CN109622845B - 一种鼓式转向节预锻件闭式近净成形工艺及模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种鼓式转向节预锻件闭式近净成形工艺及模具，通过对封闭在可分凹模模膛中的压扁毛坯中部施加作用力使其产生变形，中部金属通过正向挤压成形出与垂直方向成α倾角的杆部，两侧的金属通过反向挤压成形为与垂直方向平行的左、右叉耳。本发明还提供了实现上述方法的模具，工作部分包括上凹模、下凹模和凸模，分别与双动液压机的外滑块、工作台、内滑块相连；工作时上凹模和下凹模先闭合形成封闭模膛，然后利用凸模压制成形；顶杆及下模板的顶出孔与垂直方向成α倾角，工作时沿倾斜方向顶出。本发明通过闭式净成形工艺以及可分凹模结构及倾斜顶出结构，能够实现鼓式转向节预锻件的近净成形，使材料利用率达到100％，并能实现顺利顶出。

Description

一种鼓式转向节预锻件闭式近净成形工艺及模具

技术领域

本发明属于转向节锻件加工方法，具体涉及一种鼓式转向节预锻件闭式近净成形工艺及模具。

背景技术

转向节是汽车转向系统的主要结构和受力部件，既支撑车体重量，又承受转向力矩。由于工作环境恶劣，对力学性能要求高，因此，一般采用锻造成形。目前较为普遍使用的鼓式转向节锻件一般由阶梯杆部、与x、y轴呈对称分布的非等边六边形薄法兰和两个带鼓形侧面的叉耳所构成，两个叉耳相互平行且与杆部轴线偏斜α角。其锻造加工过程一般包括制坯、预锻和终锻三个步骤。传统的预锻件结构设计方法是，对锻件上急剧变化及形状复杂部分进行简化和光滑处理，使其成为与终锻件轮廓相似而尺寸略小的相似结构。由于预锻件无法沿杆部竖直出模，一般采用卧式预锻工艺，但预锻件在两叉耳之间存在较大的连皮以及在锻件周边存在大量飞边，材料利用率仅能达到80％左右。为了提高预锻过程的材料利用率，毛厚军(汽车转向节的少飞边锻造技术.锻压技术,1998,(5):16-19)报导了少飞边立式预锻工艺，通过正反挤压成形杆部、开式反向挤压成形叉形头部，只在头部周围产生了飞边，较水平预锻材料利用率有较大提高。但该工艺不仅仍有飞边金属损耗，且在预锻前坯料需经过3道制坯，锻造工步多，影响了生产效率。张运军等(汽车转向节小飞边精锻技术的研发及应用.锻压技术,2018,43(8):1-7.)报导了一种小飞边水平预锻工艺，通过凸模对经过压扁的毛坯中部施加作用力，挤压成形左、右叉耳，使法兰周围产生的飞边厚度较薄。与传统开式水平模锻比较，其飞边金属损耗由23％-25％减少至12％-13％。上述工艺虽然使材料利用率有了较大提高，但仍无法使预锻件上不产生飞边，即实现近净成形。李环宇等(汽车转向节锻造方式对加工工艺性的影响.热加工,2013,(7):50-52.)通过在预锻件两叉耳内侧补料实现立式闭式预锻和竖直顶出，虽实现了预锻过程的净成形，但所补材料后续仍需切削去除，降低了材料利用率。周志朋等(申请公布号CN102672096A)公布了一种适用于杆部轴线与叉耳平行的转向节的多向模锻工艺，通过多向模锻压力机对坯料实现上下和左右方向的挤压，使材料利用率达到100％。但该工艺需要在多向模锻压力机上实施，且仅适用于杆部轴线与叉耳平行的转向节。

