叉车用转向节生产工艺分析

在物料搬运领域，叉车越来越多的应用于工厂、港口码头等场合，仓储、运输等环节，被称为万能搬运工具。随着全球经济化进程加快，叉车市场也呈现出快速发展的趋势。本文提到的转向节为某品牌叉车使用零件，其作用是当叉车在水平路面行驶时，叉车轮子以水平轴为中心上下摆动，可减小车架的扭转力矩，使得每个叉车轮子的载荷均匀，保证叉车行驶稳定。转向节锻件实物见图1、3D 数模图见图2、锻件图主要尺寸见图3。

图1 转向节锻件

图2 转向节3D 数模

图3 转向节锻件2D 图

工艺分析

主设备选择

产品锻件重11.7kg，材质42CrMo，材质系数M1，形状复杂系数S4。

依照计算公式P=K×σ×S。

其中，P——成形压力，K——复杂系数，σ——材料强度极限，S——水平投影面积。

计算得到需要成形压力为3029kN，根据公司设备状况选择4000t 热模锻压力机作为主设备进行生产，315t 压力机进行切边。

工艺难点分析

该产品属于立锻轴类零件，形状复杂系数高，成形较困难。之前开发的转向节底部基本是一个台阶或台阶直径差异较小，后续采用机加工的方式去除材料，而本产品台阶直径差异较大，而且必须锻造成形。其成形难点如下。

⑴尾部台阶φ26mm 的充满性。由于预锻型腔需要靠压力压入才能充满，因此预锻设计时杆部高度要小于终锻高度，一般按高度设计尺寸系数0.8 ～0.9的终锻高度取值，杆部顶部宽度预锻与终锻要相等。同时预锻模具的型腔斜度需要增大，使预锻毛坯到终锻时与模壁有一定的间隙，从而减小模壁对金属流动的阻力。由于预锻斜度增大，使金属不容易充满，因此必须加大预锻的R 角，但需要确保产品能充满的同时在终锻不会产生折叠。

⑵材料变形过程中的稳定性控制，由于产品上模的形状比较复杂，刚开始模具与材料是点接触开始变形，因此产品在成形过程中容易因为材料跑偏而产生折叠，所以需修正第一道模具上模形状，确保金属在变形过程中稳定性，同时产品各工序的定位也要稳定可靠。

⑶28.8mm 落差的稳定性控制，公差小且厚度薄，切边过程中容易压塌或拉变形，因此需特别处理，一般采用热整工序克服，本产品则通过采用抱紧切边消除切边过程的变形量，从而可取消热整形工序，减少一台设备的使用，降低产品生产成本。

同时由于是出口产品对外观有较高的要求，需在锻造时将加热产生的一次氧化皮清理干净，因此本工艺在锻造前增加了除鳞设备进行一次氧化皮的清除，通过采用除鳞设备，可取消传统的镦粗去氧化皮工序，从而提高产品生产效率及表面质量。

工艺流程分析

根据其产品特点可选择两种生产流程如下。

⑴方案一：采用制坯设备拔长杆部后将杆部放入型腔后在4000t 上进行镦粗、预锻、终锻。其流程为：下料→加热→拔杆部(使用设备：200t 压力机)→除鳞(氧化皮清洗机)→镦粗、预锻、终锻(使用设备：4000t 热模锻压力机)→抱紧切边(设备：315t 压力机)→喷砂→热处理(调质)→喷砂→磁粉探伤→外观尺寸检查→喷漆→包装出货。

优点：杆部拔长后，预终锻杆部变形程度低，成形时材料流动距离短。

缺点：多增加一道拔长工序，多使用一台设备及一个操作人员。制坯拔长后，杆部温度下降多且快。

⑵方案二：采用挤压工艺原材料直接在4000t 上挤压成形，其流程为：下料→加热→除鳞(氧化皮清洗机)→制坯、预锻、终锻(使用设备：4000t 热模锻压力机)→抱紧切边(使用设备：315t 压力机)→喷砂—热处理(调质)→喷砂→磁粉探伤→外观尺寸检查→喷漆→包装出货。

优点：少使用一台设备及一个操作人员，材料成形温度高。

缺点：金属流动距离长，对设计者要求高，需要有较丰富的设计经验，在设计过程中需控制金属流动方向，采用三道挤压成形，每道挤压的成形程度、压下量选择及算料过程对设计者要求较高，前期策划及模拟次数时间要求长。

