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1 第 1 章 绪 论 1.1 前言 近年来，汽车制造业得到了迅猛发展，汽车性能不断提高。锻造工艺作为机械制造技术之一，对汽车工业具有重要作用，是生产受力部件成形的重要手段。随着汽车工业的发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大，传统的加工工艺已经不能满足汽车零件产品需求。在这种情况下，锻造新工艺的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要，而先进工艺模具设计方法将对提高汽车零件设计水平、缩短零件研制周期和降低成本起着举足轻重的作用，从而大大提高汽车市场的竞争力。塑性成形是材料加工的主要方法之一，它是利用金属塑性使金属在外力作用下成形的一种加工方法。塑性成形在工业生产中得到广泛的应用，据统计，在汽车生产中70以上的零部件都是利用金属塑性加工而成。随着国内汽车制造业的迅速发展，汽车性能不断提高，汽车零部件中对高精度、形状复杂的锻件需求量越来越大，塑性加工行业迎来一个前所未有的发展机会，也面临着新的挑战。 汽车转向节是汽车前轴与前轮之间的关键零件，工作时不但要承载前轴给它的压力和地面给它的反作用力，还受到控制行使方向的扭力，其服役条件对零件的尺寸精度、表面质量和金属纤维流向都有很高的要求。国内生产此类锻件仍然存在加工余量大、成形不易充满及模具设计困难等问题，探索该类锻件的合理锻造方法对我国汽车产业发展具有重要意义。 目前汽车转向节锻件主要依靠设计人员的经验不断试模、修模来保证质量，即使经验丰富的设计人员也很难保证一次成形出合格的终锻件，反复的试模、修模不仅浪费大量时间、人力和物力，而且增加生产成本，降低企业在市场中的竞争力。近年来，随着计算机软硬件技术、金属塑性流动理论和计算机图形学等交叉学科的迅猛发展，有限元数值模拟技术得到了快速发展，以数值模拟等先进方法解决工业生产中的实际问题已成为金属成形技术的发展方向。采用有限元数值模拟方法，可实现体积成形过程的模拟分析，获得零件的成形规律、以较小的代价，在较短的时间内找到最优的和可行的设计方案，为同类零件成形工艺的研究开发和应用提供技术依据和理论指导。1.2 国内外研究现状在 1817 年德国人林肯斯潘杰提出了类似现代汽车的转向方式，德国人阿克曼改2进了他的方案并申请了专利。命名为“阿克曼转向梯形公式” 。1897 年第一个倾斜的转向器在英国考文垂的戴姆勒汽车工厂诞生了。转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，能够使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。 转向节形状比较复杂，集中了轴、套、盘环、叉架等四类零件的结构特点，主要由支承轴颈、法兰盘、叉架三大部分组成。支承轴颈的结构形状为阶梯轴，其结构特点是由同轴的外圆柱面、圆锥面、螺纹面，以及与轴心线垂直的轴肩、过渡圆角和端面组成的回转体；法兰盘包括法兰面、均布的连接螺栓通孔和转向限位的螺纹孔；叉架是由转向节的上、下耳和法兰面构成叉架形体的近年来，我国研究出铝合金转向节，性能达到了国际同类产品标准，填补了该产品的国产空白。同时，我国又成功建成了多条全自动转向节生产线，使我国的汽车转向节产业获得了快速的发展。汽车转向节是汽车关键的保安零件，其品质的优劣直接维系着乘员和货物的安全。同时，汽车转向节是形状十分复杂、成形难度很高的零件。我国传统的制造方式能耗高、材料利用率低、模具寿命低、制造成本高、生产环境恶劣，不能满足我国汽车高速发展的要求。目前，我国汽车转向节正处于发展阶段，技术水平较发达国家还存在差距。随着汽车产业的高速发展，我国汽车转向节正逐步迈向专业化、先进化。2007年，我国兵器装备集团公司自主研制的铝合金转向节顺利通过国家有色金属及电子材料分析测试中心的检测，性能达到了国际同类产品标准，成为我国第一家成功研制出铝合金转向节的企业，填补了该产品的国产空白。2008 年，我国成功建成了一条拥有中国最先进工艺技术、最小投资规模、最低制造成本、最高投入产出比、最短投资回报周期的年产 18 万件重型卡车转向节的全自动生产线，生产出外部形状完好、内部品质优良、产品一致性强、组织性能达标的转向节产品。近几年来，随着汽车产业的全球化，适合不同环境、不同要求的各种类型汽车相继出现。未来，为了满足人们的各种需求，世界各国对汽车的要求也会越来越高。未来我国的汽车转向节产业将向专业化、自动化、智能化方向发展。汽车转向节是一个异形、复杂零件，其常规典型工艺就要二十多道工序才能完成。通过消化吸收国外先进的复合加工技术理念，未来，我国将自主创新更先进的转向节加工流程和制造工艺，将实现由计算机网络全方位控制、通过机器人来进行全线的自动化制造，将原来多达数十道的工序缩短为几道。这样，不仅节省时间、人力，而且3成本大大降低，汽车转向节的产量也会明显上升。同时，为了减轻汽车转向节重量，提高耐磨性，未来将研究出新的高科技替代材料，这种材料不仅可以延长汽车转向节的使用寿命，而且能够增强汽车转向的灵活性及行驶的安全性。此外，将开发一种多功能用的汽车转向节，强度和精确度更高，可以满足人们未来在不同需求状态下的需要。产品的工艺特点和流程：汽车转向节的加工分为毛坯制造和成品机加。目前，毛坯主要以锻件为主，也有采用铸造毛坯的，但比较少。毛坯的锻造工艺主要为劈叉、拔杆、预锻、终锻等工序组成。从机加工艺来讲，汽车转向节分为杆部、法兰盘和叉部等 3 个部分加工。（1） 、杆部加工以中心孔定位，车和磨为主，加工关键是磨削。（2） 、法兰盘加工主要是制动器安装孔的加工，要保证其位置度，同时要兼顾加工效率。并且，利用其中 1 孔作为加工叉部定位用。（3） 、叉部加工是汽车转向节加工的难点，采用两销一面定位，其加工主要是保证主销孔的同轴度，以及主销孔与内端面的垂直度，是整个加工工艺的投资重点和设备选型的关键。大部分汽车转向节在此部位还有横拉杆装配用的锥孔，这更增加了叉部加工难度，锥孔加工是许多厂家难以 100%合格的项目，应予重视，否则，汽车转向节的早期失效就从这里开始。