发明内容

本发明提供一种鼓式转向节预锻件闭式近净成形工艺及模具，可在常规双动液压机上实现杆部轴线与叉耳成α倾角的转向节预锻件的近净成形。

其特征在于：

(1)一种鼓式转向节预锻件的闭式近净成形工艺为，通过凸模对封闭在可分凹模模膛中的压扁毛坯中部施加作用力使其产生变形，中部金属通过正向挤压成形出与垂直方向成α倾角的杆部，两侧的金属通过反向挤压成形为与垂直方向平行的左、右叉耳。

进一步地，所述鼓式转向节预锻件设计为平面叉形结构，杆部形状及尺寸与终锻件相同；法兰设计为与两个叉耳水平投影外形相切而厚度增大的矩形结构；两个叉耳的截面形状与终锻件叉耳下段截面形状相同，而边长为零件边长减小1mm、四个棱角为r2的垂直四面体，其高度根据相应体积相等来确定，两直叉耳沿高度方向与垂直方向平行，杆部轴线向右倾斜，其斜角为α。所设计的预锻件如图1所示。

进一步地，所述闭式近净成形工艺的分模面设置在法兰底面。

进一步地，所述压扁毛坯由棒料压扁获得，其长度与棒料长度相等，其宽度与左、右叉耳的宽度相等。

(2)实现所述鼓式转向节预锻件闭式近净成形工艺的模具(图2)，包括模架、组合凸模、可分组合凹模及顶杆3；模架上端通过螺钉固定于双动液压机外滑块下端面，模架下端通过螺钉固定于双动液压机工作台上面；组合凸模上端通过螺钉固定于双动液压机内滑块下端面；可分组合凹模包括上凹模组合下凹模组，上凹模组通过螺钉连接在模架的上模板10下面，下凹模组通过螺钉连接在模架的下模板1上面；顶杆3放置在下模板1的顶出孔内，下端由双动液压机顶出油缸支撑。

进一步地，所述模架包括下模板1、压圈6、导柱7、导套9、上模板10；导柱7同下模板1、导套9同上模板10均采用过渡配合，并通过压圈6由螺钉锁紧；所述下模板1设置有顶出孔，用于放置顶杆3并导向，其轴线与预锻件4杆部轴线同垂直方向的倾斜角度α相同。

进一步地，所述组合凸模包括凸模座11及凸模12，两者用螺钉紧固为一体；凸模座与双动液压机内滑块通过螺钉紧固为一体。

进一步地，所述可分组合凹模下凹模组包括下凹模5和下凹模预紧圈2，上凹模组包括上凹模13和上凹模预紧圈14；下凹模5与下凹模预紧圈2、上凹模13与上凹模预紧圈14均构成预紧组合结构，均采用螺钉分别同上模板10、下模板1紧固；上下可分的可分组合凹模结构能够实现杆部轴线与垂直方向成α倾角的预锻件顺利地从下凹模5顶出。再进一步地，所述上凹模13内腔左腔顶部设置有分流腔8，其作用是调节由下料不精确导致的毛坯体积波动。

进一步地，所述顶杆3的轴线与预锻件4杆部轴线同垂直方向的倾斜角度α相同。

进一步地，所述模具的工作过程为，首先将上模板10、组合凸模随双动液压机外滑块和内滑块上升至上限位置，再将经过压扁制坯的毛坯放入下凹模5内；操作双动液压机使外滑块下行，上凹模13同下凹模5闭合并由外滑块压紧，随后内滑块带动凸模12下行对毛坯施加作用力，以正、反挤压的方式使毛坯金属充满由上凹模13和下凹模5组成的凹模模膛，成形为所需预锻件。预锻结束后，操作双动液压机，首先使内滑块回程带动组合凸模从预锻件和闭合的凹模模膛中退出上行至初始位置；随后，外滑块上行带动上凹模13与下凹模5张开，也回到初始位置；最后，顶杆3上行将预锻件从下凹模13中顶出，至此，一个工作循环结束。

附图说明

图1为鼓式转向节预锻件锻造工步图。

图2为鼓式转向节预锻件闭式近净成形模具示意图。

图2中标记为：下模板1，下凹模预紧圈2，顶杆3，预锻件4，下凹模5，压圈6、导柱7、分流腔8、导套9、上模板10、凸模座11、凸模12、上凹模13、上凹模预紧圈14。

