汽车转向节的锻造工艺.pdf

2012 年第 1 期 锻 造FORGING 1前言 转向节是汽车的保安件， 如果它出问题， 将会出 现车毁人亡的重大事故。 汽车转向节几何形状复杂， 属于复合类锻件， 由叉类、 盘类、 杆类三部分组成。 锻 造工艺需兼顾三种锻件的成形特点，被锻造行业公 认为复杂锻件。现在有一些汽车的转向节还增加了 转向臂和横拉杆臂， 结构更为复杂 （图 5 ） ， 目前这种 转向节在面包车和轻型车使用较多，也有个别重型 汽车使用这样结构的转向节。图 3 所示是某轻型车 的转向节， 它的结构很特殊， 锻造难度较大。过去转 向节锻造大都使用 3t、 5t、 10t 模锻锤、 13tm 双动锤 和一些其他锻造设备， 但生产效率低、 产品质量差。 改革开放以后，我国的汽车产量每年都以两位数字 的速度增长， 转向节的需求量也飞速增加， 过去的生 产方式已经不适用于现代化和大批量生产的需要。 自东风汽车公司建厂开始，我国陆续购置了热 模锻压力机， 配置了中频电炉， 东风汽车公司成功地 开发了使用热模锻压力机锻造生产转向节的工艺， 开创了热模锻压力机锻造转向节的新纪元，改变了 我国生产转向节的落后局面。 20 世纪 90 年代初期，济南汽车制造总厂和北 京机电所、中国重机公司合作开发了立式锻造转向 节挤压生产工艺，使锻造转向节工艺向前迈进了一 大步。 转向节从几何形状和成形工艺上分可以分为两 大类： 一类是需立式锻造成形， 如图 1 所示； 另一类 是需卧式锻造成形 （见图 2、 图 4 所示 ） 。图 3 和图 5 所示的转向节也需立式锻造，但因为它结构特殊或 带有转向臂， 在下文中 单独介绍。 斯太尔系列、 北方 奔驰系列、曼系列、 南 京依维柯面包车、 全顺 面包车等车型的转向 节需要采用立式锻造 的方法生产； 沃尔沃系 列、 日产柴系列、 美驰 系列、 东风系列、 解放系列一部分车型的转向节需要 采用卧式锻造的方法生产。 经过锻造技术人员近 20 年的努力， 立式锻造转 向节，采用闭式预锻开式终锻的生产工艺已经普 及， 有关工厂、 科研所和大专院校对立式锻造转向节 总结了许多经验，现在国内立式锻造转向节的工艺 水平已经达到先进工业国家的水平。卧式锻造转向 节和立式锻造转向节在工艺和模具上又有很大的区 图 3结构特殊的转向节图 4沃尔沃汽车转向节 文章编号： 16720121 （2012 ） 01005804 汽车转向节的锻造工艺 付翔 （中国重汽锻造厂， 山东 济南 250116 ） 摘要： 以斯太尔转向节为例介绍了立式锻造转向节工艺； 以沃尔沃转向节为例介绍了卧式锻造转向节工 艺； 以某轻型汽车转向节为例介绍了锻造带转向臂转向节工艺。叙述了锻造转向节的设备、 生产中出现的质 量问题及对热处理要求， 最后对锻造生产转向节的经济效益进行了分析。 关键词： 机械制造； 模锻； 转向节； 工艺分析； 汽车 中图分类号： TG315文献标识码： B 收稿日期： 2011-10-25 作者简介： 付翔， 男， 教授级高工， 从事汽车锻件生产工艺的设计 研究 图 2东风汽车转向节 图 1斯太尔汽车转向节 364 图 5某轻型车转向节 58 2012 年第 1 期 锻造FORGING 别， 目前国内对前者研究相对较少。 2转向节锻造工艺流程 材料检测下料 （锯床 ） 加热制坯预锻 终锻切边校正冷却后转热处理。立式锻造的 制坯工序为： 镦粗闭式挤压。 卧式锻造的制坯工序 为： 拍扁调头拍扁。 工艺的可靠性是稳定生产的核心。 设计锻造转向 节生产线 （或机组） 涉及许多领域， 需要多学科的配 合。其中工艺设计是工厂设计的第一步， 即工艺设计 是锻造生产的基础。 在工艺设计中， 模具的设计、 变形 力的计算、 材料定额、 热处理要求、 质量稳定性、 经济 效益等数据， 是选择生产方式、 锻造设备、 加热设备、 下料设备， 切边整形设备、 机械手、 热处理设备的重要 依据。