（4） 、杆部的强化处理以提高汽车转向节的疲劳寿命，对大多数类型的汽车转向节都有这方面的技术要求，一般为滚压和中频淬火，以在表面形成残余压应力，提高产品疲劳强度。国内加工对滚压要求不高，难点在中频淬火，主要是感应器的设计和制造，不过，在这方面国内有专业厂家给与解决。（5） 、主销孔压装衬套后的加工，有的压装后不要求加工，有的压装后要求加工。从装配角度讲，压装后加工更有利于装配，否则影响转向的灵活性。自中国汽车工业发展以来，汽车配件行业也随之发展壮大。关于中国汽车转向节行业数量众多、产品繁杂、资本结构多元化的不足之处的阐述在各种媒体上都有连篇累牍的报道和炒作，尽管问题是存在的，但并不是中国汽车转向节行业发展的主流。经过艰难的发展历程，中国汽车转向节行业经过市场的洗礼，已经成长起来。在国外巨头争抢挤压以及进口转向节的冲击下，本土转向节企业同样在模仿、技术引进的过程成初具竞争力。就目前看来，虽然存在合资、国营、独资、民营四分天下的竞争格局，但是汽车转向节行业市场规模的扩大是毋庸置疑的，而且市场集中度逐年提高，一改原先散、乱、差的局面。随着中国整车市场规模的不断扩大，汽车转向节行业的市场规模亦同4步提高。虽然由于欧盟和美国汽车企业对由海关总署、国家发改委、财政部、商务部联合发布的构成整车特征的零部件进口管理办法提出异议，并最终与中国政府达成妥协，既 2006 年 7 月初，海关总署和商务部发布公告称，原定于 2006 年 7 月 1 日起实施的有关构成整车特征转向节的进口价格百分比界定标准以及有关汽车总成系统特征的 A、B 类关键件的区分标准，推迟到 2008 年 7 月 1 日实施，但是随着时间的推移，在中国市场寻求配套企业的发展趋势已经是难以避免。这对于提高中国汽车转向节行业市场规模将起到相当的推动作用。中国汽车转向节行业的市场规模已经具备相当的竞争力。在今后五年内，中国汽车转向节行业的兼并重组势在比行，而且具有一定的可操作性前提条件，逐渐形成一级、二级、三级为核心的序列化配套体系。中国转向节行业过去长期处在低水平、少投资、缺乏统一管理的分散发展格局。改革开放以来，尤其是 1994 年汽车产业政策实施后，在整机引进和国产化政策双重推动下，大量民营资本涌入，大批合资企业建立，使转向节产业得到快速发展。主流转向节企业的制造能力已达到上个世纪国际 90 年代末期水平，基本满足了国内引进车型的配套要求；以长春、上海、湖北为代表的汽车配件产业基地以及一些转向节行业的龙头骨干企业，基本形成了比较完整的主机配套体系。通过引进，许多关键转向节已经与世界同步，不仅满足了国产新车和引进新车的需求，还引来了大量的国外采购者。近年来，一些引进车型一上市，国产化率就超过 50%，甚至更高，从这一点也可以看出国内转向节行业的产品竞争力，当然，这里包括了外资以及外商独资企业。综合上述基本情况看，中国汽车转向节行业具备了相当的产品竞争力。1.3 选题的目的、意义目的：汽车转向节是汽车转向系统的关键零件，随着国内汽车产业飞速发展，该类锻件市场前景极为广阔，然而目前国内生产此类锻件仍然存在加工余量大、成形不易充满及模具设计困难等问题，所以探索该类锻件成形工艺具有十分重要的意义。传统的生产方式是自由锻成形，成形过程需要两次加热，能源浪费而且污染严重，质量也不易控制。为了响应国家节能减排的政策，提高生产效率和产品质量，将生产工艺进行改进，利用现有设备实现一火成形。为了减少研发成本，通过计算机模拟各工步的成形过程，确定成形工艺，得到一套切实可行的生产工艺及合理的模具结构。意义：从 20 世纪 80 年代我国就开始研究转向节吧，并用于实践，随着国民经济的持续、快速发展，人民生活水平的不断提高，国内汽车保持着快速增长，轿车、客车、5尤其是经济型轿车、轻型车、微中型车的需求量也获得了较大的增长，这时对汽车的质量要求也越来越高。作为汽车转向桥的保安零部件，汽车的转向节品质的优劣直接维系着乘务员和货物的安全，因此我国的汽车零部件企业加大投资力度，借鉴国外先进技术，开发强度更高、灵活性更强的转向节。1.4 研究的基本内容1.4.1、研究的基本内容（1）汽车转向节分类及结构分析。（2）汽车转向节成形工艺的研究现状与成形工艺分析。（3）汽车转向节模具的设计。1.4.2、拟解决的主要问题（1）转向节模具设计计算。（2）转向节的尺寸计算。6第 2 章 转向节的结构设计与工作原理2.1 转向节工作原理功能与结构设计：转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，其作用是使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向、承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。转向节通过主销和前桥与车身相连，并通过法兰盘的制动器安装孔与制动系统相连。在车辆高速行驶时，路面通过轮胎传递到转向节上的振动，是我们设计时考虑的主要因素。计算时利用已有的整车模型，对整车施加4G 的重力加速度，算出转向节三个衬套中心点和两个螺栓安装孔中心点的支反力作为施加载荷，并约束法兰盘连接制动系统端面上所有结点的自由度。转向节形状比较复杂，集中了轴、套、盘环、叉架等四类零件的结构特点，主要由支承轴颈、法兰盘、叉架三大部分组成。支承轴颈的结构形状为阶梯轴，其结构特点是由同轴的外圆柱面、圆锥面、螺纹面，以及与轴心线垂直的轴肩、过渡圆角和端面组成的回转体；法兰盘包括法兰面、均布的连接螺栓通孔和转向限位的螺纹孔；叉架是由转向节的上、下耳和法兰面构成叉架形体的 。 2.1 主销内倾角主销内倾角的作用是使车轮 在行驶中自动回正。通常车轮轴线不在水平面，为了方便说明我们假设直线行驶时车轮轴线在水平面上。对于车轮轴线不在水平面的情况，只要把下图的水平面改为锥面。如下图所示，考虑该水平面上和主销有交点的直线，主销与这些直线的夹角有一个最大值。而汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。 车轮轴线与主销夹角在转向过程中是不变的，当车轮转过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。 当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。 71.