图3为鼓式转向节锻件图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

选择近年来国内外市场需求量大的A90型汽车转向节作为本项新工艺及模具的应用实例。为适应闭式预锻近净成形时横向挤压所产生的金属正、反流动的特点，将预锻件头部设计为平面叉形结构，叉耳横截面按锻件叉耳下段横截面形状和尺寸确定，形状为矩形，长87mm，宽58mm，叉耳高度根据锻件图(图3)上对应的叉耳的体积确定，较大叉耳高度为135mm，较小叉耳高度为113.5mm；法兰水平投影形状与锻件图上两叉耳包络体水平投影的矩形形状相同，长226.7mm，宽87mm，其高度根据锻件法兰部分的体积确定为35mm；杆部形状与尺寸和锻件的相同；为了预锻成形后便于预锻件脱模，将两叉耳设计成与垂直方向平行，将杆部与垂直方向倾斜7.2°；分模面设置在法兰底面。

选择棒料作为原始坯料。基于闭式预锻成形时横向挤压的变形原理，由图1(c)所示两个叉耳外侧的距离来确定棒料长度得226.7mm，再根据锻件体积(3205×10³)确定棒料直径134.2mm，棒材尺寸为Φ134.2×226.7mm，如图1(a)所示。

压扁制坯的毛坯由棒料压扁获得。沿圆形棒料长度压扁，属于平面变形，即坯料长度保持不变，仅横截面高度变小，宽度增大。其高度根据叉耳的前后即长度尺寸确定，根据预锻件上的相应尺寸取高度为87mm，因圆形棒料压扁后两侧为大圆弧形，则其宽度为两侧圆弧顶面间的距离，采用有限元模拟或平板间的压扁工艺试验确定压扁后毛坯的宽度为175mm，如图1(b)所示。

转向节预锻件的闭式近净成形过程为，通过凸模对封闭在可分凹模模膛中的压扁毛坯中部施加作用力使其产生变形，中部金属通过正向挤压成形为杆部，两侧的金属通过反向挤压成形为左、右叉耳。

图2给出本发明预锻模具结构示意图，包括模架、组合凸模、可分组合凹模及顶杆3；模架上端通过螺钉固定于双动液压机外滑块下端面，模架下端通过螺钉固定于双动液压机工作台上面；组合凸模上端通过螺钉固定于双动液压机内滑块下端面；可分组合凹模包括上凹模组合下凹模组，上凹模组通过螺钉连接在模架的上模板10下面，下凹模组通过螺钉连接在模架的下模板1上面；顶杆3放置在下模板1的顶出孔内，下端由双动液压机顶出油缸支撑。

模架包括下模板1、压圈6、导柱7、导套9、上模板10；导柱7同下模板1、导套9同上模板10均采用过渡配合，并通过压圈6由螺钉锁紧；所述下模板1设置有顶出孔，用于放置顶杆3并导向，其轴线与预锻件4杆部轴线同垂直方向的倾斜角度α相同。

组合凸模包括凸模座11及凸模12，两者用螺钉紧固为一体；凸模座与双动液压机内滑块通过螺钉紧固为一体。

可分组合凹模下凹模组包括下凹模5和下凹模预紧圈2，上凹模组包括上凹模13和上凹模预紧圈14；下凹模5与下凹模预紧圈2、上凹模13与上凹模预紧圈14均构成预紧组合结构，均采用螺钉分别同上模板10、下模板1紧固；上下可分的可分组合凹模结构能够实现杆部轴线与垂直方向成α倾角的预锻件顺利地从下凹模5顶出。再进一步地，所述上凹模13内腔左腔顶部设置有分流腔8，其作用是调节由下料不精确导致的毛坯体积波动。

