卧锻重型卡车转向节工艺的试验研究

1、摩擦压力机上重卡转向节卧锻工艺的实验研究北京机电研究所 蒋鹏 韦韡 余光中 李亚军福建畅丰车桥制造有限公司 王灿喜 赖凤彩 王艺宏摘要本文介绍了在MFP-8000型双盘摩擦压力机上卧式模锻重型卡车转向节工艺的实验研究过程与结果分析情况。工艺流程为：感应加热-压扁-旋转90°再次压扁-头部镦粗-预锻-终锻，采用一台KR150-2 F 2000多关节机器人自动化操作，可以实现一火成形。在工艺试验过程中，出现了充不满、打不靠、折叠、开裂、粘模等工艺缺陷，通过研究分析，找出了产生缺陷的原因，并采取了具体对策，保证的工艺过程的顺利进行。目前，该工艺已经成功地用于批量生产。关键词：重型卡车转向节

2、；卧式模锻；工艺缺陷；工艺试验1 引言转向节是汽车上的重要安全零件，其形状复杂，成形难度较大，而且对锻件质量要求高。卡车转向节的特点是零件负荷更大，锻件体积重量也大，重型卡车尤其如此。锻造该类转向节时需要更大的锻造设备。目前国内重型卡车转向节根据其形状有两种锻造工艺，一种是沿杆部轴线方向分模的工艺，锻造时转向节呈水平状态，简称卧锻工艺，另一种是是沿与杆部轴线垂直方向分模的工艺，锻造时转向节呈垂直状态，简称立锻工艺。立锻重卡转向节工艺一般在热模锻压力机上锻造成形（简称机锻），一般沿头部锻件水平投影最大处曲面分模，工艺过程为：镦粗挤压预锻终锻，其工艺设计的关键在挤压。典型代表为北京机电研究所为中国

3、重汽锻造厂开发的63000kN热模锻生产线及其工艺，该工艺技术先进，锻件质量好，材料利用率高，生产效率高，可实现自动化生产1。后来重庆大江信达车辆有限公司锻造厂也采用了该种工艺，取得了较好的效果。北京机电研究所为湖北三环锻造有限公司在其引进设备最大打击力为63000kN的直驱式电动螺旋压力机上开发的奔驰重卡转向节的锻造工艺也是一种典型的立锻工艺2 ，和斯太尔重型卡车转向节相比，奔驰重型卡车转向节结构更复杂，成形难度更大，在成形过程中挤压、预锻工步的设计尤其重要，通过数值模拟和工艺试验，保证了坯料流向合理，不产生缺料或折叠等缺陷。现该工艺已经成功应用于生产，取得了良好的经济效益。卧锻重卡转向节一

4、般在5t以上大吨位模锻锤上锻造成形（简称锤锻），典型工艺是谷城三环锻造和聊城光岳的5t模锻锤上的转向节成形技术，锤锻重型卡车转向节一般采用自由锻制坯，一般需要两火次，质量较低，随着汽车工业对零部件质量要求的逐渐提高，这部分锤锻产品有向机锻成形发展的趋势。1993-1994年北京机电研究所为柳汽的40000kN热模锻生产线设计过中型卡车的卧锻转向节全套工艺，锻造工艺过程为：辊锻-压扁-镦粗-预锻-终锻。可以实现一火成形。由于柳汽40000kN吨热模锻生产线最后未能投产，该工艺未能得到实际验证。其中辊锻工步可由两次压扁替代，第2次压扁时坯料旋转90º，其实质是将杆部拔长。东汽公司锻造厂有

5、在热模锻压力机上应用该工艺的成熟例证3。热模锻压力机生产线投资大，建设周期长，目前国内摩擦压力机应用最为普及，且投资小，见效快，如果能在摩擦压力机上实现重卡转向节一火卧锻工艺，将开辟一种重卡转向节的锻造新工艺。本文介绍的就是北京机电研究所与福建畅丰车桥制造有限公司开发该种工艺的情况。2 试验设备与实验材料福建畅丰车桥制造有限公司转向节锻造线由一套1250kW中频加热设备，一台MFP-8000型双盘摩擦压力机，一台用于切边的J53-400D摩擦压力机以及一台KR150-2 F 2000多关节机器人组成。其中，转向节零件是在青岛青锻锻压机械有限公司生产的MFP-8000型双盘摩擦压力机上模锻成型的

6、。该设备采用组合预应力机架，PLC控制，全行程制动，并且配备有吨位仪和液压顶料装置。图1 转向节锻造线双盘摩擦压力机工作原理：电动机经过大三角皮带轮使摩擦盘主轴回转，通过操纵机构，使带有两个摩擦盘的主轴产生左右方向的移动；当飞轮与摩擦盘摩擦时，就使活动部分产生上下运动而进行锤击。当主轴产生左右横向移动时，主轴上的摩擦盘便与飞轮发生单边摩擦，如果是右边摩擦盘与飞轮接触，则使滑块提升；反之滑块向下运动。飞轮回转时积蓄了能量，当飞轮逐渐下降时由于飞轮与摩擦盘接触半径逐渐增加，就使飞轮的回转速度急速增加，最后将得到最大的能量而进行锤击。表1 MFP-8000型双盘摩擦压力机技术参数技术参数数值公称力