前轮外倾角如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出 现车轮内倾，这样将加速车轮胎的磨损。另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端小轴承及 轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的寿命。因此，为了前轮有一个外倾角。但是外倾角也不宜过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。如左图所示，当 汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，车轮平面与地面垂线的夹角为前轮外倾角 ，角度为 6。2.2 主销外倾角2.前轮前束轮有了外倾角后，在滚动时就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。由于转向横拉杆和车桥的约束车轮不致向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑的现象，从而增加了 轮胎的磨损。为了避免这种由于圆锥滚动效应带来的不良后果，将两前轮适当向内偏转，即形成前轮前束。设计时工艺方面的考虑：在设计产品时，我们也充分考虑了产品制造过程中的一些难点，比如，与制动器本体相连接的法兰盘螺栓孔中心距如果过大，造成锻件的高度尺寸过大而成形困难，所以在满足产品要求的前提下，我们把孔的间距取做160，这样在锻造中就利于成形了。2.2 本章小结 本章不要介绍了转向节工作原理与其功能，并且对转向节的各个部位的尺寸进行设计与选择。为下面的模具设计做下基础。8第 3 章 转向节的工艺分析3.1 转向节锻件工艺性分析3.1.1 锻件零件图的设计转向节锻件汽车转向节是汽车行驶系重要的零件，工作中承受复杂的交变应力作用，它的质量好坏直接影响到汽车的行驶安全，所以要求零件有足够的韧性和强度以保证其工作的稳定，该零件的毛坯采用锻造的方法获得，材料为 40Cr 调质，而采用锻造的方法有如下的优点：（1） 锻件有良好的内部组织，结构坚实，可获得较高的强度；（2） 锻件没有疏松、表面杂质、内部裂纹等缺陷，锻件的良品率高；（3） 制得的小公差锻件加工余量小且均匀，可以减少机加工工时，提高材料利用率；（4） 锻件的表面粗糙度高；（5）生产效率较高。 转向节产品图：图 3.1 转向节零件图9技术要求：1.模锻斜度 7；2.未注圆角为 R3；3.未注公差尺寸精度为 IT14；4.锻件表面缺陷深度应不大于机加余量的二分之一，非机加表面在公差范围内； 5.锻件水平和高度公差按照JBZQ 4000.7-1986 锻件通用技术条件执行； 6.锻件表面不得有磕碰伤； 7.切边毛刺高度不大于 1.5； 8.错移量不大于 1.2。3.1.2 锻件工艺流程的确定根据现有设备条件，选用 1 吨自由锻锤、5 吨模锻锤，315 吨曲轴压力机，300千瓦中频感应炉等设备，确定工件的制造工艺流程是：1.锯床下料 2.中频感应加热 3.自由锻制坯 4.天然气炉加热 5.预锻、终锻、6.切边 7.喷砂清理 8.正火热处理、调质 9.磁粉探伤 10.机械加工。3.1.3 锻件工艺难点和锻造工艺方案的确定锻件的工艺流程一般分为：（1）下料 采用砂轮切割机下料，车端面，倒圆角R5。 （2）加热 采用电炉加热，炉温（45010），加热保温时间 136min。 （3）模锻 模锻设备为 6300kN 摩擦压力机，首先锻模镦粗台上将坯料压扁至 H=24mm，再型槽内平放料进行模锻，并欠压 23mm。 （4）加热 炉温（45010），加热保温时间为 30min（第二火） 。 （5）模锻 压至尺寸。 （6）加热 炉温（45010），加热保温时间为 1015min。 （7）热切边。 （8）酸洗 按酸洗通用工艺规程进行。 （9）热处理 按热处理工艺规程淬火、人工时效。 （10）酸洗 按酸洗通用工艺规程进行。（11）锻件修伤。 （12）锻件检验 100%检查材料牌号、外形及表面质量；100%检查硬度（HB140） ；低倍检查。由产品图看出，转向节锻件是一个一端有分叉的轴类锻件，锻件的轮廓尺寸较大，中间有一个尺寸较薄的法兰盘，锻造的过程中，金属在各个部分之间的流动困难，金属不容易充满型腔，在分叉的转角处容易出现锻造折伤，这是这个锻件的工艺难点，所以不能在模锻锤上直接锻造成形，锻件需经过自由锻制坯，锻造出有分叉的毛坯方可进行模锻预锻和终锻成型，具体的锻造过程是：101.加热材料、自由锻拔长转向节轴的部分，用摔模摔圆锥形轴部；2.用胎模将轴的部分压入胎模的孔中，用劈料工具将需要分叉的部分劈开。3.加热、预锻、终锻；4.切去飞边。完成该锻件须进行两个火次的加热。3.2 锻件图的设计与锻件毛坯尺寸的计算3.2.1 锻造工步的设计锻模设计、工艺规程制订、模锻生产过程、锻模加工及锻件检验，都离不开锻件图。锻件图分为冷锻件图和热锻件图，冷锻件图用于最终锻件检验和热锻件图设计；热锻件图用于锻模设计与加工制造。习惯上将冷锻件图称为锻件图。锻造工步方案：采用自由锻制坯、劈料、模锻预成型、终锻成形的锻造工艺方法。（1）锻造加热：热锻是将锻坯加热到一定温度后进行的锻造成形工序，加热及加热温度范围的控制是确保锻造生产顺利进行和提高锻件质量的重要工艺过程。锻造加热的目的在于使金属锻坯软化，当金属变形温度升高至再结晶温度以上时，由于再结晶速度高于变形过程中金属硬化速度，可消除硬化影响获得再结晶组织，可利用较小外力使金属产生较大的塑性变形且不致破裂。例如，在 1150oC 静拉伸试验时，碳钢的强度极限仅为常温时的 1/20；而合金结构钢的强度极限则为常温时的 1/30。锻造温度范围是指金属开始锻造温度和终结锻造温度间的一段温度间隔, 为了防止过热、过烧需要正确确定始锻温度和终锻温度。 。制定加热温度的基本方法是以钢的铁碳平衡图为基础，参考材料的塑性抗力图和再结晶图来综合决定。了解金属加热的基本原理，以及各种加热方法和设备的适用性。火焰加热主要有燃油、煤气加热，氧化脱碳、烧损较为严重；电加热是利用电能转化为热能，以辐射和对流的方式对坯料进行加热的方法，即利用加热元件产生的电阻热来间接加热金属坯料。其中，主要有感应电加热、接触电加热、电阻炉及盐浴炉加热等。