（材料加工工程专业论文）轿车转向节成形新工艺研究.pdf

摘要 摘要 转向节是轿车关键零件之一，为安全件，它既支撑车体重量，又传递 转向力矩并承受前轮刹车制动力矩，因此对其机械性能和形状结构要求非 常严格，制造难度大。如何采用高效、节能的方法生产出优质的轿车转向 节零件，成为生产中亟待解决的问题。 本文以复杂零件的精密成形为技术指导思想，根据挤压和模锻成形理 论，针对轿车转向节零件的自身特点，提出轿车转向节零件的成形新工艺， 即复合挤压精密预制坯一开式模锻一冲孔和切飞边。以u g 和d e f o r m 。m 软件为工具，分别对复合挤压精密预制坯和开式模锻工序进行了三维热力 耦合有限元分析，得到了成形过程中金属的流动规律，应力、应变、速度 和温度场的分布情况以及行程载荷曲线；考察了主要成形参数对金属 流动和成形力的影响以及冲头速度对温度场的影响，并以此为根据确定了 主要成形工艺参数。本文还进行了物理模拟实验研究，验证了数值模拟结 果的正确性和该工艺的成形可行性。 本工艺实现了金属坯料在热模锻压力机上两步成形，从而大大简化了 轿车转向节零件的生产工艺，降低了生产成本，为轿车转向节零件的国产 化提供了一条行之有效的途径，为类似的枝权类零件的成形提供了借鉴。 关键词转向节；精密预制坯：模锻；数值模拟；实验研究 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t s t e e r i n gk n u c k l ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc a rk e yp a r t sa n das a f e t y p a r t i ts u p p o r t s t h e b o d yw e i g h t ，t r a n s f e r ss t e e r i n gm o m e n ta n de n d u r e s b r a k i n g m o m e n to ff r o n t - w h e e l t h e r e q u i r e m e n t o fi t sm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t o u rs t r u c t u r ei ss os t r i c tt h a ti ti sv e r yh a r dt op r o d u c e i ti su r g e n tn e e dt os o l v et h ep r o b l e mt h a th o wi tc a r lb ep r o d u c e de f f i c i e n t l y a n de c o n o m i c a l l y i nt h i sp a p e r , w i t h t e c h n i q u eo fp r e c i s i o nf o r m i n go fc o m p l e xc o m p o n e n t s ， b a s e do nt h ef o r m i n gt h e o r yo fc o m b i n e de x t r u s i o na n dc l o s e d d i ef o r g i n g ，a n d t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e e r i n gk n u c k l e ，t h en e wf o r m i n g m e t h o d ，i e c o m b i n e de x t r u s i o np r e c i s i o nf o r m i n g ( p r e - f o r m i n g ) 一c l o s e d d i e f o r g i n g ( f i n i s h - f o r g i n g ) 一p u n c h i n g h o l ea n d t r i m m i n g ，i sp r e s e n t e d t h e p r o c e s so fc o m b i n e de x t r u s i o nf o r m i n ga n dc l o s e d - d i ef o r g i n gi ss t u d i e db y t h r e e d i m e n s i o n a lt h e r m a l c o u p l i n gf e ma n a l y s i sw i t ht h e a i do fu ga n d d e f o r m t m s ot h em e t a lf l o wr u i ea n dt h ef i e l d so f s t r a i n s t r e s s v e l o c i t y a n d t e m p e r a t u r e c a l lb eo b t a i n e d ，a sw e l la s t h es t r o k e 1 0 a dc u r v