7、(kN)40000最大打击力 (kN)80000允许长期使用压力 (kN)63000运动部分能量 (kJ)850滑块行程 (mm)800行程次数(min-1)9最小装模高度800工作台垫板厚度300工作台面(左右×前后) (mm) 1300×2350滑块底面(左右×前后) (mm)1110×2200顶料方式液压最大顶料力 (kN) 800最大顶料行程 (mm)250主电机功率 (kW)185×2所用轧制圆坯为江阴某钢铁制品有限公司生产的130 mm的40Cr圆钢。试验阶段使用过首钢新钢钢铁有限公司生产的140 mm圆钢，通过车削加工成130 m

8、m的圆坯。3 试验过程中发生的缺陷及解决措施31 充不满对于转向节这些带枝芽的锻件模锻时，常常在枝芽处充不满。该类锻件模锻时在枝芽处充不满的原因通常是由于此处金属量不足。因此，预锻时应在该处聚集足够的金属量。为便于金属流入枝芽处，预锻模膛的枝芽形状应适当简化，与枝芽连接处的圆角半径适当增大，在分模面上设阻力沟，加大预锻时流向飞边的阻力3。 图2 充不满 图3 预锻模膛及阻力沟此外，通过试验观察，发现在预锻时将转向节头部稍稍放低，杆部略为上翘，则头部充填效果较好，并不出现明显的缺料现象。这也说明了材料在切应力下流动要好于压应力。32 打不靠7.5吨货车用转向节锻造时，材料大量流出飞边仓，进入承击

9、面，造成零件打不靠。锻件厚向尺寸偏大。其中，当坯料为140 mm×320mm时偏大9mm；当坯料为130mm×325 mm时偏大6mm。解决方案：按飞边轮廓加深，加宽飞边仓部。153转向节也存在打不靠的现象，不过情况比7.5吨好些，厚向尺寸只偏大2mm左右。按飞边轮廓适当加深，加大飞边仓。33 折叠（1）折叠部位位于两个转向节叉的上部。如图所示 图4 零件飞边与上模 图5 转向节叉上的折叠根据折叠的部位，分别对预锻，镦粗，压扁等工序进行观察，发现，该处折叠来源于第一道压扁。由于坯料在压扁后伸长较大，有一部分超出了模具型槽，压扁后形成很深的褶痕。经过后续工序，最终在转向节叉处

10、形成折叠。 a) 第一次压扁 b) 第二次压扁 c) 局部镦粗 d) 预锻 e) 终锻图6 叉部折叠的来源及演变对策：将第一工步压扁型槽加长，使局部压扁变成整体压扁，消除褶痕，避免后续工序出现折叠。（2）折叠处于法兰盘附近与叉部过渡处这些折叠在预锻时其实就已经很清晰的显露出来了。折叠褶痕折叠 图7 法兰盘与叉部过渡处的折叠 图8 预锻时的褶痕 图9 镦粗时的褶痕再往前追溯到镦粗工序。明显发现在叉部发生折叠处存在很深的褶痕（图9所示）。同时，在法兰盘中部有一道凹痕，从法兰盘向转向节根部扩展。法兰处较深且窄，往根部延伸后变得宽且浅。这与终锻后零件的折叠相对应。法兰盘处折叠明显（图7），显露出一道或

11、者两道，往杆部延伸后逐渐模糊，个别零件甚至观察不到杆部的折叠。但是毕竟折叠是一种内患，它不仅减小了零件的承载面积，而且工作时此处产生应力集中，常常成为疲劳源，疲劳破坏断往往就是从折叠处开始的。在热处理中，折叠部位非常容易开裂，造成零件报废，这在后文中会有所提及。要消除该处折叠应该着眼于消除镦粗中出现的褶皱。 a)模具图 b)实际照片图10 上模的镦粗模膛由于第三工步上模圆角过小，压下后材料又不可能全部流入模膛，边部的材料便被压出褶皱。因此，应当加大该处的圆角半径，避免褶皱的产生。其实，通过加大圆角半径来避免折叠，在本例中就有应用。在零件图中，转向节杆部与法兰盘过渡圆角只有R15，但是在镦粗和预

12、锻模膛中都将该处尺寸加大到了R40。因为，折叠的起始位置与模锻前坯料在此处的圆角半径有关。当圆角半径较大时，折叠就可能全部在飞边内，圆角半径较小时折叠就可能进入锻件内部3。在预锻零件（图8）中，就可以清楚地看到圆角处的两道折叠都被打入了飞边之中。34 开裂试验阶段，在经过调质处理后，转向节锻件出现多处裂纹。其中几处是由上文所述的折叠扩展而来。但是，除了以上几处裂纹，在转向节杆部存在更为明显，深刻地裂纹，由杆端一直向法兰盘扩展。仔细观察，裂纹两侧有氧化迹象。 图11 淬火后杆部开裂 图12 裂纹两侧出现氧化现象淬火后发现的裂纹，如果裂纹两侧有氧化脱碳现象，则可以肯定裂纹在淬火之前就已经存在。淬火