电加热可避免氧化脱碳和烧损等加热缺陷。氧化和脱碳、过热和过烧以及产生内部裂纹等加热缺陷的危害及防止措施。（2）自由锻造工艺：利用简单的通用性工模具，或在锻造设备上、下砥铁间直11接对毛坯施加外力，使其产生塑性变形而获得所需形状及内部质量的锻件的锻造方法称为自由锻造，简称自由锻。自由锻时，金属在变形过程中只有部分表面受工具限制，其余表面为自由变形。自由锻具有很大的灵活性，自由锻不需专用模具，适合于单件小批量锻件生产；自由锻时，金属坯料分区域逐步变形，属于局部成形，所需锻打力比模锻小得多。因此，工艺适应性很强；对设备的精度要求不高，容易组织生产，且生产周期短；自由锻主要靠人工控制坯料的变形量和变形方向，要求操作者具有一定锻打技术水平。另外，生产效率比模锻低得多，劳动强度大。先进国家正在大力缩减自由锻应用比例，但我国锻造行业中自由锻仍占有相当大的比例。根据锻造变形性质、变形程度可将自由锻分为基本工序、辅助工序和精整工序三大类。镦粗和拔长是锻造生产中最基本的两大类变形工序，因此，需要掌握它们的变形机理和变形过程。同时，还应了解自由锻造中其他各种主要变形工艺、锻造成形方法及适用场合，如在实际生产中经常使用的空心冲头冲孔、垫环冲孔以及环类锻件常用的芯轴扩孔等。3.2.2 冷锻件图的设计冷锻件图根据零件图设计，通常要解决下列问题。（1）分模面的确定：模锻件是在可分的模腔中成形，组成模具型腔的各模块的分合面称为“分模面” ；分模面与锻件表面的交线称为锻件的“分模线” 。锻件分模位置合适与否，直接关系到锻件成形、出模，材料利用率等一系列问题。因此，分模线是模锻件最重要、最基本的结构要素。确定分模位置最基本的原则是：保证锻件形状尽可能与零件形状相同，容易从模腔中取出；此外应争取获得镦粗成形。故此，锻件分模位置应选在具有最大水平投影尺寸的位置上， 。为了提高锻件质量和生产过程的稳定性，除满足上述分模原则外，确定开式模锻件的分模位置还应考虑下列要求：1. 为使分模结构尽量简单和便于发现上下模在模锻过程中的错移，分模平面尽可能采用直线状，并应使分模线选在锻件侧面的中部。 2. 头部尺寸较大的长轴类锻件，不宜直线分模，而应改用折线分模，如图 6-712所示，使上下模型腔深度大致相等，以确保尖角处能充填饱满。3. 为便于锻模加工制造和锻件切边，同时也为了节约金属材料，当圆饼类锻件的 H（2.53）D 时，则无论是在锤上锻造还是在曲柄压力机上锻造或螺旋压力机上锻造，都应考虑径向分模 ，而尽量不采用轴向分模。因径向分模的锻模型槽可车削加工，效率高，工时省，切边模刃口形状简单，制造方便；径向分模还可锻出内腔，节约金属。但当 H/D 较大时，锤上模锻时，显然不能再考虑径向分模。若仍采用径向分模，则因模具高度尺寸太大，锻造困难，锻锤打击能量下降，需要的出模力也大。4. 对金属流线有要求的锻件，为避免纤维组织被切断，应尽可能沿锻件截面外形分模，如肋顶分模。同时还应考虑锻件工作时的受力情况，应使纤维组织与剪应力方向垂直。模锻件是在可分的模腔中成形，组成模具型腔的各个模块的分合面就是分模面，分模面与锻件表面的交线就是分模线，锻件分模位置取在锻件具有最大水平投影尺寸的位置上。转向节锻件的分模面取在如图位置上： 图 3.2 锻件分模面（2）锻件机加余量的确定：普通模锻方法很难满足机械零件的要求，一般来说存在如下两方面的问题，即：1. 锻件走样。由于欠压、锻模磨损、上下模错移、毛坯体积和终锻温度的波动，使得锻件的形状发生变化，尺寸在一定范围内波动；又由于锻件出模需要模膛带有斜度，锻件侧壁不得不添加敷料；形状复杂的长轴类锻件还可能发生翘曲歪扭，从而导致锻件与零件有较大的差别。2. 表面质量不易保证。由于锻件表面氧化与脱碳，合金元素蒸发与污染，表面13裂纹时有发生；表面粗糙度也达不到零件图要求等，使得锻件的表面质量远远低于机械加工零件表面质量。正是这两方面的原因，使得锻件设计时，不得不考虑添加一层包覆零件外层的金属，即余量，而且还得规定适当的公差，以保证锻件的误差落在余量范围之内。锻件图尺寸、余量、公差与零件图尺寸的关系。锻件上凡是需要机械加工的表面，都应给予加工余量。此外，对于重要的承力件，要求 100%取样试验或为了检验和机械加工定位的需要，还得考虑必要的工艺余块。加工余量的大小与零件的形状复杂程度、尺寸精度、表面粗糙度、锻件材质和模锻设备等因素有关。过大的余量将增加切削加工量和金属损耗；加工余量若不足，又会使锻件废品率增加。因为锻件的表面质量和尺寸精度不能直接满足机械零件的使用要求，所以要在锻件的表面包覆一层材料，这一层材料就是机加余量，可根据锻件的机加表面处的尺寸查锤上模锻机加工余量与尺寸公差 ，模锻件的机加余量一般有下列因素组成：Z=M+m+h+x/2式中 : Z-加工余量(mm)M-精加工的最小余量(mm)m-锻件的最大错移量等行为公差(mm)h-表面缺陷（凹坑、脱碳等）层深度(mm)x-锻件锻件尺寸的下偏差值(mm)需要增加机加余量的尺寸有：尺寸机加余量锻件尺寸M401.534660+0.015+0.00836680+0.015+0.008386100+0.015+0.008310616319172316630233085435414403403383341需要增加余块的尺寸：1. 58 2. 40 3. 8 4. 4-24不需要机加的尺寸：1. 117 2. R30 3. R20 4. R32 5. 107.5确定模锻件公差的依据:1.锻件的精度等级。锻件的精度等级分为普通级（用粗锻或普通模锻工艺锻压） 、半精密级（用普通模锻或半精锻工艺锻压）和精密级（用精锻工艺锻压） ，其中精密级锻件应根据需要单独确定锻件公差。2. 锻件的质量和公称尺寸的大小。这里应注意的是长、宽、高尺寸公差如属外表面尺寸的，其正负偏差值按+2/3 和-1/3 比例分配；属内表面尺寸的，其正负偏差值按+1/3 和-2/3 比例分配。厚度公差则按+3/4，-1/4 或+2/3，-1/3 的比例分配。 3. 锻件的形状复杂系数。根据前节所述，形状复杂系数 S 值大小分为四个等级。 4. 锻件的材质系数。材质系数按锻压的难易程度也分为四个等级，规定可锻性优的铝合金、镁合金为 M0；可锻性良的低碳、低合金钢为 M1；可锻性一般的高碳、高合金钢为 M2；可锻性差的不锈钢、耐热钢、高温合金、钛合金为 M3。5. 