顶杆3的轴线与预锻件4杆部轴线同垂直方向的倾斜角度7.2°相同。

利用上述模具进行鼓式转向节预锻件闭式近净成形的过程如下：首先将上模板10、组合凸模随双动液压机外滑块和内滑块上升至上限位置，再将经过压扁制坯的毛坯放入下凹模5内；操作双动液压机使外滑块下行，上凹模13同下凹模5闭合并由外滑块压紧，随后内滑块带动凸模12下行对毛坯施加作用力，以正、反挤压的方式使毛坯金属充满由上凹模13和下凹模5组成的凹模模膛，成形为所需预锻件。预锻结束后，操作双动液压机，首先使内滑块回程带动组合凸模从预锻件和闭合的凹模模膛中退出上行至初始位置；随后，外滑块上行带动上凹模13与下凹模5张开，也回到初始位置；最后，顶杆3上行将预锻件从下凹模13中顶出，至此，一个工作循环结束。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种鼓式转向节预锻件的闭式近净成形模具,其成形原理为通过凸模对封闭在可分凹模模膛中的压扁毛坯中部施加作用力使其产生变形,中部金属通过正向挤压成形出与垂直方向成α倾角的杆部,两侧的金属通过反向挤压成形为与垂直方向平行的左、右叉耳；包括模架、组合凸模、可分组合凹模及顶杆(3)；模架上端通过螺钉固定于双动液压机外滑块下端面，模架下端通过螺钉固定于双动液压机工作台上面；组合凸模上端通过螺钉固定于双动液压机内滑块下端面；可分组合凹模包括上凹模组和下凹模组，上凹模组通过螺钉连接在模架的上模板(10)下面，下凹模组通过螺钉连接在模架的下模板(1)上面；所述下模板(1)设置有顶出孔，用于放置顶杆(3)并导向，顶杆轴线与预锻件(4)杆部轴线同垂直方向的倾斜角度α相同；顶杆(3)放置在下模板(1)的顶出孔内，下端由双动液压机顶出油缸支撑，所述模架包括下模板(1)、压圈(6)、导柱(7)、导套(9)、上模板(10)；导柱(7)同下模板(1)、导套(9)同上模板(10)均采用过渡配合，并通过压圈(6)由螺钉锁紧；所述组合凸模包括凸模座(11)及凸模(12)，两者用螺钉紧固为一体；凸模座与双动液压机内滑块通过螺钉紧固为一体；所述可分组合凹模下凹模组包括下凹模(5)和下凹模预紧圈(2)，上凹模组包括上凹模(13)和上凹模预紧圈(14)；下凹模(5)与下凹模预紧圈(2)、上凹模(13)与上凹模预紧圈(14)均构成预紧组合结构，均采用螺钉分别同上模板(10)、下模板(1)紧固；上下可分的可分组合凹模结构能够实现杆部轴线与垂直方向成α倾角的预锻件顺利地从下凹模(5)顶出；再进一步地，所述上凹模(13)内腔左腔顶部设置有分流腔(8)，其作用是调节由下料不精确导致的毛坯体积波动；所述顶杆(3)的轴线与预锻件(4)杆部轴线同垂直方向的倾斜角度α相同，所述闭式近净成形工艺的模具的工 作过程为，首先将上模板(10)、组合凸模随双动液压机外滑块和内滑块上升至上限位置，再将经过压扁制坯的毛坯放入下凹模(5)内；操作双动液压机使外滑块下行，上凹模(13)同下凹模(5)闭合并由外滑块压紧，随后内滑块带动凸模(12)下行对毛坯施加作用力，以正、反挤压的方式使毛坯金属充满由上凹模(13)和下凹模(5)组成的凹模模膛，成形为所需预锻件，预锻结束后，操作双动液压机，首先使内滑块回程带动组合凸模从预锻件和闭合的凹模模膛中退出上行至初始位置；随后，外滑块上行带动上凹模(13)与下凹模(5)张开，也回到初始位置；最后，顶杆(3)上行将预锻件从下凹模(13)中顶出，至此，一个工作循环结束。

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