汽车转向节的锻造工艺付翔

锻 造 FORGING
文章编号：1672－0121（2012）01－0058－04
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。
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 2000kW～3000kW 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。
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。
图 1 斯太尔汽车转向节
图 2 东风汽车转向节
图 3 结构特殊的转向节
图 4 沃尔沃汽车转向节 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
图 5 某轻型车转向节
列 、日 产 柴 系 列 、美 驰
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。
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
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。
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
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
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
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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。
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
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。
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。
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。
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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 25000kN～63000kN 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Байду номын сангаас在国内也有许多生产厂家采用 此工艺。
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。