臥鍛重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)工藝的試驗(yàn)研究

1、摩擦壓力機(jī)上重卡轉(zhuǎn)向節(jié)臥鍛工藝的實(shí)驗(yàn)研究北京機(jī)電研究所 蔣鵬 韋韡 余光中 李亞軍福建暢豐車橋制造有限公司 王燦喜 賴?guó)P彩 王藝宏摘要本文介紹了在MFP-8000型雙盤摩擦壓力機(jī)上臥式模鍛重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)工藝的實(shí)驗(yàn)研究過(guò)程與結(jié)果分析情況。工藝流程為：感應(yīng)加熱-壓扁-旋轉(zhuǎn)90°再次壓扁-頭部鐓粗-預(yù)鍛-終鍛，采用一臺(tái)KR150-2 F 2000多關(guān)節(jié)機(jī)器人自動(dòng)化操作，可以實(shí)現(xiàn)一火成形。在工藝試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了充不滿、打不靠、折疊、開裂、粘模等工藝缺陷，通過(guò)研究分析，找出了產(chǎn)生缺陷的原因，并采取了具體對(duì)策，保證的工藝過(guò)程的順利進(jìn)行。目前，該工藝已經(jīng)成功地用于批量生產(chǎn)。關(guān)鍵詞：重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)

2、；臥式模鍛；工藝缺陷；工藝試驗(yàn)1 引言轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的重要安全零件，其形狀復(fù)雜，成形難度較大，而且對(duì)鍛件質(zhì)量要求高?？ㄜ囖D(zhuǎn)向節(jié)的特點(diǎn)是零件負(fù)荷更大，鍛件體積重量也大，重型卡車尤其如此。鍛造該類轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)需要更大的鍛造設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)根據(jù)其形狀有兩種鍛造工藝，一種是沿桿部軸線方向分模的工藝，鍛造時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)呈水平狀態(tài)，簡(jiǎn)稱臥鍛工藝，另一種是是沿與桿部軸線垂直方向分模的工藝，鍛造時(shí)轉(zhuǎn)向節(jié)呈垂直狀態(tài)，簡(jiǎn)稱立鍛工藝。立鍛重卡轉(zhuǎn)向節(jié)工藝一般在熱模鍛壓力機(jī)上鍛造成形（簡(jiǎn)稱機(jī)鍛），一般沿頭部鍛件水平投影最大處曲面分模，工藝過(guò)程為：鐓粗?jǐn)D壓預(yù)鍛終鍛，其工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在擠壓。典型代表為北京機(jī)電研究所為中國(guó)

3、重汽鍛造廠開發(fā)的63000kN熱模鍛生產(chǎn)線及其工藝，該工藝技術(shù)先進(jìn)，鍛件質(zhì)量好，材料利用率高，生產(chǎn)效率高，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)1。后來(lái)重慶大江信達(dá)車輛有限公司鍛造廠也采用了該種工藝，取得了較好的效果。北京機(jī)電研究所為湖北三環(huán)鍛造有限公司在其引進(jìn)設(shè)備最大打擊力為63000kN的直驅(qū)式電動(dòng)螺旋壓力機(jī)上開發(fā)的奔馳重卡轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝也是一種典型的立鍛工藝2 ，和斯太爾重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)相比，奔馳重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，成形難度更大，在成形過(guò)程中擠壓、預(yù)鍛工步的設(shè)計(jì)尤其重要，通過(guò)數(shù)值模擬和工藝試驗(yàn)，保證了坯料流向合理，不產(chǎn)生缺料或折疊等缺陷?，F(xiàn)該工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。臥鍛重卡轉(zhuǎn)向節(jié)一