e t h e i n f l u e n c eo fm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so nm e t a lf l o wa n de x t r u s i o nl o a d ，a n d t h ei n f l u e n c eo f f o r m i n gv e l o c i t yo nt e m p e r a t u r ef i e l da r es t u d i e d b a s e do n t h ei n f l u e n c e s ，t h em a i nf o r m i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e d t h e m e t h o di sa l s os t u d i e d b yc o n d u c t i n gt h ep h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ， w h i c hv e r i f yt h ec o l t e c t n e s so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d t h ef e a s i b i l i t yo ft h i s t e c h n o l o g y t h en c wt e c h n o l o g yw h i c hr e a l i z e s f o r m i n g i nt w o s t e p s ，g r e a t l y s i m p l i f i e st h em a n u f a c t u r i n go fc a rs t e e r i n gk n u c k l e ，r e d u c e st h ep r o d u c t i o n c o s t ，a n dm a k e si tp o s s i b l et op r o d u c ehi nc h i n a i ta l s op r o v i d e sr e f e r e n c e s f o r t h ef o r m i n go f t h es i m i l a r b r a n c h l i k ep a r t s n 垒! 墨! ! ! k e y w o r d ss t e e r i n gk n u c k l e ；p r e c i s i o np e r f o r m i n gp a r t ；d i ef o r g i n g ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的工程背景 随着机械工业的迅速发展，汽车、摩托车交通运输行业日益扩大；模 锻件质量及成本的竞争压力愈来愈大，发展少无切削加工显得非常重要。 当前生产的发展，除了要求锻件具有较高的精度外，更迫切地是要解决复 杂形状的成形问题，同时还要不断提高锻件的质量、减少原材料的消耗、 提高模具寿命，促使降低锻件成本、提高产品的竞争能力 1 s l 。 节省材料和能源，降低生产成本，提高生产率，这些要求随着汽车( 特 别是轿车) 生产的大规模化而变得越来越重要。由于轿车工业高投入、大批 量和高技术含量的要求，其零部件结构复杂且精度高，使得采用传统的加 工方法所引起的耗工、费时、费料已不能为企业接受i 6 j 。 转向节是轿车上的关键零件，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，是轿车 上的重要安全零件之一。根据我国汽车产业政策及市场需求，轿车年产量 将逐年递增，而转向节是转向系统中的关键零件，由于其形状和性能的特 殊要求，目前国内尚不完全具备该零件的自主开发制造能力，大部分依赖 进口，开发轿车转向节成形的市场前景极为广阔【7 1 。随着轿车产量的迅速 提高和我国加入w t o ，转向节锻件国产化日趋迫切。因此，探索该类锻件 的合理锻造方法对我国轿车工业的发展具有重要意义。 轿车产量的迅猛增长，对锻造行业的装备和工艺技术水平提出了更高 的要求，突出的问题表现在以精化毛坯为核心合理地选择变形方式、提高 材料利用率和锻件尺寸精度、降低能耗和提高生产率 8 - 9 】。 各种高新技术的不断发展和应用，使传统塑性加工技术得以不断发 展、升级和提高。本文在挤压和模锻的理论基础上，针对捷达轿车转向节 自身的特点，提出采用热模锻压力机成形捷达轿车转向节，和生产该零件 的成形新工艺，即下料一中频感应加热一复合挤压精密预制坯一开式模锻 一冲孔和切飞边。同时采用计算机数值模拟和物理模拟实验研究相结合的 l 燕山大学工学硕士学位论文 方法，对该成形工艺成形过程的力能参数进行了较为深入地研究，为其在 实际生产中的应用提供了依据，同时也为类似的复杂枝权类零件的实际生 产提供了借鉴。 1 2国内外轿车转向节生产现状 不同品牌和型号的轿车，其转向节的形状虽有所不同，但大体相似， 均属于复杂枝权类零件，因此，其生产工艺具有通用性。