还是确定生产效率和保证产品质量的前题。 3锻造设备 锻造转向节使用什么设备要根据生产批量而 定， 目前有三类设备可以选择。一类是模锻锤， 这一 类设备只适用于小批量生产， 而且工艺落后， 产品质 量也较低， 不适于现代化的需要， 但投资较少。第二 类是螺旋压力机或液压机，这一类设备也只能用于 中、 小批量生产。第三类就是热模锻压力机， 大批量 生产转向节使用热模锻压力机最为适宜， 目前， 世界 上大多数锻造厂都在使用热模锻压力机锻造转向 节。热模锻压力机可设置多个型槽， 设备有下死点， 可提高模具寿命，热模锻压力机一个行程完成一个 工序， 工作可靠、 生产效率高、 易于实现自动化生产、 受其他因素影响小、 锻件质量稳定， 缺点是设备投资 较大。各种车型转向节锻造使用热模锻压力机顿位 各异： 依维柯面包车、 全顺面包车等使用 20000kN 25000kN 级。 中型汽车使用 40000kN 级。 沃尔沃、 斯 太尔载重车和北方奔驰使用 63000kN 级。 4锻造准备工序 4.1材料快速检测 因为转向节对于汽车行驶的安全至关重要， 因 此，建议在材料进入下料车间前，应做成份快速检 测， 定性检查每一根料的主要成份。 每根检测时间很 短， 只需几秒钟。 4.2下料方式 锻造转向节使用的材料粗而短，而且对材料端 面要求较高， 需采用锯床下料。 比较先进的方法是选 用高速锯床下料。高速锯床每分钟可下转向节料 3 块， 而且可以把上一块下料的重量公差， 反映到下一 块的下料程序上， 自动调节下料长度。 另一种下料方 式是旋转剪切， 这种剪切方法不会出现马蹄形， 如果 是专业化锻造转向节的工厂， 采用专用的加热方式， 可以采用旋转剪切下料方式。 4.3加热工序 加热的方式有电炉和煤气 （天然气 ） 两种能源， 在有条件的地方优先选用电炉加热的方式。采用电 炉加热优点很多， 操作方便， 能量利用率高， 加热质 量好， 对周围环境污染较小。虽然一次性投资大， 但 综合经济效益高。 5转向节锻造工艺 考虑到汽车转向节的工作条件和重要性，转向 节材料， 一般使用中碳低合金钢， 常用 42CrMo 方型 或圆型热轧钢， 或相当于 42CrMo 的材料， 也有少数 厂家使用 40Cr。无论哪一种转向节， 都是由叉部、 盘 部和杆部组成，现在有一些转向节还增加了转向臂 和横拉杆臂， 结构更为复杂。 转向节各部截面相差悬 殊。 叉部左右不对称， 杆部细而长， 长径比约为 4， 占 转向节总高度的 2/3。从整个形状看， 叉部和杆部有 一定的夹角。锻造的关键在于，终锻前制坯必须合 理， 这样才能满足终锻成形要求。 5.1立式锻造工艺 以图 1 所示的斯太尔转向节为例：锻件材料 42CrMo， 锻件重 32kg， 杆长 220mm， 锻件技术条件要 求符合 DIN7526E 级标准。 两班制生产， 全年需求量 400000 件， 属中型锻件特大批量生产。根据斯太尔 转向节的的形状， 只能采用立式锻造。 从工艺的先进 性、 可靠性和操作自动化诸因素分析， 闭式挤压工艺 最为先进， 工艺质量稳定、 生产可靠、 班产量高， 同时 便于实现机械化操作。因此， 确定工艺流程： 镦粗 闭式挤压预锻开式终锻。 由于转向节锻件重量较大，锻造设备工作台面 较宽， 操作距离长， 故转向节锻造工序采用两台机械 手操作。 当加热后的坯料出炉到达指定位置， 第一台 机械手把热坯料送到压力机第一工位进行镦粗， 镦 粗的目的是清除氧化皮，镦粗后再由第一台机械手 夹起，翻转 90送到第二工位。第二工位是挤压工 序， 挤出部分杆部和叉部。 挤压模具上下设有顶出装 置， 闭式挤压的变形力为 45000kN 左右。挤压工序 完成以后， 第二台机械手伸入， 夹起锻件， 送到第三 工位进行预锻。 预锻的目的是分配金属， 使转向节的 各部分基本成形， 其变形力在 40000kN 左右。此后 再由第二台机械手把锻件送到第四工位进行终锻。 