应力之比，即σ/- σ 。
τmax 这通常是判断高合金钢在变形程度较大时锻件内部是否产生微裂纹而采用的方法，本文则是用于判断最大主应力在等效应力中所占的比例。由图中最大损伤值可知：最大主应力近似为等效应力的90%，进一步验证了其变形近似于纯拉伸弯曲变形，且处于安全的变形范围内。不难看出，模拟结果与上述理论分析及计算结果完全吻合，进而表明所提优化设计方法正确。
图4 弯曲成形的模拟结果
Fig.4 Simulation results of bending process
要实现A 223型房车转向节整体模锻中的前臂弯曲成形需要研制两类专用装备，一种是专用压力机即双动液压机 ［10-11］ ，另一种是在通用液压机上使用的专用弯曲模具装置。两种装备均要求具有相同的两种功能，即首先将已切边的锻件杆部法兰和长前臂压紧校正，然后对短前臂弯曲成形。下面仅介绍具有突出创新的专用模具装置的详细情况。
图5所示为提出的专用弯曲模具装置，其基本结构由模架、上凹模提升及压紧机构、凸凹模工作部分所组成。模架由下模板1、中模板10、上模板11和下导柱3、下压环4、下导套5、上导套7、上导柱8及上压环9等组成；下导套5与上导套7固定在中模板10上，下导柱3、上导柱8分别固定下模板1和上模板11上，四组导柱、导套分布在模板的四角；上凹模提升及压紧机构由四组法兰筒14及拉杆15和四组活塞杆16及油缸17组成，其连接与固定方式如图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组成，凸模12与凸模座用两个柱销连接，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，还有顶杆19。该装置安装在通用液压机上使用。
图5 专用弯曲模具装置
Fig.5 Special die device for bending
第一步：操作液压机使滑块带动上模板及固定在上模板上的所有零件向上运动，当上行至法兰筒的底部同拉杆的圆柱头部接触时，带动中模板及固定在其上的所有零件一起上行至上限位置；同时，随着活塞杆上行，将低压油吸入油缸下腔。第二步：将已切边的锻件放入下凹模中。第三步：操作液压机滑块及与其固定及连接在一起的所有零件向下运动，当下行至上凹模与下凹模相碰时，中模板及与其固定与连接在一起的零件均处于静止状态，随着滑块继续下行，活塞杆压缩油缸下腔的油液，由高压液流阀（未画出）产生的油压通过上凹模将锻件的杆部、法兰及长前臂压紧，同时凸模迫使短前臂向下弯曲成形并同时对杆部法兰和直长臂进行校正。第四步：校正弯曲成形结束时，滑块带动上模板及其固定在上面的所有零件一起向上回程，回程过程与第一步相同，在回程的同时，下顶出器通过顶杆19将锻件从下凹模中顶出，一个工作循环结束。
其一，凸模的弯曲工作行程S根据弯曲工艺确定，法兰筒活塞杆相对于拉杆、油缸的行程S'≥S；其二，采用塑性成形理论公式或有限元模拟计算方法求出凸模的弯曲力P b ，则合模压紧力P c ≥P b ；其三，四个油缸各自的内径按d= 
来确定，单位压力p为所选择高压液流阀的允许压力；其四，配套液压机的吨位P g ≥ (P c +P b )≥ 2P b 。
其一，通过高压溢流阀闭压排油，既可保持上下凹模的合模压紧力大小不变，确保弯曲成形过程的稳定性，又可通高压溢流阀调节合模压紧力的大小，同时依靠真空吸油，不用高压泵供油，节约了液压驱动系统运行成本；其二，将导向装置设计成上下导柱的形式同时对固定在中模板上的上下导套导向，避免了单一导柱过长易弯曲变形与加工及安装精度不易保证的问题；其三，制造费用低，仅为专用设备的1/12～1/10。按照图5所示基本结构及原理研制出的专用模具装置如图6所示。
图6 专用弯曲模具装置照片
Fig.6 Photo of bending die device
锻件材料为42CrMo，坯料尺寸为ϕ125 mm×458 mm，采用中频感应加热炉、5 t模锻锤、10 t模锻锤、800 t曲柄压力和630 t四立柱通用液压机为试验和小批量生产设备，将制坯及预锻模、终锻模、冲模及图6所示弯曲专用模具装置分别安装在对应的设备上，试验完全按照前述工艺流程进行，试验中采用水基石墨润滑剂进行喷雾式润滑。试验所得A 223房车转向节锻件并经初步机加工的产品如图7所示。
试验锻件经光学快速精密测量完全达到美国用户的技术标准，已经进行了小批量生产供用户使用。目前正在设计并建立中频感应加热炉→辊锻机制坯→1 600 t数控电动螺旋压力机预锻→2 500 t数控电动螺旋压力机终锻→800 t曲柄压力机切边→630 t液压机校正及弯曲成形、采用机器人操作的全自动化生产线，将实现大批量生产，以满足国内外迅速增长的市场需求。
图7 A223房车转向节样件
Fig.7 A223 steering knuckle