以捷达轿车转向 节为例，该零件形状极其复杂，形状复杂系数为s 。( 锻件形状复杂系数s 是锻件质量m 。与相应的锻件外轮廓包容体的质量掰。的比值，即 s ，= m 拯m 。，其中0 1 6 ) ，是安全件，其开发技术涉及三维c a d 技术、 c a m 技术、c a e 技术及数控加工等多项现代技术，原材料与成品件价格 比大于1 ：1 5 。轿车转向节几何形状的高度复杂性和使用性能的重要性，决 定了其开发手段的先进性和生产技术的高新性。由于该产品大量的市场需 求和可观的技术附加值，被技术先进的国家视为专有技术，生产工艺方案 很少公布。就目前所了解的工艺方案中，也各有利弊。生产工艺方案要依 零件的技术要求并结合具体生产条件而制定。当然，无论选用哪种方法， 都要满足优质、高效、节约和经济的原则。轿车转向节目前一般是在4 0 m n 热模锻压力机或1 0 0 k j 电液锤上进行生产。下面就对已有的几种方案进行 简单的分析讨论 7 , 1 0 - 1 5 1 ： ( 1 ) 半固态成型工艺在封闭的模腔内注入半固态金属，在高压下完成 成型过程。其工艺路线为： 备料一中频感应搅拌加热一半固态成型 半固态成型工艺的优点是在一个工步内即可做出形状复杂和尺寸精 确的轿车转向节，机械加工余量小，材料利用率高，加工成形件质量轻， 无空洞性缺陷和夹杂物缺陷，但是采用这种方法生产的轿车转向节成本高， 冲击韧性和抗弯强度较差，使用寿命和安全可靠性不及锻件。该工艺现处 于研究和小批量生产阶段。 ( 2 ) 劈爪成形工艺整个成形工艺主要由自由锻制坯和锤上锻造成形 组成，其工艺路线为： 2 第1 章绪论 下料一反射炉加热一圆料压扁一劈爪一拔长左爪一锤上锻造成形 该工艺的主要缺点是需两次加热、锻件精度差、质量不稳定、材料消 耗和能耗大、劳动条件差。 ( 3 ) 制坯弯曲终锻工艺目前，该类锻件常规的锻造工艺过程为制坯、 预锻和终锻。国外采用在4 0 m n 热模锻压力机上锻造轿车转向节，其工艺 路线为： 下料一加热一开式镦挤制坯一去连皮一弯曲一终锻一切边 该工艺的优点是能够实现锻件的成形，制件组织性能能够得到改善； 缺点是工序多、能耗大、材料利用率低、锻件成本高、金属流线不完整。 “) 半封闭挤压工艺半封闭挤压工艺是随着闭式挤压工艺的发展而 刚刚兴起的，兼有闭式锻造和开式模锻的优点，其工艺路线为： 下料一中频感应加热一墩粗( 去除氧化皮) 一半封闭挤压一终锻一切边 一校正一检验 该方案采用半封闭挤压工艺为终锻提供了稳定可靠的预制坯、保证了 锻件质量、尺寸精度高、表面质量好、金属纤维流向合理，其工艺较常规 工艺先进，但预制坯工步较困难、材料利用率低。 ( 5 ) 两步法闭塞侧弯挤压精密成形工艺自2 0 世纪7 0 年代以来一些工 业发达国家逐步研制和推广应用了一项新型的模锻工艺可分凹模闭塞 锻造技术，它属于精密成形技术。同开式模锻相比，闭塞锻造在很大程度 上可提高金属流动性、材料的利用率、锻件精度和产品的机械性能。其工 艺路线为： 下料一中频感应加热一在可分凹模中闭塞侧弯挤压精密预制坯一开 式终锻成形一冲孔和切飞边 该方案显著提高了材料的利用率，金属流线完整，尺寸精度高，制品 的机械性能和抗腐蚀性明显优子传统方法的成形件；但是采用这种方法， 要求模具材料具有很好的韧性、耐高温、耐磨损性能，另外该工艺需要采 用一台专用双动压力机。 总之，随着国际竞争的加剧，汽车行业竞争日益激烈，价格的竞争已 经由整车价格的竞争发展到零部件价格的竞争。在这种情况下，如何生产 3 燕山大学工学硕士学位论文 出价格低廉、优质的汽车零部件，成为企业在激烈竞争中保持不败的至关 重要的环。 1 3 国内外相关文献综述 由于轿车转向节使用的重要性和形状的特殊性，国内外锻压界对转向 节予以高度的重视，对其成形工艺进行了深入的研究，取得了一定的研究 成果。由于轿车转向节的生产工艺属于专有技术，见诸文献的大都为重型 汽车和轻型汽车的转向节，对轿车转向节的报道很少。虽然重型汽车和轻 型汽车转向节的形状与轿车转向节的形状有所不同，但是它们都属于形状 极不对称、界面变化剧烈和成形难度大的复杂枝权类锻件，因此对重型和 轻型汽车转向节成形工艺的研究，可为轿车转向节的成形研究提供一些有 益的借鉴。 在国内，北京机电研究所、吉林工业大学、机械工业部第四设计院、 中国重汽公司、山东光岳转向节总厂、安庆百协锻造厂等单位对转向节的 成形工艺进行了比较深入研究。山东光岳转向节总厂董之社在文献 7 1 e 0 提 出n j t 0 2 0 汽车转向节的半封闭挤压生产工艺：机械工业部第四设计院罗 晴岚、罗延杰在文献 1 6 】中提到在6 3 m n 热模锻压力机生产线上采用墩粗、 预挤、预锻、终锻工艺生产s t e y r 汽车转向节，并提出和分析了影响金属 充满程度的因素；北京机电研究所杨青春等人和中国重汽公司刘加臣、李 相伟分别在文献 1 7 1 8 1 和 1 9 中提出了斯太尔汽车转向节的挤压一模锻复 合成形生产工艺，并对该工艺进行了详细论述，其中挤压是在封闭模膛中 进行，预锻在半封闭的模膛中完成；济南汽车制造总厂李尊荣、付翔在文 献【2 0 】中提出立式锻造成形斯太尔转向节；中国重汽公司傅翔在文献 2 1 中提出了“闭式预锻，开式终锻”模锻工艺生产重型汽车转向节，采用这 种方法可降低下料精度，提高模具寿命和材料利用率；吉林工业大学高占 民、杨慎华在文献 2 2 中提出辊锻模锻复合工艺生产轻型车左转向节 臂；东风汽车公司毛厚军在文献 1 2 1 中提出采用少飞边锻造技术生产1 5 t 轻型车转向节，主要工序为在4 0 m n 热模锻压力机上闭式锻造预锻件，然 后再开式终锻成形，采用闭式锻造预成形，可提高金属的流动能力和减少 4 第】章绪论 飞边金属的消耗。