终锻变形力略低于预锻力。整个锻造生产采用机械 59 2012 年第 1 期 锻 造FORGING 手操作， 生产效率比锤上高得多， 也比没有机械手 方便得多， 同时也减少了操作人员， 减轻了工人的 劳动强度， 提高了生产效率。目前， 世界上有百余 条 25000kN63000kN 热模锻压力机转向节生产线 （或机组 ） 。中国重汽锻造厂转向节的挤压工艺已 经达到国际水平，在国内也有许多生产厂家采用 此工艺。 关于在生产中是否使用机械手问题，要据具体 情况而定， 当然全自动化， 高起点的生产线最好， 但 在很多情况下， 机械手也有不如人工操作的时候， 因 此， 设计生产线不一定要全自动化， 就是在先进的工 业国家也是如此。在瑞典 VOLVO 锻造厂,160000kN 热模锻压力机生产线是全自动化， 而 40000kN 生产 转向节还是手工操作。锻造生产自动化问题要根据 产量、 质量、 安全生产、 效益诸方面考虑。 从近二十年的生产经验来看，对斯太尔汽车转 向节而言， 如在工艺和设备做某种改动以后， 镦粗工 序和预锻工序可以省去。这样整个生产过程就缩短 一半。 目前， 这条生产线， 每分钟生产一个锻件， 如把 电炉加大一些， 使用 2000kW3000kW 电炉， 一分钟 生产两件到三件是可能的， 产量会翻一翻。 5.2卧式锻造工艺 有些汽车的转向节 （图 2、 图 4 ） 由于形状的原 因， 只能采用卧锻的方法完成。 过去国内热模锻压力 机卧锻生产汽车转向节工艺采用压扁二次 （调头， 翻转 90 ） 压扁预锻终锻成形。生产效率较低， 工人劳动强度较大。 笔者通过与美驰车桥厂交流，他们卧式转向节 采用两道工序： 闭式挤压终锻。材料利用率 （锻件 重/原材料重 ） 约在 85%。瑞典沃尔沃锻造厂锻造的 转向节 （图 4 ） ， 材料 42CrMo， 卧式锻造工序为： 闭式 预锻开式终锻。 沃尔沃锻造厂锻造转向节使用美国克林宁公司 生产的 40000kN 热模锻压力机。加热后坯料由滑道 传到指定位置后， 人工夹起坯料放到闭式预锻模中， 压力机压下完成预锻工序，然后人工翻转放入终锻 型槽， 压力机最后锻造成形。终锻型槽水平分模， 人 工把成形的转向节送出压力机，锻件通过输送带送 到切边工位进行切边。每分钟生产三件，生产速度 快， 整个锻造生产人工操作， 过程简单。 闭式挤压的变形力为 44000kN 左右， 终锻变形 力在 40000kN 左右。瑞典技术人员自己承认使用 40000kN 压力机生产转向节， 吨位偏小， 设备工作超 负荷， 但仍在设备安全系数之内， 如选 63000kN 热 模锻压力机更好。观察转向节锻件，毛边分布不均 匀， 杆部尾端飞边很小， 但产品成形好， 说明金属材 料的分配尚好， 但不富裕。在热挤压过程中， 立式挤 压和卧式挤压的模具是不同的，立式挤压是先挤转 向节杆的尾部， 而卧式挤压则是先挤杆的根部。 沃尔沃锻造厂坯料加热后， 没有清氧化皮工序， 从锻件上看氧化皮很少，这说明他们的加热速度很 快, 时间很短，形成氧化皮很少，加热炉功率 2500kW3000kW。 估计他们在加热过程中采用了还 原性气体。 沃尔沃重型汽车转向节杆部不太长， 约在 220 mm 左右。但现在汽车行业中还有一种汽车的转向 节的杆部比较长， 虽然这种汽车数量比较少见， 但也 代表一个方面。 象杆部很长的转向节在闭式挤压前， 如果没有一个制坯工序， 它的杆部很可能挤不出来， 因此， 增加一个成形镦粗或拍扁工序是有必要的。 但 是否保留成形镦粗或拍扁工序，还得根据具体情况 而定。 5.3带转向臂的转向节锻造工艺 图 5 所示是某轻型汽车的转向节，是典型的带 有转向臂的转向节。 除了具备一般转向节的特点外， 还多了一只臂。 根据其几何形状， 多数采用立式锻造 成形工艺。 也有少数采用卧式锻造的方法。 由于形状 复杂， 金属分配更困难， 一道闭式挤压工序几乎不能 使金属分配达到理想的要求， 因此， 很多情况下， 要 设置成形镦粗或制坯工序。 