浅谈汽车转向节锻造方式对其机加工工艺性的影响

文／李环宇·湖北神力锻造有限责任公司

浅谈汽车转向节锻造方式对其机加工工艺性的影响

文／李环宇·湖北神力锻造有限责任公司

李环宇，西北工业大学工学学士，湖北神力锻造有限责任公司产品开发部部长。

汽车转向节是汽车前桥总成上的重要零件，是一种典型的复杂叉形件，一般采用水平分模和立式分模两种锻造成形工艺生产锻件。本文通过对两种不同锻造工艺生产的锻件的分析，初步探讨转向节锻件的分模形式、余量分配以及锻造错差等对其机加工工艺性的影响，并对在加工过程中夹具设计和定位面的选择等方面提出建议。

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。它一个作用是将方向盘转动的角度值有效地传递到汽车前轮上，实时控制汽车行进中的路线，从而保证汽车安全、准确无误地运行。另一个作用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动。在汽车行驶状态下，承受着多变的冲击载荷。因此转向节不仅要求有可靠的强度，而且必须保证其较高的加工精度。它的几何形状比较复杂，需要加工的几何形体比较多，各几何面之间位置精度要求较高，其加工精度的高低会影响到汽车运行中的转向精度。

转向节形状比较复杂，集中了轴、孔、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，如图1所示。支承轴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结构。

图1 转向节结构示意图

锻造方式对于加工工艺性的影响

转向节的机加工主要工艺流程为：铣轴颈端面、打中心孔→粗车法兰盘端面和支承轴轴颈→半精车支承轴颈、圆角，精车法兰，车尾端螺纹→钻、攻法兰面螺纹→粗、精铣上、下耳环内、外端面→钻、镗主销孔→表面淬火（根据需要）→精磨大、小轴承颈及圆角→钻轴端十字交叉孔→打刻标识→检验、入库。

由于锻件生产方式（即平面分模和立式分模）不同，在进行锻件设计时的分模面布置、加工余量分配、以及锻件的错差和厚度公差对于转向节的加工会产生不同的影响。尤其是在铣轴颈端面、打中心孔，车、磨支承轴颈（见图2所示A、B部位的加工）及法兰盘端面，加工法兰盘上与转向节臂和制动器连接的螺纹孔以及加工叉架部分的叉口端面及主销孔等工序上（见图2所示C、D部位的加工）产生的影响尤其明显，因此在进行机加工工艺设计、夹具定位面选择时必须根据锻件生产方式的不同而采取相应对策。现详细阐述如下：

图2 转向节加工件示意图

从锻造工艺的角度来看，转向节锻件的特点是：支承轴细长、法兰较大且有时为异形面，叉架与支承轴中心线偏转一个角度α且形状复杂，按照《GB 12362-2003钢质模锻件公差及机械加工余量》中的锻件形状复杂系数S=mi/mn(其中mi为锻件质量；mn为锻件包容体质量）计算可知，S均小于0.16，因此其复杂系数为S4，为典型的复杂叉形件。锻件的生产有两种方式：一种为水平分模方式（简称平面分模），即以锻件中心平面为分模面的锻造方式，因支承轴部分与法兰和叉架部分的截面相差较大，锻造过程中为合理分配坯料致使制坯非常复杂，即便如此，在支承轴和法兰连接处还是会存在较大飞边，并沿轴向逐渐减少，直到尾部才能达到正常宽度，此种方式锻造的材料利用率较低。另一种为垂直分模方式（简称立式分模），即以法兰中心平面为基础，兼顾两侧叉子型腔的垂直分模方式，这种锻造方式可以在预锻采用封闭式锻造技术，正挤出轴部和反挤出两侧叉部，然后终锻成形并排出多余金属。因预锻是利用闭式型腔对金属进行限制，迫使金属在三向压应力作用下流向型腔深处，可大幅度减少飞边金属消耗。

图3 水平和立式锻件示意图

水平分模和立式分模转向节锻件的锻造公差及加工余量布置分析：在采用水平分模锻造转向节时，其分模面通常选在最大截面处，从图3所示可以看出，A-A为锻件分模面，而锻打方向垂直于分模面所在的平面，即沿B-B所示方向。这样锻件即由上、下模两部分锻造成形。锻件加工部位的加工余量均匀分配在支承轴、法兰盘端面以及上、下叉口端面。锻件的拔模斜度沿锻打方向，即B-B的方向，一般为5°～7°；在锻打过程中，由于锻件温度和锻打力等因素的波动影响，上、下模不能完全打靠，因此在锻件上会形成沿锻打方向的厚度尺寸波动，通常公差为±1mm左右；而由于上、下模具错移产生的错差一般为±1.5mm左右。

而立式分模锻件的分模面垂直于支承轴且通过法兰的中心，但锻件的形状决定了其分模面为一曲面。从图3所示可以看出，C-C所示曲面为其分模面，那么锻打方向垂直于分模面，即沿D-D所示方向。这种方式生产的锻件在加工余量分配上与水平锻造生产的锻件不同，由于上模锻件的拔模需要，不形成倒拔模，因此在上、下叉口的内倾一侧需添加余量，使其形成正拔模，主要部位如图3所示E、F两处。而支承轴部分除正常添加余量外，为便于支承轴部位脱模，沿轴向另外添加1°～1.5°的拔模角，假设支承轴长200mm，那么由于拔模角的添加，从小轴端到法兰根部支承轴外颈的额外添加的余量将从0增加至0.35～0.5mm。锻件厚度公差通常为±1.5mm左右，沿D-D向产生，错差一般为±1.5mm左右，垂直于D-D方向产生。