这些研究工作对轿车转向节成形工艺的制定和进一步研 究提供了宝贵的经验。 1 4 课题来源、选题意义及主要研究内容 本课题是秦皇岛重点项目“捷达轿车转向节国产化关键技术开发”的 一部分。 到目前为止，我国锻造行业大都延续传统的开发手段与生产方式，生 产技术相当于德国和日本2 0 世纪6 0 年代的水平，与飞速发展的轿车工业 极不适应，主要表现在现行生产工艺的落后和对复杂成形件的开发能力差 上。对于现行生产中绝大多数成形件，一直采用开式模锻生产工艺，难以 达到净形制造和少无切削；而对于诸如轿车转向节这一类技术含量高、技 术附加值大的复杂成形件的精密成形尚不具备自主开发能力，一直依靠从 国外高价进口。随着轿车产量的迅速提高和我国加入w t o ，轿车转向节锻 件成形技术的开发和研制，对于降低轿车成本，增加我国轿车行业的国际 竞争能力有着深远的影响。 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 根据热挤压和开式模锻成形的基本理论，以捷达轿车转向节零件为 研究对象，针对该零件的自身特点，探索捷达轿车转向节切实可行的成形 新工艺。 ( 2 ) 建立捷达轿车转向节锻件挤压预制坯和开式终锻工序的三维热力 耦合有限元模型，对其进行数值模拟，考察成形过程中金属的流动规律以 及应力、应变、速度和温度场的分布情况。针对挤压预制坯工序，研究主 要成形参数对金属流动、成形质量和挤压力的影响；针对开式终锻工序， 比较不同预制坯形状对成形过程的影响，总结金属在该过程中的流动规律， 为实际生产提供理论依据。 ( 3 ) 数值模拟的基础上，以工业用铅为实验材料，对开式终锻成形过程 进行实验研究，验证数值模拟结果的正确性，总结锻件的成形规律，验证 该工艺的可行性和优越性。 本文希望通过对捷达轿车转向节成形新工艺的研究，探索出一条适合 5 燕山大学工学硕士学位论文 该零件实际生产的行之有效的生产工艺，为该零件的国产化作一次尝试。 同时，探索其成形机理，确定主要工艺参数对挤压力、金属流动和锻件最 终成形质量的影响，为该工艺的实际生产积累宝贵经验，并为此类复杂枝 权类零件的成形开辟一条新路。 6 第2 章轿车转向节成形新工艺的制定 第2 章轿车转向节成形新工艺的制定 2 1 引言 采用挤压成形的方法成形毛坯，具有尺寸和形状精确，表面光洁，生 产率高等优点，可为后续的终锻工序提供稳定可靠的预锻件。本文根据挤 压成形和开式模锻工艺的基本原理，结合捷达轿车转向节的自身特点，制 定了该零件的成形新工艺。 2 2 挤压成形技术的发展概况 金属的挤压成形是一种先进的少无切削加工工艺，它具有省料、节能 和节省机械加工工时、工件性能高等一系列优点，因此越来越受到人们的 重视 2 3 3 2 。 挤压成形技术按坯料加热的温度分为冷挤、温挤和热挤三种形式。其 中，冷挤技术是金属不经过加热直接进行成形，开发于上世纪3 0 年代，它 的优点在于零件的近成形性。冷挤压产品的表面质量、尺寸精度、机械性 能都比较好，而且加工余量小。但其主要缺点在于材料局限性强、变形抗 力大、金属充满模膛困难，对模具和设备要求比较高 2 3 , 3 3 。 温挤技术出现于上世纪8 0 年代，指的是在7 0 0 9 5 0 0 c 对金属进行成 形，金属的流动极限可降低到室温时的1 2 1 3 ，变形程度比冷挤可提高 2 3 倍。与热挤相比，表面不会发生强烈氧化作用，表面质量好，尺寸公 差小。同时，这种工艺又克服了冷挤成形工艺的许多不足。譬如，大大降 低了金属材料的变形抗力，避免了冷成形各工步之间所必不可少的热处理 工序，降低了对压力机吨位和模具材料的要求，可达到降低生产成本的目 的【2 4 】。对于一些形状简单的小型锻件，比较适合于采用温挤成形。然而， 对于形状复杂的锻件，采用温挤时金属流动仍很困难。 热挤技术是先进的金属压力加工方法之一，也是最早使用的挤压技 术。其成形温度在金属再结晶温度以上，热挤时的流动应力约为冷挤时的 1 5 ，变形能力是冷挤的6 倍口。采用这种方法加工挤压件，劳动生产率高， 7 燕山大学工学硕士学位论文 易实现机械化和自动化；挤压件结构和机械性能比较好，远高于其他压力 加工方法所得制件的机械性能。重要的是，采用热挤成形还具有材料变形 抗力小、流动性好、设备费用低等优点。因此，热挤成形有利于复杂形状 锻件和大锻件的成形。但它也有产品尺寸精度低、表面质量差、氧化严重 以及模具寿命低、生产条件恶劣等不足。由于近期科学技术的巨大进步， 一些先进的加热装置随之诞生，同时又采用了许多行之有效的防氧化措施， 氧化问题在一定范围内得以解决。而且随着一些优质模具材料的出现，使 得在一些大型锻件( 如大型叶片、汽车前粱、曲轴等) 和一些复杂件( 如扳手、 半轴套管等) 的热锻成形前景乐观。表2 1 通过工艺方法的对比，概括了三 种成形方法的优点1 3 弘。表2 2 描述了三种成形方法的主要技术特点1 3 2 】。 