锻压工艺类型。主要是指锻件是在锤上模锻、曲柄压力机上模锻还是在其它设备上模锻。具体的余量、公差数值可在有关标准或锻压手册中查找。（3）影响加工余量的因素锻件需要切削加工的表面均应有足够的余量,而余量的大小,受下列因素的影响：1. 锻件的尺寸大小。 锻件尺寸大，加工余量较大；锻件尺寸小，加工余量也小。2. 零件的尺寸精度、表面粗糙度要求以及零件的形状复杂程度。 当尺寸精度和表面粗糙度要求高或形状复杂时，必须多次加工，此时加工余量就应适当增加。3. 锻件各类公差对加工余量有影响，尤其应着重考虑错移、直线度、平面度、同轴度、顶杆压痕等形位公差。4零件机械加工方法与工艺。机械切削加工零件时，只要求锻件能保证最小余量即可；电解加工时，则要求有均匀的余量；有中间热处理工序或零件需经焊接或组合加工时，应留有较多的余量。5锻件的材料。铝镁合金毛坯加热后氧化少，可减小粗加工余量；钢和钛合金锻件表面缺陷层深，应加大余量。15（4）模锻件公差的定义与分类模锻件的公差为锻件最大极限尺寸与最小极限尺寸之差，它可以是具有上下偏差的双向公差或是只有一向偏差的单向公差。按所代表的技术要素的定义可分为：尺寸公差 包括长度、宽度、厚度、中心距、角度、出模斜度、圆弧半径和圆角半径等公差。形状位置公差 包括直线度、平面度、深孔轴的同轴度、错移量（锻件上分模线一侧的任一点和另一侧的对应点之间不一致的允许值， 、剪切端变形量和杆部变形量等。 表面技术要素公差 包括深度、残留毛边与毛边过切量、顶杆压痕深度和表面粗糙度等。各项公差都不应该互相叠加。（5）模锻斜度的确定：为便于模锻件终锻后从模具型槽中取出，必须将型槽的侧壁做成一定的斜度，我们称之为模锻斜度或拔模斜度，也叫做出模角，这是因为金属在也如模具型槽是，是模具产生一定的弹性压缩，在外力去除以后，模具的弹性恢复，对锻件的侧壁产生很大的压力，取出锻件时，就必须克服模具侧壁对锻件的摩擦阻力和锻件的自重，当模具带有斜度后，锻模侧壁压力对锻件产生一个向上的分力，抵消摩擦阻力，有助于锻件出模。综合考虑锻件的斜度余量，锻件结构特点，查表结果等因素，我们取锻件模锻斜度为 7。（6）锻件圆角半径的确定：圆角半径的大小与锻件的形状和尺寸有关，锻件的高度尺寸大的锻件，圆角半径也应该加大，为保证锻件的外圆角有足够的机加余量可按公式进行计算：R=余量+零件相应处的圆角半径或倒角也可参照表 4-7 来进行选取。该锻件中，我们选取圆角半径为 R3,几个特殊的机加面交合处的圆角半径选为 R5.跟据以上结果绘制出该产品的冷锻件如图 3：冷锻件的技术要求：1.模锻斜度 7；2.未注圆角为 R3；3.未注公差尺寸精度为 IT14；4.锻件表面缺陷深度应不大于机加余量的二分之一，非机加表面在公差范围内；5.锻件水平和高度公差按照JBZQ 4000.7-1986 锻件通用技术条件执行；6. 锻件表面不得有磕碰伤；7.切边毛刺高度不大于 1.5；8.锻件的水平错移量不大于 1.2。16图 3.3 转向节冷锻件图在设计这个冷锻件图的过程中，考虑到 80 和 100 尺寸处加上机加余量会使锻件成一个很小的凸台，不利于提高模具的使用寿命，所以采取了顶面 66 的圆锥底面直接到方形盘的结构，简化了模具结构，有利于锻件的成型，也提高了模具的使用寿命；另外由于中间法兰盘部位的尺寸较薄，仅为 16mm,且高度尺寸较大，金属不易充满模膛，所以设计热锻件图时，我们把靠近轴的一面的机加面设计成与另一侧的毛皮面锻造斜度相同的形式，这样就加大了方盘部位的厚度尺寸，便于金属更好地流动以充满模膛。如图：图 3.4 热锻件图锻造斜度（7）模锻后续工序模锻成形后的锻件还需经过许多后续加工工序才能成为一个完整的锻件。如开式模锻件所带飞边，带孔锻件中的连皮都需要切除；为了提高模锻件使用性能，消除残余应力、改善内部组织结构，需要进行后续热处理；对于锻件表面残留的氧化皮和锻造缺陷，需要进行表面清理；而经过一系列后续工序加工包括往来运输所造成的模锻17件断后变形，特别对精度要求较高的锻件，还必须进行精压整形等；最后，经过最终检验才能成为一个合格的模锻制件。确定冷、热切边；估算切边力、冲孔力；设计切边模及冲孔模。3.2.3 热锻件图的设计有了冷锻件图，我们就可以根据它来进行热锻件图的设计，热锻件图是制造锻造模具型槽的依据，所以锻件是否达到冷锻件的图纸要求，热锻件图的设计就很关键。设计热锻件图要考虑的因素：1.锻件的终端温度，锻件的终锻温度的高低决定了冷锻件的尺寸是否符合冷锻件图的要求，锻件终锻温度过高，在冷却时尺寸冷缩较大，造成冷锻件尺寸小于冷锻件要求的尺寸；锻件的终锻温度过低，造成锻件在模具型腔的金属流动困难，不易成型，锻件的内部组织会出现微晶裂纹，单靠增加打击次数也会加剧模具的磨损。2.锻件的冷缩率，根据具体锻件的锻造工艺，判断终端温度的高低，再根据终端温度选用合适的冷缩率，可以获得与冷锻件相符合的锻件。在该转向节锻件的设计中，我们选冷缩率为 1.2%。热锻件图如图：图 3.5 热锻件图其中，圆角半径不加冷缩率，按冷锻件的圆角半径设计。3.2.4 锻件毛坯尺寸的计算（1）锻件重量的确定：我们利用软件，对零件体积进行估算得出转向节体积约为：4659145.4mm3。所以，锻件重量为：G=V=7.854659145.4mm3=36.6Kg（2）飞边重量的计算：飞边槽的选用：飞边槽作用是：1.增加金属流出模膛的阻力；2.容纳多余的金属183.锻造飞边还能起到缓冲作用，减弱上下模的直接打击，防止上下模的压塌和崩裂。通过查阅锻工手册5-130 图 5-148，表 5-37 确定使用第一种飞边形式如图：图 3.6 飞边形式及尺寸利用 CAD 的创建面域命令，创建飞边的面域，点击工具、查询命令，测得飞边的截面积为 218.46mm2利用 CAD 中的 UCS 命令，将坐标系的原点移动至轴的中心与 58 孔中心线交点的位置，点击创建面域命令，将转向节热锻件图的最大投影面创建面域，点击查询命令，查询面域/质量特性，测得锻件最大投影轮廓的周长是 1671.68mm,所以，飞边部分的体积为：V 飞边=LF 飞边=218.461671.68=365195.21mm3锻件飞边的重量按照充满飞边的 70%计算，则飞边的重量为： G 飞边=V 飞边=365195.217.8570%=2.0Kg采用两个火次锻造，火耗率为 5%，则下料重量为：G 总=（G 锻+G 飞边）1.05=(36.6+2.0) 1.05=40.5Kg 所以，锻件的下料重量为 40.5Kg。