采用三道工序完成： 第一制坯工序， 第二闭式挤 压， 第三终锻成形。制坯工序不仅要清除氧化皮， 更 重要的是进行金属材料的初次分配，为闭式挤压做 准备工作； 闭式挤压的目的是进一步分配金属， 使闭 式挤压后的锻坯接近锻件形状；终锻只是使毛坯达 到图纸要求的过程。 转向节在 25000kN 热模锻压力上锻造， 坯料加 热后， 通过滑道送到压力机旁， 由人工夹起放入第一 工位进行成形镦粗， 此时主要完成叉部的金属分配， 同时又为挤压杆部和转向臂聚集金属。然后下顶杆 顶出锻件， 由人工将坯料翻转 90送到第二个工位， 作闭式挤压， 完成转向臂的金属分配， 为杆部的成形 储备金属， 此时杆部仍未完全成形。 挤压工序的变形 力约在 18000kN 左右； 然后人工再将坯料送到第三 道工位， 压力机使杆部、 转向臂和叉部全部成形， 完 成锻造工序。整个锻造过程一火完成，时间约半分 钟。 在这三个工序中， 成形镦粗和挤压工序的设计思 想是每一道工序完成转向节的一个部位金属分配， 同时又为下一道工序的金属成形做材料储备。成形 锻件由人工推出压力机， 传送带送切边工序。 60 2012 年第 1 期 锻造FORGING 6后续锻造工序 （1 ） 切边工序 （以斯太尔转向节为例 ） 斯太尔转向节的切边和校正在一台设备上完成, 人工操作。切边力约 2000kN 左右, 校正力约在 4300kN 左右。 切边模凹模在上,凸模在下,切边时,带飞 边的锻件放在凸模上， 凹模下行切掉飞边， 凹模中的 顶出机构将转向节从凹模中顶出。 下置凸模与锻件是 平面接触， 贴合面非常好， 切边时锻件不动， 凹模和毛 边上、 下运动。因此， 锻件变形小。卧式转向节切边工 序： 为减小切边变形力， 切边凹模设计为梯形结构。 （2 ） 校正工序 （以斯太尔转向节为例 ） 斯太尔转向节校正工序的目的是校正转向节盘 部和杆的几何关系。 由于切边模的凹模倒置， 转向节 主要变形在盘部， 故校正模的设计以压平盘部为主。 校正后的转向节在料箱内进行堆冷。 立锻切边和校正工序一般设计在一台设备上， 吨位在 5000kN8000kN。由于切边和校正的行程比 较大， 所以标准规格的曲柄压力机的行程空间不够， 需要改变设备参数， 加大曲柄的尺寸， 随之切边压力 机要做一系列的改动， 比较麻烦。 如果使用油压机更 为方便， 因为在油压机制造时， 要改变滑块行程是件 很容易的事。 在沃尔沃锻造厂， 由于切边模具制造相当精确， 卧式转向节切边后， 不需要进行校正工序。 （3 ） 转向节锻后对热处理要求 （以斯太尔转向节 为例 ） 转向节锻造和热处理密切相关，转向节金属组 织关系到整车安全性和可靠性， 因此， 锻造要对热处 理提出技术要求。以斯太尔转向节为例来阐述对转 向节锻件的热处理要求：斯太尔转向节锻后不需进 行正火处理， 直接进行调质处理。 沃尔沃转向节也是 直接进行调质处理。斯太尔转向节调质后要求抗拉 强度 880MPa1030MPa， 在杆部规定的位置取样。 为了达到节能目的， 锻造后冷却到 200以下， 即可加热进行淬火处理。 为了确保调质质量， 一般情 况下不允许进行余热淬火。 调质处理后硬度为 261 304HB； 金相组织按 GB/T13320 评级， 边部 14 级， 心部允许 56 级。 表面脱碳层深度， 加工面不得超过 实际加工余量的一半，非加工面单边不得大于 1mm。 转向节热处理后表面要清理氧化皮， 任何部位 不允许有裂纹、 折叠等缺陷。 由于该锻件有效厚度差 别较大， 热处理淬火有开裂倾向。 7可能出现的质量问题 锻造转向节出现的缺陷，立式锻造和和卧式锻 造有所不同， 排除的方法也不同。 7.1立式锻造转向节 在试生产过程中容易出现中心缩孔、折叠和挤 纹三种缺陷。在正常生产中转向节杆部尾端易出现 不满模现象。 （1 ） 中心缩孔是由于闭式挤压杆部时， 挤出杆部 所需的材料主要靠叉部中心的金属来补充。如果叉 部中心金属不足以充填杆部，必然要带动周边的金 属向下流动， 由于金属流动的惯性拉动， 会造成预锻 毛坯出现缩孔。解决的方法是加大闭式挤压模具上 模对应杆部位置的金属，使挤压杆部时有充分的金 属流向杆部。 （2 ） 折叠是由于预锻和终锻型腔设计不当所致。 （3 ） 挤纹是由于预锻和终锻的模具圆角设计不 当所致。以上两个问题很好解决。 （4 ） 在正常生产时会出现杆部尾端圆角不满模 现象， 其主要原因是挤压模具预热温度较低； 二是模 具底部有较多的氧化皮和润滑剂；三是在挤压模具 设计时， 上模对应杆部位置的金属偏少， 使产品质量 不稳定。在正常生产中也可能出现杆部尾端圆角不 满模现象， 但不影响机加工， 这样的情况质检部门允 许放过。 （5 ） 在正常生产中也可能出现转向节的叉部尖 角部位少量不满模的现象，这个问题根据有关技术 条件进行处理。 7.2卧式锻造转向节 在试生产过程中也容易出现挤纹、 折叠、 杆部末 端不满模现象。 （1 ） 折叠、 挤纹产生原理和解决方法同立式锻造。 （2 ） 杆部末端不满模， 卧式锻造的不满模现象与 立式锻造不完全相同。挤压模具预热温度较低是一 个原因，最关键的是卧式锻造的闭式挤压的模具需 进一步改进， 使金属更易向杆部流动。 如确实是因为 杆部过长的话， 则需增加成形镦粗工序或拍扁工序。 8经济效益分析 目前， 钢材的价格波动较大， 其他原材料及工人 工资也在不断变化， 因此， 在分析转向节的经济效益 时只能作定性分析。 以斯太尔转向节为例， 锻件成本包括： 锻件材料 费模具费热处理费动能费工人工资设备折旧 费辅料费利润管理费税收等等。 锻件材料 42CrMo。转向节锻件市场销售价 10 11 元/kg。在这些费用中， 转向节锻件材料费约占售 价的 60%左右；模具费约占售价的 11%17% （锻造 61 2012 年第 1 期 锻 造FORGING 工艺不同， 生产组织方式不同， 模具费也不同 ） ； 热处 理费约占 9%； 其他费用约占 16%左右。 如果按目前汽车产量计算，转向节锻件供不应 求， 国内市场形势很好， 但从经济数据和生产组织上 分析， 转向节锻造是一个大投入、 大产出才有效益的 产品。 同时要说明，转向节成品的经济效益总体来讲 有三块： 一块是锻造中的经济效益， 这一块主要是由 设备利用、 能源、 工人锻造产生的经济效益， 在我国 人力资源较丰富情况下，此部分经济效益相比不算 大。 第二块是模具制造中的经济效益， 由于转向节在 锻造过程中， 模具耗量较大， 模具材料较贵， 制造技 术较高， 因此， 模具制造、 维修和使用中保养的经济 效益较大， 这一块不可忽视。 第三块是机加工中产生 的经济效益。转向节机加工工序比较复杂， 因此， 利 润也较显著。 【参考文献】 1李尊荣， 付翔.现代化锻造生产线的设计.锻压技术， 1996，（3 ） . 2于沪生， 等.汽车转向节锻件的缺陷及其消除方法.锻压技术， 1996，（2 ） . 3付翔.闭式预锻， 开式终锻锻造工艺.锻压机械， 1999， 34 （6 ） : 34-35. 4付翔.瑞典依玛特锻造厂.锻压机械， 2000， 35 （6 ） . 5付翔.面对加入 WTO， 谈锻造厂的工厂改造.锻造工业， 2001， （6 ） . Forging process of truck knuckle FU Xiang （Sinotruck Forging Factory, Jinan 250116, Shandong China ） Abstract： Taking knuckle of Steyr truck as an example, the vertical forging process for knuckle has been introduced. The horizontal forging proce