如果说热锻是挤压工件最经济的成形方法( 前提是技术上可行) ，若把 其成本系数定为1 0 0 ，则热锻时成本为温锻的1 3 ，冷锻的4 7 。在考虑 总成本时，要把后续的切削加工包括在内。尤其热锻时加工余量大，与温 锻相比其后序加工成本高。冷锻成本相当高，然而其后续加工量很小，或 根本没有。对挤压而言，冷成形和热成形可并列为最经济的变形方法。鉴 于工件的几何形状越来越复杂( 铡如加工转向节时变形程度很大) ，热锻仍 不失为经济的加工方法【”j 。 表2 - 1 不同挤压方法的工艺比较 t a b l e2 - it e c h n i q u ec o m p a r i s o n so f d i f f e r e n te x t r u s i o nm e t h o d s 口3 】 成形熟温 冷 工件重量( k 暑) o 0 5 1 5 o 1 5 00 0 0 l 3 0 精度i t l 3 1 6i t l l 一1 4i t 8 l i 表面质量r 2 ( l m ) 4 0 - 1 0 01 8 8 01 0 - 2 0 变形能力( 材料) 毋野口s 4舻1 1 6 成形费用至1 1 3 1 0 0 至1 4 7 切削加工高少很少 8 ( 注：假定温挤成奉系数为1 0 0 ) 第2 章轿车转向节成形新工艺的制定 表2 - 2 不同挤压技术的特点 3 2 】 t a b l e2 - 2t e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n te x t r u s i o nm e t h o d s f 3 2 热锻温锻冷锻 变形流动应力小中大 锻造设备吨位小吨位中等大吨位 成形件精度 低 由 高 可成形零件种类多 中较少 可成形零件形状复杂复杂较复杂 模具与润滑技术成熟不完全成熟成熟 变形工步少较少多 2 3 热挤工艺中的几个主要问题 热挤压温度为1 1 0 0 1 2 5 0 。c ，在这个温度范围内变形金属的流动性能 好、变形抗力低，因此容易成形形状复杂的零件。由于坯料金属的温度很 高，对模具寿命和成形设备等有一定的要求。在热挤压成形中，需要注意 如下几个主要问题： ( 1 ) 成形温度的控制熟挤压前，要将金属坯料加热到一定的温度，方 能进行热挤压。金属坯料随着加热温度的升高，其强度极限仃。逐渐降低， 而其塑性指标将逐步提高，加热温度越高，仃。降低速度越快，成形力大小 与强度极限成正比。所以，为了降低成形力，减少能量的消耗，应在避免 金属发生过烧的情况下尽可能的提高坯料的加热温度，也就是提高坯料的 始锻温度。 ( 2 ) 变形期间的润滑润滑剂的主要作用是降低锻造过程中模具和工 件间的摩擦和工件对模具的热传导【3 5 】。 在金属成形过程中，选择合适的润滑剂，可以有效的降低变形金属与 模膛表面的摩擦和变形抗力，下降的幅度通常为3 0 4 0 ，有时更大，而 且有利于变形金属充满模膛和减少模具的磨损及断裂的危险【36 】；防止坯料 的热量迅速传递给模具，可以避免坯料的迅速变冷和模具的迅速升温，起 到热绝缘作用，有利于降低成形力和提高模具寿命；防止锻件与模膛粘连， 保证锻件有较好的表面光洁度和保证锻件顺利脱模。因此，精密模锻要求 9 燕山大学工学硕士学位论文 润滑剂具有良好的热绝缘性、残渣少、对锻件和模膛表面无氧化和腐蚀和 具有稳定性等优点【3 ”。 如果在成形过程中不选择润滑剂或润滑剂的选择不当，就会导致变形 金属与模膛表面的直接摩擦，使模膛表面磨损，增大金属流动的阻力，并 使成形结束后的脱模产生困难，因此润滑技术成为热挤压成形中的一个关 键技术 3 7 】。 目前常用的润滑方法可以归为以下几类：坯料不加润滑涂层，工作模 具采用油剂石墨乳化液润滑或水、油剂石墨的混合液润滑；坯料采用石墨 涂层，模具工作表面采用油剂石墨乳化液润滑或水、油剂石墨的混合液润 滑；坯料采用石墨涂层，模具工作表面采用水剂石墨悬浮液或不含石墨的 润滑剂润滑；坯料采用其他涂层( 不含石墨) ，模具工作表面采用不含油剂 石墨的润滑剂润滑。 锻件的始锻温度不同，润滑涂层对坯料的粘附性不同，也就是润滑效 果不同。在1 5 0 3 5 0 0 c 范围内，水剂石墨粘附性比较好，而且温度越高， 粘附越快。在2 5 0 。c 时水剂石墨的粘附表面非常光滑，此时使用水剂石墨 效果最好。当温度高于4 5 0 。c 时，由于水在瞬间变成气体，石墨很难粘附， 水剂石墨粘附性变差。也就是说，油剂石墨在4 5 0 0 c 以上时粘附性好，水 剂石墨在1 5 0 3 5 0 c 时粘附性好。另外润滑剂还影响到坯料与模具之间的 热传导系数。从坯料到模具的热量传递过多，容易导致模具发生塑性变形。 在各种温度下，油剂石墨的热传导系数都高于水剂石墨【3 5 】。因此，在选择 润滑方式时，应综合考虑各种润滑方式的利弊，以期达到降低成形力、延 长模具寿命的目的。考虑到热挤压成形时坯料始锻温度很高，水剂石墨润 滑性变差，石墨很难粘附，容易造成局部变形金属与模具直接接触和模具 磨损，且挤压过程中容易导致型腔内压力增高，所以在热挤压成形时选用 油剂石墨是比较好。 ( 3 ) 模具材料的选用在热挤压成形过程中，模具材料要经受高的变形 抗力及热应力的综合作用。