（3）模锻件所用原材料：体积应包括锻件本体、锻造飞边、连皮、夹钳料头、加热氧化皮的总和，原材料的截面尺寸及长度是计算毛坯体积和重量的基础，确定毛坯尺寸还要考虑到制坯工步的特点等因素，选择圆形坯料直径 D 和方形坯料的边长 A时，也考虑到在进行墩粗时，坯料不产生弯曲，应使坯料的长度与直径之比 L 坯/D坯在 1.5-2.2 之间。19由此，坯料的直径或边长有由以下公式确定：D 坯=（0.95-0.83）3V 坯=0.95340.5/7.85=164.15mm所以，选用直径 160 的圆形坯料，坯料的尺寸为 1602603.3 本章小结 本章重点是转向节的工艺设计。首先设计出转向节的零件图，然后确定锻造的工艺流程，找出锻造难点，确定最终的工艺方案。下一步是锻件图的设计与锻件毛坯的尺寸计算。在锻件图的设计中，我首先确定了锻件的分模面，然后对冷锻件图和热锻件图分别做出设计。最后计算毛坯的体积与重量与飞边槽的设计与选用。20第 4 章 转向节的模锻设计4.1 自由锻制坯工具的设计锻造工步图：图 4.1 锻造工步图根据锻造工步图，我们要设计相应的自由锻制坯工具，包括摔模、胎模、劈料工具等，4.1.1 摔轴颈摔模的设计：设计如图：21图 4.2 轴部摔模4.1.2 劈料胎模的设计：设计如图：图 4.3 劈料胎模22图 4.4 压垫 1图 4.5 压垫 223图 4.5 压垫 34.2 锻造打击力的估算和设备的选用合适的选择模锻锤的吨位，不但能获得优质锻件，也能节省能源，保证模具的使用寿命，由于模锻的每一次打击是一个瞬时过程，要获得准确的理论计算是很困难的，所以生产中是根据经验公式或近似解的理论公式来确定设备吨位，也可根据已经生产锻件的大小对比来确定设备。在本次设计中，我们是根据经验公式来确定设备吨位的，按锻件在分模面上的投影面积和所锻造的材料性质来确定设备吨位：G=3.5-6.3kF总 式中 G-锻锤吨位（锻锤落下部分的总质量） ； K-材料系数，查锻造工艺学表 5-36 取钢种系数为 1； F总-锻件的总变形面积，包括锻件的投影面积，飞边面积的 70%，连皮面积。我们利用 CAD 的面域功能，求得：（1）锻件的投影面积为 43373.66mm2；（2）飞边面积为 127769.64-43373.66=84396mm2；（3）总面积为 43373.66+843960.7mm2 =102450 mm2；所以 G=3.5-6.3kF总面=41024501=409800KN(取中间值 4)可以选用 5 吨模锻锤进行锻造。4.3 锻造模具、切边模具设计及锻造工艺编制244.3.1 模具压力中心的计算模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为了确保压力机和模具正常工作，应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。否则，会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷，使滑块和导轨间产生过大的磨损，模具导向零件加速磨损，降低模具和压力机的使用寿命。 冲模的压力中心，可按下述原则来确定：对称形状的单个冲裁件，冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。工件形状相同且分布位置对称时，冲模的压力中心与零件的对称中心相重合。 形状复杂的零件、多孔冲模、 级进模的 压力中心可用解析计算法求出冲模压力中心。解析法的计算依据是：各分力对某坐标轴的力矩之代数和 等于诸力的 合力对该轴的力矩。求出合力作用点的 座标 位置 O0(x0,y)，即为所求模具的压力中心4.利用 CAD 中的 UCS 命令，将坐标系的原点移动至轴的中心与 58 孔中心线交点的位置，点击创建面域命令，将转向节热锻件图的最大投影面创建面域，点击查询命令，查询面域/质量特性，测得锻件的质心位置为（X,Y）的值为（-80，-9）4.3.2 终锻锻造模具的设计转向节锻件的形状较为复杂，单靠自由锻制坯来完成从原材料到锻件的材料体积分配是不准确的，另外，分叉部位尺寸变化剧烈，在锻造时材料变形剧烈，容易产生折叠伤，所以我们在模具上设计增加了一个预锻型槽，在终锻前对材料进行一次材料的体积分配，改善金属在终锻模膛中的流动情况，这样就能保证锻件的各个部分成型充分，避免锻件出现折叠伤，也会提高终锻型槽的使用寿命。预锻型槽四周不开设飞边槽，但是预锻时也会有飞边形成，这个飞边会起到限制金属向预锻型槽外流动的作用，促使金属充满预锻型槽；另外，预锻时，预锻型槽是不需要打靠的，因此预锻时的坯料的高度和断面积大于终锻模膛的高度和截面积，在终锻时尚有部分金属从终锻模膛中流出形成飞边，对模膛内的金属材料产生流动阻力，促使金属材料更25好地充满模膛，在中间方盘部位，由于方盘较薄且高度尺寸较大，金属不易充满模膛，所以在飞边的相应位置开设了阻尼沟槽，锻造时阻滞金属向外流动，促使金属充满模膛。（1）钳口的设计钳口是放置钳子加持坯料的，也是用来取出锻件的位置，在模具制造后交检时，由该处注入金属盐或熔化的铅液，待凝固后划线检验，以验证模具制造尺寸是否正确。图 4.7 钳口的设计（2）预锻型槽和终锻型槽的设计如图：26图 4.8 预锻型槽图 4.9 终锻型槽（3）锻模模块的设计和燕尾尺寸设计确定模块尺寸的原则和数据，一是根据模膛的尺寸和数量进行布排，考虑最小壁厚等27因素，得出所必须的模块最小轮廓尺寸，选取工厂现有的标准模块中的较大值；模块尺寸为 840840400，燕尾宽度 300、高度 65、燕尾角度为 10。（4）锻造模具的总体设计图 图 4.10 锻造模具总体设计图4.3.3 切边模具的设计通过上网查找资料，切边凹模采用碳素结构钢做凹模的本体材料，采用模具钢焊条堆焊 图 4.11 切边模具28机加的工艺方法，这样可以节省昂贵的模具材料，降低锻造生产成本图 4.12 切边凹模查锻造工艺学模具的单边间隙应取 0.5，凹模刃口尺寸按照热锻件图的分模线制造，间隙取在凸模上。