基于模拟软件的转向节裂纹分析与改进

文／张振水，吴万心，别建友，刘文新，成希锋·中国重汽集团济南铸锻中心

转向节是汽车上的关键部件，它即支撑车体重量，又传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩，因此对其机械性能和外形结构要求较高，是汽车上的重要安全零件之一。本文介绍了转向节锻造工艺改进及易出现裂纹位置，结合deform 模拟软件介绍了裂纹形成的原因，并针对裂纹位置进行了模具优化，解决裂纹导致的批量转向节废品。

转向节是汽车上的关键部件，起到支撑车体重量，又传递转向力矩和承受前轮刹车制动力矩的作用，因此对其机械性能和外形结构要求较高，是汽车上的重要安全零件之一。

我单位盘式转向节（图1）自今年4 月份生产以来，废品率一直居高不下，均在10%以上，目前导致转向节废品的原因主要是眼睛位置（B 区）、下模小凸台位置（H2 区）裂纹，其余位置在小头部位（I1区），为解决上述转向节缺陷，利用模拟软件反复进行锻打过程模拟及试制，查看锻打过程中流线分布情况及料的流动方向，寻找裂纹形成的原因。

转向节裂纹原因分析

眼睛处的裂纹及形成原因

目前我单位制坯采用拍扁工艺，拍扁后两端面存在尖角，通过模拟软件点位追踪，可以看到最终拍扁后坯料尖角位置料流动至眼睛区域，在热处理后由于应力集中原因形成裂纹，如图2 所示。

由于型腔及坯料分布情况决定眼睛部位，在锻打过程接近终了时才填满型腔，因此两股料在眼睛部位流动汇集，最终形成裂纹，如图3 所示。

转向节小头端面两侧接近分模面处裂纹形成原因

锻打过程中料的移动使坯料端面尖角最终流动至小头处，产生应力集中（与眼睛处裂纹相同），最后会在热处理后形成裂纹，如图4 所示。

在预锻距离小头端面大约70mm（图5(a)、图5(b)）处，模口圆角及型腔结构导致在此位置料的流动混乱形成裂纹，在锻打后期无法排出至毛边（图5(c)）。

下模小凸台位置裂纹及形成原因

在锻打后期小凸台位置存在空腔，空腔部位料的填充使小凸台处形成裂纹，如图6 所示。

在预锻过程中把部成形设计尺寸为175.7mm，实际锻打厚度约155mm，在终锻时把部料的剧烈流动带走小凸台处的料，形成裂纹，如图7 所示。

工艺优化

针对以上裂纹位置及原因分析，工艺改进方案如下：

目前采用φ180mm 料段拍扁工艺，拍扁后长度在245mm 左右，拍扁后两端面存在尖角，尖角位置直接影响预锻件质量，将拍扁工艺改为φ150mm 料段镦粗工艺，镦粗后长度在280mm 左右，在预锻中较拍扁工艺料的分布更为均匀，同时通过对镦粗模进行优化，镦粗毛坯两端面接近圆滑过渡无尖角，大大降低后续锻打过程中废品的产生。图8 为拍扁与镦粗料的对比模拟图。

模具型腔优化

眼睛处的改动

预锻上模两眼睛之间由原来的直面改为坡面加圆角过渡，同时加大模口圆角，如图9 所示。

在上模眼睛1/2 位置处做一斜面与上模型腔边缘连接，并做大约R80mm 的圆角进行过渡，如图10所示。

预锻下模眼睛处挡墙结构由原来封闭式更改为眼睛端打通结构，改善锻打流向，使缺陷更易排出，如图11 所示。

转向节小头端面处裂纹改动

由拍扁工艺更改为镦粗工艺，解决坯料端面尖角问题。

更改小头部位的挡墙结构，由原来的封闭结构（图12(a)）改为小头端打通结构（图12(b)），使缺陷更易排出锻件，其次把上模距离小头40mm 位置处修改为R100mm 圆弧的凹槽（图12(c)），解决小头平面裂纹。

下模小凸台位置改动

小凸台结构改为与把部位置连通结构，在预锻模位置做凹槽且采用大圆弧过渡，增加终锻时的用料，如图13 所示。

在预锻上模大小爪之间进行局部改动，改善预锻把部的成形率，使把部在预锻过程中更易成形，解决终锻过程中把部金属流动形成小凸台位置空腔导致出现裂纹现象，如图14 所示。

针对小头侧裂纹，更改下模挡墙结构，由原来的整体挡墙结构更改为两端开通结构，其次把距离小头40mm 位置处修改为R100mm 圆弧的凹槽，解决小头平面裂纹。

结论

通过对上述缺陷产生的原因进行分析及对模具修改，由拍扁工艺改为镦粗工艺，型腔按照上述方案进行更进后，进行了锻打试制，到目前为止最新改进的造型使废品率大幅降低，现在废品率不到2%，大大降低了生产成本。