在进行工艺设计时，需充分考虑模具的受力条 件和温度条件，务必保证模具的强度、硬度和韧性都达到生产要求。对于 热挤压模具的选择；除要求好的室温强韧性外，还应具有一系列的高温性 1 0 第2 章轿车转向节成形新工艺的制定 能，如高温强度、热稳定性、热疲劳抗力、抗氧化性和抗热熔损性能。 影响模具寿命的因素很多，关键是模具本身的材质起着决定的作用。 常用的热作模具钢有以下几种：5 c r n i m o 主要用作大型锻模，但其淬透性 不够高，回火稳定性也不高，其性能不能满足大截面锻模对使用性能的要 求：3 c r 2 w 8 v 广泛用作黑色和有色金属的热挤压模，热稳定性高，使用温 度达6 5 0 。c ，但导热性低、冷热疲劳性差；4 c r s m o s i v l ( a i s i h l 3 ) 用作热挤 压模和铝合金压铸模，具有很高的淬透性、淬硬性和韧性，在使用温度不 超过6 0 0 0 c 时有良好的冷热疲劳抗力，有比较高的使用寿命； 4 c r 3 m 0 3 w 2 v ( 代号h m l ) 为我国自行研制成功的一个钢种，在保持较好的 强韧性条件下具有比较高的热稳定性，具有比较好的综合佳能，广泛应用 于制作热挤压模、精锻模、有色金属压铸模等 3 8 。 近年来，国内外又出现了几种新的热作模具钢，如3 c r 3 m 0 3 w 2 v 、 5 c r 4 w 5 m 0 2 v 、2 c r 3 m 0 2 n i v s i 等，该系列新型模具钢显著的提高模具材 料的强度和硬度，又有良好的热稳定性、抗龟裂性和韧性，因而显著的提 高了模具寿命1 3 9 1 。 ( 4 ) 成形设备的特点同板料成形相比，体积成形时在部分负荷和公称 负荷下大多要求较长的工作行程。由于坯料温度对于热挤成形影响很大， 因此应尽量减少挤压成形时间，以防止坯料在模具中过快冷却和模具因为 长时间接触高温坯料而发生塑性变形。因而为了提高工作效率、降低成形 力和保证锻件的顺利成形，要尽量提高滑块的运动速度，并缩短空行程时 间。所以对变形期间的工作速度有很高的要求，一般至少4 0 - 6 0 m m s t 4 ”。 2 4 轿车转向节成形新工艺的制定 2 4 1 转向节的分类 转向节是汽车底盘上的关键零件，根据车型可分为重型汽车转向节、 中型汽车转向节、轻型汽车转向节、微型汽车转向节、客车转向节和轿车 转向节六大类；按其形状特征可分为长杆类、中心孔类和套管类三种，如 图2 1 所示。长杆类转向节主要由杆部、法兰和枝权构成。中心孑l 类转向 节，主要由基座、法兰和枝权构成，基座中心带孔。套管类转向节主要由 1 l 燕山大学工学硕士学位论文 长杆、套管和法兰构成。其中长杆类和中心孔类转向节均属于复杂枝权类 件。本文研究的捷达轿车转向节，为前桥驱动的轿车转向节，属于中心孔 类。 ( a ) 长杆类( b ) 中心孔类( c ) 套管类 图2 - 1 转向节种类 f i g 2 一l k i n d so f s t e e r i n gk n u c k l e 捷达轿车转向节属于形状复杂的非对称件，其形状和结构如图2 2 所 示，零件中心部分为带孔的、对接的两个锥形凸台；筋为矩形的薄法兰和 锥形台相接；在薄法兰的下方有一凸台和两个形状复杂、长度较长的侧腿 ( 分别称其为大爪和小爪) 零件落差也较大，达9 0 r a m 以上，为典型的复 杂叉形件。除此之外，该锻件尺寸精度、表面质量f 除中心孔、凸台、每个 侧腿上各有两个孔需要机械加工外，其余均为黑皮表面) 及金属纤维流向要 求严格，因此探索与开发该类锻件的合理锻造方法颇受国内外的重视。 图2 - 2 轿车转向节零件三维几何形状 f i g 2 2 3 dc o n f i g u r a t i o no f c a rs t e e r i n gk n u c k l ep a r t 1 2 第2 章轿车转向节成形新工艺的制定 2 r 4 2 轿车转向节锻件形状的设计 模锻生产过程、工艺规范制定、锻模设计、锻件检验及模锻制造，都 离不开锻件图。如今c a d c a m 的发展，无需先设计出传统锻件图，而是 根据零件的几何形状直接生成锻件的三维几何形状。 为了制定转向节锻件的成形新工艺，我们先要设计其锻件形状：确定 分模位置，该零件形状的复杂性决定了其分模面为空间曲面，选择在具有 最大的水平投影尺寸的位置上；确定机械加工余量，锻件上凡是需要机械 加工的部位，都应给予加工余量。所以应该在转向节薄法兰、凸台及两侧 腿的机加孔处添加敷料；确定拔模斜度，为了使锻件成形后能从模膛中顺 利取出，取拔模斜度为5 。；确定冲孔连皮厚度，一般情况下，当锻件内孔 直径大于3 0 毫米时要考虑冲孔连皮，经计算转向节锻件连皮厚度取8 m m 为割4 “。由此设计出转向节锻件三维几何形状如图2 3 所示。 图2 3 轿车转向节锻件三维几何形状 f i g 2 - 3 3 dc o n f i g u r a t i o no fc a rs t e e r i n gk n u c k l ef o r g i n g 2 4 3 轿车转向节典型成形工艺介绍 新工艺的制定总是在原有工艺的基础上不断改进而逐渐形成的，所 以，了解轿车转向节典型成形工艺过程对其成形新工艺的制定有着重要的 借鉴作用。 