图 4.13 切边凸模图 4.14 上模板294.3.4 锻造工艺的编制查锻工手册2-6 表 2-3，40Cr 钢的始锻温度为 1200，终锻温度 800图 4.15 锻造工艺4.4 锻造模具的制造4.4.1 锻造模具的模块加工模具材料选用国内常见的 5CrNiMo 热做模具钢，经过自由锻造而成，经过正火处理，采用刨床或铣床按照设计尺寸制成方形模块。4.4.2 锻造模具模膛的制造 经过粗加工加工好的模块，按照传统的方法可以采用在电火花机床上电火花放电的方法制造，这种方法需要事先制造好用于放电的电火花电极，这种加工方法的缺点是，1.需要制作电极，增加了模具制造的成本；2.制作电极和电火花加工模具的周期较长，模具交付周期也长，不适合当前的市场经济和市场竞争 3.对于一些形状较复杂的模具，由于电极的制作精度的原因，锻件的精度不容易得到提高。4.5 本章小结 本章完成了转向节的所有模具的设计，包括锻造的工步的确定，轴部摔模，劈料胎膜，压垫的设计，模具压力中心的计算终锻锻造模具的设计钳口的设计预锻型槽跟终锻型槽的设计，锻造模具的总体设计图，还有切边模具切边凹模的设计。30结 论通过这一个学期的毕业设计，我学到了许多以前没有接触到的知识，我做的设计为汽车转向节结构与成型工艺，这个题目需要很多关于模锻，模具设计的知识。这些知识是我以前所不了解的，但是通过这次做这个毕业设计，我通过网上查资料，咨询老师与同学，获得了很大的收获。我个人觉得在转向节的材料应用上或许可以研制出更好的材料，是转向节的耐磨度，硬度都有个大大的提升，这样可以提高产品的质量，延长其使用寿命，从经济行到安全性都将是个大大的提高。转向节是汽车转向系统的关键零件，所以他的模具设计更是重中之重。此次我设计了转向节的零件图，模具图，由于时间有限，知识有限，肯定会有很多欠缺的地方，希望大家批评指正。31参考文献1锻工工艺学 ，机械工业出版社M2005.2锻工手册 ，机械工业出版社M，1976.3冲压设计资料 ， 王孝培.北京：机械工业出版社M，2000.4锻造工艺与模具设计姚泽坤。西北工业大学M2007.5许发樾. 模具标准应用手册.北京：航空工业出版社M，1994.6国家标准总局.锻造模国家标准.北京：国家标准出版社，1981.7汪泽波汽车转向节成形工艺有限元模拟研究D合肥，合肥工业大学1998.8陈小斌汽车转向节锤上锻造工艺J锻压机械 1983.9张德春，孙吉宝STEYR转向节模锻成形工艺研究J锻压技术2005.10王林，周杰，常江，李果.1020 转向节成形分析及有限元模拟J2003.11张德春，孙吉宝.STEYR 转向节模锻成形工艺研究J1994.12路，周杰，王贵华，卢先正.成形速度对转向节热挤压系统的影 0J1997.13文琳，朱小兵.汽车转向节锻造成形工艺的有限元分析J1991.14盛英泰.汽车转向节柔性生产线设计J1991.15朱小兵.轻卡转向节锻造成形有限元分析.合肥工业大学J2006.16 王红卫，韩国立.转向节成形变形力的计算.郑州轻工业学院J2001.17 杨彩红，马永杰，王红卫.转向节成形工艺参数数值模拟研究J1992.18 权国政，周杰. 转向节的一种半封闭式挤压成形工艺模拟研究J2008.19机械设计手册联合编写组编.机械设计手册M，北京：人民交通出版社，2004.20汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册M，化学工业出版社，2001.21ternational Organization for Standardization.Passenger Car Tyres-Rolling Resistance Measurement.Draft International Standard ISO/DIS 8767.1989.22over P S.Bordelon S H.New Parameters for Comparing Tire Rolling Resistance.SAE Paper 1999.32致 谢通过这六周的毕业设计，使我学到了不少东西。首先，感谢王国田老师的细心指导，其次，在自己不断自学和向老师同学请教的过程中,不仅巩固了以前所学到的知识并掌握了一些新知识，虽然我们不是学锻造专业的，但是通过此次毕业设计，查阅了大量的专业书籍和技术资料，使我掌握了很多锻造专业的基本知识，也让我对课堂所学有了更深刻的理解；其次，在运用所学知识的过程中，遇到了很多问题，通过上网查找使自己解决问题的能力得到了很大提高，在完成这次毕业设计任务的过程中，很多问题是在我们的教材上得不到答案的，需要我们查阅各种资料并进行理解应用，通过自己的努力，最终解决了这些问题，不但加深了对锻造专业的知识理解，还考验了自己的耐心和毅力，毕业设计消耗时间较多，任务量也比较大，当各种问题一个个冒出来的时候，常常很急燥，但为了早日完成，又不得不使自己静下心来，认真看书研究，最终找到了答案。 最后我再次感谢王国田老师以及汽车与交通工程学院的所有老师对我四年学习的关心与教导，谢谢！黑龙江工程学院本科生毕业设计32附 录Steering knuckle technology development present situationAuto steering knuckle is key automotive parts, the quality of the security of the fit and unfit quality directly support crew and cargo security. At the same time, the car turned to the festival is very complex, difficult shape forming high parts. Our traditional ways of manufacturing high energy consumption, low material utilization ratio, die life, high cost and low manufacturing production environment is bad, and cant meet the requirements of the development of Chinas automotive high speed. At present, Chinas automotive