13、冷却过程中，只有当马氏体转变量达到一定数量时，裂纹才有可能形成。与此相对应的温度，大约在250以下。在这样的低温下，即使产生了裂纹，裂纹两侧也不会发生脱碳和出现明显氧化。所以，有氧化脱碳现象的裂纹是非淬火裂纹，即该裂纹在锻造过程中已经存在。当工件在锻造过程中形成裂纹时，淬火加热即引起裂纹两侧氧化脱碳。随着脱碳过程的进行，裂纹两侧的碳含量降低，铁素体晶粒开始生核。当沿裂纹两侧生核的铁素体晶粒长大到彼此接触后，便向离裂纹两侧较远的基体方向生长。由于裂纹两侧在脱碳过程中碳浓度的下降，也是由裂纹的开口部位向内部发展，因而为铁素体晶粒的不断长大提供了条件，故最终长大为晶界与裂纹相垂直的柱状晶体4。在锻造

14、过程中发现一个根部未充满的零件，在杆端裂开一个口子，裂纹由根部向法兰盘方向扩展。但是，裂纹尾端并不是常见的尖细形状，而是呈现出明显的开叉，且形状，长度都十分规则。开叉 a)杆端部裂口 b)杆侧面裂纹开叉图13 锻造后杆部开裂 进而检查镦粗和压扁等工序零件。发现在第二道局部压扁后，在端部出现了唇形，而不是一般情况下出现的鼓形。该唇形在预锻后贴合在一起，再经过终锻进一步压合，很多时候已经进入到零件内部，在表面并未留下明显的痕迹。但是，经过淬火之后，该处裂纹重新暴露出来，并且沿着杆部纵向开裂。观察唇形中部可以看到有一个压扁的小孔。由于车间没有130mm的圆钢，于是就将140mm的圆钢通过车削加工成1

15、30mm的坯料。因此，在圆心处有直径为6mm，深度为15mm左右的顶尖孔。又由于局部压扁时送进过小，所以出现怪异的唇形。在将第二道压扁时送进量加大20mm左右后，该现象基本消失，又呈现出鼓形。经过热处理后杆部也没有出现裂纹。 a) 局部镦粗 b) 第二道压扁图14 杆部端面的唇形折叠35 粘模造成零件粘模的因素很多，比如材料加热温度，材料是否摆正，模具是否松动，错移，顶料装置是否正常，模腔内是否出现龟裂，脱模剂喷涂上下不均匀等。经过初步分析，在转向节锻造中主要的原因有：1）加热温度不够。在模具没有充分预热的情况下就开始进行锻造生产，发生粘模的几率最大；2）坯料没有摆正，这主要发生在预锻工序，由

16、于镦粗后的坯料与预锻模膛形状相差较大，对于锻造工人的经验和技能要求较高，当坯料摆放位置不正确时容易发生粘模；3）脱模剂喷涂不均匀。在喷涂时下模往往容易积聚脱模剂，而上模对脱模剂的吸附量不多，因此粘模往往发生在上模；4）模腔出现龟裂。由于锻造过程中模具急冷急热，很容易出现热疲劳缺陷。这些龟裂和褶皱降低了模腔的表面光洁度，也会造成粘模；5）脱模斜度太小。飞边桥口及飞边仓脱模斜度太小，当坯料流动到这些位置很容易被卡住，造成脱模困难。 图15 飞边仓脱模斜度太小 图16 飞边桥及模腔内的龟裂针对上述分析，采取对策如下：1）模具需充分预热到200ºC至250ºC才允许开始锻造生产；2

17、）加强工人的培训，树立质量意识和标准化意识，摆放零件力求准确到位；3）减少甚至取消下模脱模剂的喷涂，加大上模的喷涂量，必要时在零件上喷洒锯末；4）尽量减少模具与工件的接触时间，避免模具龟裂和褶皱的发生。对于已经出现的缺陷用抛光机去除，保证模腔的光洁度；5）利用砂轮及抛光机将飞边桥口和飞边仓的脱模斜度适当加大。4 结语在MFP-8000型双盘摩擦压力机上卧式模锻重型卡车转向节工艺的进行了实验研究，其工艺流程为：感应加热-压扁-旋转90°再次压扁-头部镦粗-预锻-终锻，采用一台KR150-2 F 2000多关节机器人自动化操作，实现了一火成形。在工艺试验过程中，出现了充不满、打不靠、折叠、开裂、粘模等工艺缺陷，通过研究分析，找出了产生缺陷的原因，