目前，国内外生产转向节的典型成形工艺主要有以下几种： ( 1 ) 制坯弯曲终锻工艺国外在4 0 m n 热模锻压力机上采用该工艺锻 造轿车转向节，其主要工步为： 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 开式镦挤制坯：主要是利用方坯在水平方向上将转向节的两长瓜初步 镦挤成形。 去连皮：将两长爪间多余的连皮去除。 弯曲：该工步将转向节的两长爪进行空间弯曲，以便顺利放入终锻模 膛中。 终锻：用开式模锻的方式最终锻出带毛边的转向节。 该工艺虽然能够实现锻件的成形，改善制件组织性能；但是预制坯工 序中工步多、能耗大、材料利用率低锻件成本高、金属流线不完整。 ( 2 ) 半封闭挤压工艺半封闭挤压工艺是随着闭式挤压工艺的发展而 刚刚兴起的，兼有闭式锻造和开式模锻的优点，其主要工步为： 墩粗：可以得到合理的毛坯，而且具有去除氧化皮的作用。 半封闭挤压预制坯：在半封闭挤压模膛( 小爪端部设计为开式，其余部 分为闭式) 中将两长爪初步挤压成形，底部挤成规则圆锥形，为终锻提供了 稳定可靠台匀毛坯。 终锻：用开式模锻的方式最终锻出带毛边的转向节。 该方案为终锻提供了稳定可靠的预制坯、保证了锻件质量、尺寸精度 高、表面质量好、金属纤维流向合理，其工艺较常规工艺先进，但预制坯 成形较困难、材料利用率低。 ( 3 ) 两步法闭塞侧弯挤压精密成形工艺同开式模锻相比，闭塞锻造在 很大程度上可提高金属流动性、材料的利用率、锻件精度和产品的机械性 能。其主要工步为： 在可分凹模中闭塞侧弯挤压精密预制坯：由于凹模是可分的，为了防 止开模和金属外溢形成飞边，一般采用台专用双动压力机进行闭塞挤压， 内滑块提供冲头的挤压力，外滑块提供合模力。由于锻件水平投影面积一 般远大于挤压筒面积，因此闭塞挤压时合模力往往大于挤压力，所以这种 压力机外滑块的吨位一般要大于内滑块的吨位，这也是它区别于普通双动 压力机的地方。以此在模膛中成形出可靠的预锻件。 终锻；用开式模锻的方式最终锻出带有小飞边的转向节。 该方案显著提高了材料的利用率，金属流线完整，尺寸精度商，制品 4 第2 章轿车转向节成形新工艺的制定 的机械性能和抗腐蚀性明显优于传统方法的成形件；但是采用这种方法， 要求模具材料具有很好的韧性、耐高温、耐磨损性能。另外需要一台专用 双动压力机，增加了设备投资，提高了锻件成本【7 1 ”“。 综上所述，各方案的区别主要在于预制坯工序的不同，可见预制坯工 序在各成形工艺方案中是非常关键的，直接影响到制品的机械性能和材料 的利用率。各预制坯工序虽然不尽相同，但各有利弊，我们在其基础上， 制定出了轿车转向节成形新工艺方案。 2 4 4 轿车转向节成形新工艺方案的确定 捷达轿车转向节的材料为4 0 c r ，该材料变形抗力很大【4 “，如表2 3 所 示。从图2 2 可以看到该零件形状复杂，其形状复杂系数达s 。为了减少 成形工步，降低对设备的要求，我们采用将热挤压成形预制坯倾斜放置于 终锻模膛后，进行开式模锻的成形工艺，该成形工艺的主要难点在于预制 坯形状的确定。另外在变形过程中，温度由于热传导不断降低，金属变形 抗力增加，为了解决这个问题，将坯料加热到1 2 0 0 0 c 作为始锻温度。采用 在保护气体中进行中频感应加热，以减少金属氧化皮的产生和避免不必要 的模具磨损，而且还能提高锻件表面质量和劳动生产率，改善劳动环境。 表2 - 3 常用钢种的强度极限0 6 ( m p a ) 1 ”1 t a b l e2 - 3u l t i m a t es t r e n g t ho fc o m m o ns t e e lg r a d e p 2 、翌度( 。c ) 帮号 2 08 0 09 0 01 0 0 01 1 0 01 2 0 0 q 2 3 5 2 3 58 05 03 02 11 5 1 03 4 06 84 73 252 6158 4 56 0 01 1 08 35 l3 l2 l 4 0 c r7 5 01 4 99 3 25 954 372 7 基于热挤成形理论和典型成形工艺优缺点分析，本文提出了转向节成 形新工艺方法： 为了减少成形工步数和提高锻件材料利用率，采用复合挤压精密预制 坯，即在挤压型腔中正挤出大爪和侧挤出小爪部分( 我们称其为复合挤压) ， 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 此工序的目的是将坯料体积进行重新分配，这样转向节成形较困难的两细 长爪在终锻成形时，相对容易了很多；然后将坯料倾斜放置于终锻型腔中， 这样在终锻成形时，弯曲与填充型腔过程同时发生，与传统工艺相比明显 简化了工艺，以此成形锻件最终形状：最后再进行冲孔和切飞边。工艺过 程如下： 下料一中频感应加热一复合挤压精密预制坯一终锻一冲孔和切飞边 采用这种方法，可以实现： 简化工艺：传统工艺为4 序，轿车转向节采用新工艺，主要工序为2 序成形，节时、节能，能减少工序成本、物流和传输成本。 提高材料的利用率：传统工艺材料利用率为4 0 ，轿车转向节采用这 种新工艺后材料利用率可达到7 0 以上。 提高制品机械性能：轿车转向 节采用这种新工艺制坯，金属流线完整，制品机械性能和抗腐蚀性能明显 提高。 降低对设备的要求：有的i z 方案设备投资大，模具受内压大易磨损。 