采用整体模锻技术生产A 223房车转向节，同分体制造相比：材料利用率由约45%提高到70%以上，节约加热能耗35%以上，生产效率提高4～5倍；采用分体式螺栓连接的方式，连接强度为800 MPa左右，整体锻造产品的抗拉强度达到924～1 122 MPa；整体锻造不仅取消了连接螺栓，同时转向节臂部分的结构得到了简化，单件产品质量减小10%以上。
针对A223房车转向节的结构特点，所研发的整体模锻技术及模具装置同现有的分体制造技术生产转向节锻件比较，具有节材、节能、提高生产效率和产品质量突出的优点，这对具有弯曲前臂转向节的整体模锻具有推广应用价值。正在建立的全自动化生产线可为房车转向节这类复杂枝叉类零件整体模锻批量生产奠定了基础。
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Development on Key Technologies and Facilities of Integral Die Forging for Motorhomes Steering Knuckles
ZHANG Yunjun 1 CHEN Tianfu 1 YANG Jie 1 HUANG Mingwei 1 XIA Juchen 2
DENG Lei 2 JIN Junsong 2
1.Hubei Tri-Ring Forging Co.，Ltd.，Gucheng，Hubei，441700
2.State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology，Huazhong University of Science and Technologhy，Wuhan，430074
Abstract： Motorhomes steering knuckles had big dimensions and complicated structures.The split manufacturing technology currently used possessed the problems of low material utilization，low production efficiency，and poor product performance.So an integral die forging was proposed，and the optimization of the processes and the development of special facilities for the bending processes were focused on.With adopting classical plastic forming theory，finite element numerical simulations and physical tests，the stress-strain states，metal flows and damage distributions of the bending processes were analyzed.The results of the processing tests show that the proposed program is reasonable and that the integral die forging may be used instead of split manufacturing.The material utilization rate is increased from 45%to more than 70%，and the production efficiency is improved by 4 to 5 times.
Key words： motorhome steering knuckle；integral die forging；bending forming；die facility
基金项目： 工业与信息化部2018年工业强基工程项目（TC180A3Y1-18）；湖北省技术创新专项重大项目（CXZD217000071）
DOI： 10.3969/j.issn.1004-132X.2018.17.016 开放科学(资源服务)标识码(OSID)：
收稿日期： 2018－05－14
（编辑 王艳丽）
中图分类号： TG316.3
作者简介： 张运军，男，1966年生，总经理，高级工程师。研究方向为锻造模具设计及工艺研究。获国家级企业管理现代化创新成果二等奖3项。发表论文5篇。E-mail：hbshdz@263.net。陈天赋（通信作者），男，1976年生，工艺技术部部长，工程师。研究方向为锻造模具设计及工艺研究。发表论文2篇。E-mail：13871600196@139.com。