4、般在5t以上大噸位模鍛錘上鍛造成形（簡(jiǎn)稱錘鍛），典型工藝是谷城三環(huán)鍛造和聊城光岳的5t模鍛錘上的轉(zhuǎn)向節(jié)成形技術(shù)，錘鍛重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)一般采用自由鍛制坯，一般需要兩火次，質(zhì)量較低，隨著汽車工業(yè)對(duì)零部件質(zhì)量要求的逐漸提高，這部分錘鍛產(chǎn)品有向機(jī)鍛成形發(fā)展的趨勢(shì)。1993-1994年北京機(jī)電研究所為柳汽的40000kN熱模鍛生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)中型卡車的臥鍛轉(zhuǎn)向節(jié)全套工藝，鍛造工藝過(guò)程為：輥鍛-壓扁-鐓粗-預(yù)鍛-終鍛?？梢詫?shí)現(xiàn)一火成形。由于柳汽40000kN噸熱模鍛生產(chǎn)線最后未能投產(chǎn)，該工藝未能得到實(shí)際驗(yàn)證。其中輥鍛工步可由兩次壓扁替代，第2次壓扁時(shí)坯料旋轉(zhuǎn)90º，其實(shí)質(zhì)是將桿部拔長(zhǎng)。東汽公司鍛造廠有

5、在熱模鍛壓力機(jī)上應(yīng)用該工藝的成熟例證3。熱模鍛壓力機(jī)生產(chǎn)線投資大，建設(shè)周期長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)摩擦壓力機(jī)應(yīng)用最為普及，且投資小，見效快，如果能在摩擦壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)重卡轉(zhuǎn)向節(jié)一火臥鍛工藝，將開辟一種重卡轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造新工藝。本文介紹的就是北京機(jī)電研究所與福建暢豐車橋制造有限公司開發(fā)該種工藝的情況。2 試驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)材料福建暢豐車橋制造有限公司轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造線由一套1250kW中頻加熱設(shè)備，一臺(tái)MFP-8000型雙盤摩擦壓力機(jī)，一臺(tái)用于切邊的J53-400D摩擦壓力機(jī)以及一臺(tái)KR150-2 F 2000多關(guān)節(jié)機(jī)器人組成。其中，轉(zhuǎn)向節(jié)零件是在青島青鍛鍛壓機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MFP-8000型雙盤摩擦壓力機(jī)上模鍛成型的

6、。該設(shè)備采用組合預(yù)應(yīng)力機(jī)架，PLC控制，全行程制動(dòng)，并且配備有噸位儀和液壓頂料裝置。圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造線雙盤摩擦壓力機(jī)工作原理：電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)大三角皮帶輪使摩擦盤主軸回轉(zhuǎn)，通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)，使帶有兩個(gè)摩擦盤的主軸產(chǎn)生左右方向的移動(dòng)；當(dāng)飛輪與摩擦盤摩擦?xí)r，就使活動(dòng)部分產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行錘擊。當(dāng)主軸產(chǎn)生左右橫向移動(dòng)時(shí)，主軸上的摩擦盤便與飛輪發(fā)生單邊摩擦，如果是右邊摩擦盤與飛輪接觸，則使滑塊提升；反之滑塊向下運(yùn)動(dòng)。飛輪回轉(zhuǎn)時(shí)積蓄了能量，當(dāng)飛輪逐漸下降時(shí)由于飛輪與摩擦盤接觸半徑逐漸增加，就使飛輪的回轉(zhuǎn)速度急速增加，最后將得到最大的能量而進(jìn)行錘擊。表1 MFP-8000型雙盤摩擦壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)數(shù)值公稱力

7、(kN)40000最大打擊力 (kN)80000允許長(zhǎng)期使用壓力 (kN)63000運(yùn)動(dòng)部分能量 (kJ)850滑塊行程 (mm)800行程次數(shù)(min-1)9最小裝模高度800工作臺(tái)墊板厚度300工作臺(tái)面(左右×前后) (mm) 1300×2350滑塊底面(左右×前后) (mm)1110×2200頂料方式液壓最大頂料力 (kN) 800最大頂料行程 (mm)250主電機(jī)功率 (kW)185×2所用軋制圓坯為江陰某鋼鐵制品有限公司生產(chǎn)的130 mm的40Cr圓鋼。試驗(yàn)階段使用過(guò)首鋼新鋼鋼鐵有限公司生產(chǎn)的140 mm圓鋼，通過(guò)車削加工成130 m