而本文提出的工艺方案在普通热模锻压力机上即可完成成形过程，或在两 台普通设备上实现，从而生产出低成本的具有国际竞争力的锻件。 2 5 本章小结 ( 1 ) 简单介绍了热挤、温挤、冷挤三种挤压方法的优缺点，对影响热挤 压工艺的几个重要因素如温度、润滑等进行了分析，为新工艺的制定做好 了铺垫。 ( 2 ) 简单介绍了转向节的几种典型成形工艺，分析了它们的优缺点，为 其新成形工艺的制定起到了定的借鉴作用。 ( 3 ) 通过对捷达轿车转向节形状、结构和材质的分析，结合各典型成形 工艺的优点，制定了捷达轿车转向节成形新工艺。 1 6 第3 章挤压预制坯工序的数值模拟 第3 章挤压预制坯工序的数值模拟 3 1引言 金属塑性成形技术作为金属加工的主要方法之一，己被广泛地应用于 实际生产中。随着生产发展的需要，越来越多的塑性成形问题，特别是形 状复杂、内部质量和精度要求高的产品成形问题，需要在理论上来进行分 析，这就要求进一步了解金属塑性成形过程中的金属流动规律、应力和应 变场的分布情况及模具的受力情况，以便在成形前，对塑性成形结果做出 准确的预测，并通过采取优化模具结构等相应措施保证产品的高质量、高 精度。 金属塑性成形问题实际上是一个复杂的大变形问题，既有几何非线性 问题，又有物理非线性问题，加上复杂的边界条件，使得变形机理十分复 杂。其成形过程是一个受多种因素的影响的复杂过程，材料性能、模具形 状、坯料形状、工艺参数、温度等对成形过程都有影响。以往在处理此类 问题，主要是依靠实验、经验或是在较多的简化和假设的前提下进行理论 分析，不仅造成人力和物力的浪费，而且这样的理论分析结果与实际结果 往往有很大的出入，因此在实际应用中受到较大限制。随着数值模拟技术 的应用，传统的经验设计方法迅速地被更有效的基于模拟的设计方法代替。 所谓模拟式设计就是对成形过程中的金属流动行为进行追踪描述，并在计 算机上反复演示成形过程，以揭示金属流动的实际规律和研究各种因素对 成形过程的作用和影响，这样，设计人员可在计算机上分析工艺参数与材 料流动之闻的关系，观察成形的过程，确定是否产生内部及宏观缺陷，预 测成形载荷和产品的组织性能，从而可在计算机上进行工艺参数和模具形 状的优化【4 3 4 8 1 。 随着计算技术和计算机应用的曰益普及，尤其是有限元技术的不断完 善，金属塑性成形过程的数值模拟技术得到了飞速发展，使塑性成形理论 向实际应用方向迈进了一大步。针对具体的产品和材料，应用数值模拟技 术可以定量地分析各种成形工序的应力、应变分布情况，了解塑性流动规 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 律、温度场分布情况以及各变形参数的影响作用等等。正是由于有限元分 析方法具有广泛的适应性，使其成为塑性成形理论研究中不可缺少的一个 组成部分【4 4 】。 塑性有限元方法可以分为弹塑性有限元、刚塑性有限元和刚粘塑性有 限元。弹塑性有限元法的主要优点是考虑弹性变形和塑性变形的相互联系， 不仅可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等信息，而且可以 有效地处理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。刚塑性有限元法 忽略了材料的弹性变形部分。在体积成形问题中，坯料的塑性变形量很大， 弹性变形量相对较小，同时回弹对锻件的精度影响不大。因此，用刚塑性 有限元法模拟体积成形过程是比较合适的。刚粘塑性有限元法考虑了金属 在高温或某些应变速率敏感的材料在常温条件下表现出的材料粘性对塑性 变形规律有较大影响的问题p 5 1 。 本章基于刚塑性有限元分析方法，以d e f o r m t m ( d e s i g n e n v i r o n m e n t f o rf o r m i n g ) 数值模拟软件为工具，对成形过程及各种成形参数对成形过程 的影响进行了模拟。 3 2 刚塑性有限元方法 3 2 ，1刚塑性有限元法增量理论的广义变分原理 3 2 1 1 基本假设刚塑性有限元法的求解是建立在以下假设的基础上 的： ( 1 ) 忽略材料的弹性变形，不计质量力和惯性力； ( 2 ) 材料均质，且各向同性； ( 3 ) 材料体积不变； ( 4 ) 材料服从m i s e s 屈服准则，且等向强化； ( 5 ) 剐塑性材料仅发生应变强化。 3 2 1 2 基本方程 ( 1 丹衡微分方程： o - = 0 ( 3 - 1 ) 1 窖 第3 章挤压预制坯工序的数值模拟 ( 2 ) 速度和应变速率关系( 几何方程) ： 乇= 音 。+ “，) ( 3 - 2 ) ( 3 ) 应力、应变速率关系( 本构关系) ： d ；= 三3 辜e 。( 3 - 3 ) ( 4 ) m i s e s 屈服准则； 孑= 主蚴弧 ( 3 4 ) ( 5 ) 体积不可压缩条件： ，= 0 f 占f = = 0 ( 3 - 5 ) ( 6 ) 边界条件： 在力面s f 上 栉，= e 在速度面s 。上“= _ f( 3 6 ) 3 2 1 3 刚塑性材料的变分原理刚塑性有限元法的基础是刚塑性材料的 变分原理。设变形体的体积为v ，表面积为s ，在s f 上给定面力冠，在s 。 上给定速度玩，则在满足几何条