steering knuckle is in the stage of development, technical level is developed countries also has the disparity.With the high speed development of auto industry, Chinas automobile steering knuckle is gradually towards specialized, advanced. In 2007, Chinas weapon equipment group company self-developed aluminum alloy steering knuckle smooth through the national nonferrous metal and electronic material analysis and test center of the test, can meet the international similar product standard, become our country the first successfully developed the aluminum alloy of steering joint enterprise, fill the product of domestic blank.In 2008, China successfully built a has the Chinese the most advanced technology, minimum investment scale, the lowest manufacturing costs and highest input-output ratio, the shortest investment return cycle of production capacity of 180000 pieces of heavy trucks to section of the automatic production line, the production out external shape in good condition, internal quality, the products consistency of strong, organization performance standards steering knuckle products.Product process characteristics or processAuto steering knuckle processing is divided into blank manufacturing and finished product machine to add. At present, the blank mainly forging is given priority to, also have 黑龙江工程学院本科生毕业设计33made by casting the blank, but is less. Blank forging process mainly for PiCha, pull rod, the forging, eventually working procedure such as forging components.Will tell from machining, automobile steering knuckle divided into stem, flange constructed and a fork department etc three parts processing. 1, stem processing to the central hole positioning, car and ground is given priority to, processing key is grinding. 2, flange constructed is mainly brake installing hole processing of processing, to ensure that its position degree, and at the same time should take the processing efficiency. And, using one hole as processing fork department with positioning. 3, fork department is car steering knuckle processing the difficulties in processing, the two side, the machining positioning pin mainly is to guarantee the coaxial tolerance of the caster hole, and king pin hole and end of the vertical degree in, is the whole processing technology investment focus and equipment type selection of the key. Most of the cars in the region and to day the bars for assembly cone hole, which increased the fork of difficulty, cone hole machining processing is a lot of manufacturer is difficult to 100% qualified projects, shall be paid more and more attention, and otherwise, automobile steering knuckle early failure will start from here