8、m的圓坯。3 試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的缺陷及解決措施31 充不滿對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)這些帶枝芽的鍛件模鍛時(shí)，常常在枝芽處充不滿。該類鍛件模鍛時(shí)在枝芽處充不滿的原因通常是由于此處金屬量不足。因此，預(yù)鍛時(shí)應(yīng)在該處聚集足夠的金屬量。為便于金屬流入枝芽處，預(yù)鍛模膛的枝芽形狀應(yīng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，與枝芽連接處的圓角半徑適當(dāng)增大，在分模面上設(shè)阻力溝，加大預(yù)鍛時(shí)流向飛邊的阻力3。 圖2 充不滿 圖3 預(yù)鍛模膛及阻力溝此外，通過(guò)試驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)在預(yù)鍛時(shí)將轉(zhuǎn)向節(jié)頭部稍稍放低，桿部略為上翹，則頭部充填效果較好，并不出現(xiàn)明顯的缺料現(xiàn)象。這也說(shuō)明了材料在切應(yīng)力下流動(dòng)要好于壓應(yīng)力。32 打不靠7.5噸貨車用轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造時(shí)，材料大量流出飛邊倉(cāng)，進(jìn)入承擊

9、面，造成零件打不靠。鍛件厚向尺寸偏大。其中，當(dāng)坯料為140 mm×320mm時(shí)偏大9mm；當(dāng)坯料為130mm×325 mm時(shí)偏大6mm。解決方案：按飛邊輪廓加深，加寬飛邊倉(cāng)部。153轉(zhuǎn)向節(jié)也存在打不靠的現(xiàn)象，不過(guò)情況比7.5噸好些，厚向尺寸只偏大2mm左右。按飛邊輪廓適當(dāng)加深，加大飛邊倉(cāng)。33 折疊（1）折疊部位位于兩個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)叉的上部。如圖所示 圖4 零件飛邊與上模 圖5 轉(zhuǎn)向節(jié)叉上的折疊根據(jù)折疊的部位，分別對(duì)預(yù)鍛，鐓粗，壓扁等工序進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)，該處折疊來(lái)源于第一道壓扁。由于坯料在壓扁后伸長(zhǎng)較大，有一部分超出了模具型槽，壓扁后形成很深的褶痕。經(jīng)過(guò)后續(xù)工序，最終在轉(zhuǎn)向節(jié)叉處

10、形成折疊。 a) 第一次壓扁 b) 第二次壓扁 c) 局部鐓粗 d) 預(yù)鍛 e) 終鍛圖6 叉部折疊的來(lái)源及演變對(duì)策：將第一工步壓扁型槽加長(zhǎng)，使局部壓扁變成整體壓扁，消除褶痕，避免后續(xù)工序出現(xiàn)折疊。（2）折疊處于法蘭盤附近與叉部過(guò)渡處這些折疊在預(yù)鍛時(shí)其實(shí)就已經(jīng)很清晰的顯露出來(lái)了。折疊褶痕折疊 圖7 法蘭盤與叉部過(guò)渡處的折疊 圖8 預(yù)鍛時(shí)的褶痕 圖9 鐓粗時(shí)的褶痕再往前追溯到鐓粗工序。明顯發(fā)現(xiàn)在叉部發(fā)生折疊處存在很深的褶痕（圖9所示）。同時(shí)，在法蘭盤中部有一道凹痕，從法蘭盤向轉(zhuǎn)向節(jié)根部擴(kuò)展。法蘭處較深且窄，往根部延伸后變得寬且淺。這與終鍛后零件的折疊相對(duì)應(yīng)。法蘭盤處折疊明顯（圖7），顯露出一道或