从上面所列两种方式生产锻件存在的余量和公差等因素的不同影响，在进行加工工艺设计时必须加以考虑，否则将对转向节的加工质量造成影响。需重点关注的加工影响有以下几个方面。

转向节支承轴部位的加工影响

转向节支承轴部位的加工主要工序为铣轴颈端面、打中心孔，以及车、磨各部位轴颈。这两道工序是相互关联的，尤其是打中心孔工序，中心孔不仅是后续加工支承轴颈的定位基准，而且是支承轴上各种尺寸、位置公差的测量基准。在加工过程中如果两中心孔的连线不能与支承轴锻件的轴线吻合，将会造成锻件的余量分配不均衡而出现加工轴颈黑皮（即残留锻造表面）。对比两种方式生产的锻件的轴颈部位可以看出，对于立式分模锻造的转向节，由于支承轴部位终锻是在筒形型腔内成形，因此该部位的圆度好且余量均匀，在进行加工中心孔选择定位位置比较容易。而水平锻造的锻件由于错差和厚度公差，以及切边残余等因素的影响，其不是一个规整的圆形，而会形成如图4所示的不规则圆形，图4中A、B两种状态为厚度公差在最大和最小两种状态下支承轴的截面模拟，其中假设轴颈净尺寸为φ36mm，单边余量2mm，错差±1.5mm，厚度公差±1.5mm，从模拟状态可以明显看出轴颈各处在多重因素影响下余量部分出现明显波动。基于锻件轴颈部位的这种形状波动，在进行加工中心孔定位位置选择时应该考虑按图4所示沿与分模面成45°方向采用V型夹具进行设计，这样可避免飞边残余和错差的影响，使中心孔连线趋近锻件轴颈的理论中心线，从而使后续加工余量分配均匀。

图4 厚度与错差对支承轴的影响

支承轴轴向尺寸的影响

图2所示转向节的轴向尺寸链281.5mm，26mm，60mm和11mm的关系是相互关联的，转向节主销孔的壁厚11mm的尺寸尤为重要，其关系到主销孔壁厚的强度问题，因此必须保证。从轴向尺寸链的相互关系分析，壁厚11mm的波动在第一道加工工序铣端面打中心孔时就应该从不同的锻造方式加以考虑轴向定位问题，如果是水平锻造的锻件，那么对于锻件轴向尺寸的部分产生在上、下两块模具中，其波动的主要影响为锻件错差。而如果是立式锻造生产的锻件，轴向尺寸的产生在上、下两块模具中，对其轴向尺寸的波动影响主要为锻件厚度公差的影响，因此在这种状态下选取初始轴向定位尺寸定位建议选在与主销孔壁厚11mm在同一块模具产生的上模，即选在靠近叉口部位的法兰面上。

法兰部分的加工影响

立式锻造的锻件的法兰部位是在完整的型腔内成形，因此其形状误差波动较小，在加工法兰四周的连接孔时，只要支承轴中心孔的定位准确，连接孔周边壁厚就会非常均匀。而对于水平锻造生产的锻件，它的法兰部分是在上、下两块模具中成形的，而且由于锻件错差和厚度公差的影响，同时根据上面分析的中心孔定心问题，因此在加工法兰部位四周的连接孔时，存在孔周边壁厚不均匀，甚至偏小的风险，必须加以注意，必要时可以要求在个别孔周围适当添加余量，来避免这个风险。此外，立式锻造的锻件法兰厚度受锻件厚度公差的影响，不同批次锻件法兰端面的加工余量会出现波动，这点在机加工时也需要注意。

转向节叉口部位加工的影响

因为转向节的支承轴部位与其叉口部位存在一个夹角α，在采用立式锻造生产转向节时，为不产生倒拔模，使上模部分锻件能够从型腔内脱出，必须增加余量，从图3所示的E和F部位，尤其是F位置的余量较大，假设α=7°，叉口深为70mm，正常拔模斜度为3°，那么叉口根部增加的余量为：

δ=70mm×tan7°+70mm×tan3°=12.2mm

这样在进行叉口加工，尤其是粗加工的过程中必须考虑该部位的大余量切削；而水平锻造的锻件在这些部位的余量可以按常规布置，因此其切削的量较小，但是由于两叉口中间部位存在拔模余量，因此该部位为了打中心孔的精度，一般都会进行端面铣削。此外，在加工叉口部位时，通常用轴颈定位，对于立式锻造的锻件，由于错差的影响，叉口部位加工余量会出现变化，严重的会出现加工余量不足而产生黑皮。

结束语

汽车转向节的锻造技术不论是水平锻造还是立式锻造目前均广泛应用在转向节锻件的生产领域。对于不同方式生产的转向节由于成形方式、加工余量分布以及锻造分模结构的不同，在进行机械加工时应该进行针对性分析，根据情况采取措施，以便在进行支承轴杆部的中心孔加工、法兰部位加工和叉口部位加工的过程中能够采用不同的定位、切削方式，从而获得良好的加工工艺性。