11、者兩道，往桿部延伸后逐漸模糊，個(gè)別零件甚至觀察不到桿部的折疊。但是畢竟折疊是一種內(nèi)患，它不僅減小了零件的承載面積，而且工作時(shí)此處產(chǎn)生應(yīng)力集中，常常成為疲勞源，疲勞破壞斷往往就是從折疊處開始的。在熱處理中，折疊部位非常容易開裂，造成零件報(bào)廢，這在后文中會(huì)有所提及。要消除該處折疊應(yīng)該著眼于消除鐓粗中出現(xiàn)的褶皺。 a)模具圖 b)實(shí)際照片圖10 上模的鐓粗模膛由于第三工步上模圓角過(guò)小，壓下后材料又不可能全部流入模膛，邊部的材料便被壓出褶皺。因此，應(yīng)當(dāng)加大該處的圓角半徑，避免褶皺的產(chǎn)生。其實(shí)，通過(guò)加大圓角半徑來(lái)避免折疊，在本例中就有應(yīng)用。在零件圖中，轉(zhuǎn)向節(jié)桿部與法蘭盤過(guò)渡圓角只有R15，但是在鐓粗和預(yù)

12、鍛模膛中都將該處尺寸加大到了R40。因?yàn)?，折疊的起始位置與模鍛前坯料在此處的圓角半徑有關(guān)。當(dāng)圓角半徑較大時(shí)，折疊就可能全部在飛邊內(nèi)，圓角半徑較小時(shí)折疊就可能進(jìn)入鍛件內(nèi)部3。在預(yù)鍛零件（圖8）中，就可以清楚地看到圓角處的兩道折疊都被打入了飛邊之中。34 開裂試驗(yàn)階段，在經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件出現(xiàn)多處裂紋。其中幾處是由上文所述的折疊擴(kuò)展而來(lái)。但是，除了以上幾處裂紋，在轉(zhuǎn)向節(jié)桿部存在更為明顯，深刻地裂紋，由桿端一直向法蘭盤擴(kuò)展。仔細(xì)觀察，裂紋兩側(cè)有氧化跡象。 圖11 淬火后桿部開裂 圖12 裂紋兩側(cè)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象淬火后發(fā)現(xiàn)的裂紋，如果裂紋兩側(cè)有氧化脫碳現(xiàn)象，則可以肯定裂紋在淬火之前就已經(jīng)存在。淬火

13、冷卻過(guò)程中，只有當(dāng)馬氏體轉(zhuǎn)變量達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，裂紋才有可能形成。與此相對(duì)應(yīng)的溫度，大約在250以下。在這樣的低溫下，即使產(chǎn)生了裂紋，裂紋兩側(cè)也不會(huì)發(fā)生脫碳和出現(xiàn)明顯氧化。所以，有氧化脫碳現(xiàn)象的裂紋是非淬火裂紋，即該裂紋在鍛造過(guò)程中已經(jīng)存在。當(dāng)工件在鍛造過(guò)程中形成裂紋時(shí)，淬火加熱即引起裂紋兩側(cè)氧化脫碳。隨著脫碳過(guò)程的進(jìn)行，裂紋兩側(cè)的碳含量降低，鐵素體晶粒開始生核。當(dāng)沿裂紋兩側(cè)生核的鐵素體晶粒長(zhǎng)大到彼此接觸后，便向離裂紋兩側(cè)較遠(yuǎn)的基體方向生長(zhǎng)。由于裂紋兩側(cè)在脫碳過(guò)程中碳濃度的下降，也是由裂紋的開口部位向內(nèi)部發(fā)展，因而為鐵素體晶粒的不斷長(zhǎng)大提供了條件，故最終長(zhǎng)大為晶界與裂紋相垂直的柱狀晶體4。在鍛造

14、過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)根部未充滿的零件，在桿端裂開一個(gè)口子，裂紋由根部向法蘭盤方向擴(kuò)展。但是，裂紋尾端并不是常見的尖細(xì)形狀，而是呈現(xiàn)出明顯的開叉，且形狀，長(zhǎng)度都十分規(guī)則。開叉 a)桿端部裂口 b)桿側(cè)面裂紋開叉圖13 鍛造后桿部開裂 進(jìn)而檢查鐓粗和壓扁等工序零件。發(fā)現(xiàn)在第二道局部壓扁后，在端部出現(xiàn)了唇形，而不是一般情況下出現(xiàn)的鼓形。該唇形在預(yù)鍛后貼合在一起，再經(jīng)過(guò)終鍛進(jìn)一步壓合，很多時(shí)候已經(jīng)進(jìn)入到零件內(nèi)部，在表面并未留下明顯的痕跡。但是，經(jīng)過(guò)淬火之后，該處裂紋重新暴露出來(lái)，并且沿著桿部縱向開裂。觀察唇形中部可以看到有一個(gè)壓扁的小孔。由于車間沒有130mm的圓鋼，于是就將140mm的圓鋼通過(guò)車削加工成1

15、30mm的坯料。因此，在圓心處有直徑為6mm，深度為15mm左右的頂尖孔。又由于局部壓扁時(shí)送進(jìn)過(guò)小，所以出現(xiàn)怪異的唇形。在將第二道壓扁時(shí)送進(jìn)量加大20mm左右后，該現(xiàn)象基本消失，又呈現(xiàn)出鼓形。經(jīng)過(guò)熱處理后桿部也沒有出現(xiàn)裂紋。 a) 局部鐓粗 b) 第二道壓扁圖14 桿部端面的唇形折疊35 粘模造成零件粘模的因素很多，比如材料加熱溫度，材料是否擺正，模具是否松動(dòng)，錯(cuò)移，頂料裝置是否正常，模腔內(nèi)是否出現(xiàn)龜裂，脫模劑噴涂上下不均勻等。經(jīng)過(guò)初步分析，在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造中主要的原因有：1）加熱溫度不夠。在模具沒有充分預(yù)熱的情況下就開始進(jìn)行鍛造生產(chǎn)，發(fā)生粘模的幾率最大；2）坯料沒有擺正，這主要發(fā)生在預(yù)鍛工序，由

16、于鐓粗后的坯料與預(yù)鍛模膛形狀相差較大，對(duì)于鍛造工人的經(jīng)驗(yàn)和技能要求較高，當(dāng)坯料擺放位置不正確時(shí)容易發(fā)生粘模；3）脫模劑噴涂不均勻。在噴涂時(shí)下模往往容易積聚脫模劑，而上模對(duì)脫模劑的吸附量不多，因此粘模往往發(fā)生在上模；4）模腔出現(xiàn)龜裂。由于鍛造過(guò)程中模具急冷急熱，很容易出現(xiàn)熱疲勞缺陷。這些龜裂和褶皺降低了模腔的表面光潔度，也會(huì)造成粘模；5）脫模斜度太小。飛邊橋口及飛邊倉(cāng)脫模斜度太小，當(dāng)坯料流動(dòng)到這些位置很容易被卡住，造成脫模困難。 圖15 飛邊倉(cāng)脫模斜度太小 圖16 飛邊橋及模腔內(nèi)的龜裂針對(duì)上述分析，采取對(duì)策如下：1）模具需充分預(yù)熱到200ºC至250ºC才允許開始鍛造生產(chǎn)；2

17、）加強(qiáng)工人的培訓(xùn)，樹立質(zhì)量意識(shí)和標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)，擺放零件力求準(zhǔn)確到位；3）減少甚至取消下模脫模劑的噴涂，加大上模的噴涂量，必要時(shí)在零件上噴灑鋸末；4）盡量減少模具與工件的接觸時(shí)間，避免模具龜裂和褶皺的發(fā)生。對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)的缺陷用拋光機(jī)去除，保證模腔的光潔度；5）利用砂輪及拋光機(jī)將飛邊橋口和飛邊倉(cāng)的脫模斜度適當(dāng)加大。4 結(jié)語(yǔ)在MFP-8000型雙盤摩擦壓力機(jī)上臥式模鍛重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)工藝的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其工藝流程為：感應(yīng)加熱-壓扁-旋轉(zhuǎn)90°再次壓扁-頭部鐓粗-預(yù)鍛-終鍛，采用一臺(tái)KR150-2 F 2000多關(guān)節(jié)機(jī)器人自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)了一火成形。在工藝試驗(yàn)過(guò)程中，出現(xiàn)了充不滿、打不靠、折疊、開裂、粘模等工藝缺陷，通過(guò)研究分析，找出了產(chǎn)生缺陷的原因，