由于前期对挤压设计工艺把握度不高，对拔料后的产品温度影响预估不足，因此样件生产时直接采用了方案一进行开发及模具设计。

通过计算采用φ85mm 材料，其制坯、预锻及终锻数值模拟见图4。

图4 方案一数值模拟

通过数值模拟，未发现明显的产品质量问题。在产品实际试制生产过程中发现直径φ26mm 处欠肉比例非常大，不良率占比20%，无法保证产品长期稳定的生产。主要原因为制坯过程中杆部温度下降太多，金属材料流动性不好，实际进入杆部的材料与数值模拟的程度差异太大。样件生产过程中不良产品实物见图5，主要为杆部充不满。

图5 不良产品实物

方案二数值模拟分析

为彻底改善产品品质需采用方案二的挤压工艺进行设计并数值模拟。

根据产品形状及材料高度与直径之比小于2 的原则选择了直径φ110mm 的材料进行设计并模拟。制坯主要是进行大分料，确保坯料定位稳定，同时方案一的一些问题点需在方案二进行修改，主要是镦粗成形过程中因为上模的形状问题导致料流动过程中料偏和刮料等现象形成折叠。由于采用挤压工艺，需确保每道产品的镦粗挤压量足够，同时调整好杆部每道工序成形的比值。

通过多次数值模拟及不断优化，锁定模具状态，最后的产品数值模拟状况见图6。模具制作完成后待现场实际生产验证。

图6 方案二数值模拟

锻件生产过程验证

锻件生产过程的管制重点

⑴下料设备的选择，由于采用的是挤压工艺，对原材料的平面度及垂直度有较高的要求，因此需要选择圆盘锯进行下料来保证。

⑵挤压类零件模具的加热温度及润滑会对金属的流动产生较大的影响，因此过程中要重点监控，模具初期预热温度要大于250℃，同时石墨乳的配比要比普通产品要求的比例高一倍。

⑶由于采用挤压工艺，要求挤压口位置的表面粗糙度要抛光到Ra0.6μm 以内，确保金属顺利流入杆部，过程中要重点冷却与润滑。

⑷由于小凸台φ26mm 比φ48mm 小很多，因此在成形过程中要确保小台阶部位的配料足够，杆部直径尺寸三道工序都相等，不需要做单边缩小处理，但是在高度取值上要调整，确保每道工序有足够的挤压量来成形。

⑸产品生产过程中的每一道工序定位要求准确可靠，产品上线前要采用石膏取样的方法来确认每一道工序的定位稳定性。

⑹由于杆部的型腔较长，加工及返修困难，需在设计之初确认好分块位置，在模具组装过程中要确保定位准确，同轴度符合要求，否则锻造在成形过程中会产生刮料折叠。实际生产产品如图7、图8 所示。

图7 现场实际生产工步产品

图8 连续生产锻件成品

杆部尺寸的充满性不合格问题分析

实际生产过程中，杆部尺寸的充满性还是一个主要的不合格问题，报废率达到1.2%。分析主要原因如下。

⑴挤压口位置容易磨损，磨损后导致金属流动变差，杆部充不满。因此需在模具使用过程中监控，模具的冷却与润滑用单点教育表进行培训教育，同时挤压口磨损后要及时修复。

⑵上模未做顶杆，模具磨损后产品容易卡上模，造成产品温度低。改善对策为上下模都需要做顶出机构。

⑶下模冷却时喷洒的石墨乳由于顶出间隙小无法流出导致顶杆卡死，后续改善需增加石墨乳流出孔。

⑷模具的桥部厚度及阻尼的磨损会使材料往外流动更容易，导致杆部流动金属变少。因此每次模具上线时需保证桥部厚度及阻尼尺寸满足图面要求。

⑸φ26.4mm 耳朵落差尺寸由于切边会产生变形，后续需整形才能满足尺寸要求。采用抱紧切边，现场验证变形程度小，可取消整形设备。抱紧切边的技术难点在于弹簧的弹力及行程选择，同时定位基准面及产品定边与动边的间隙配比选择也是一个技术难点。

结束语

转向节的挤压工艺在汽车类产品有较广泛的应用，本文提到的转向节难点在于多增加了一个φ26mm 的小台阶，因此难度大大的增加了。本产品通过两个方案的实际对比，发现对于杆部带台阶且变化大的产品挤压工艺比拔长工艺更具有量产稳定性，同时由于对数值模拟参数设置与实际的差异了解不透彻，导致模拟成功的产品在实际生产中无法达到理论值要求，因此需要通过生产实际的状况调整模拟参数设计，使其能更接近现场实际生产。同时由于产品规定的是热处理后抗拉强度要求，因取样位置的不同，其推荐的硬度与抗拉强度对比表只能作为样件的调试参考值，需在实际热处理调试时根据工艺状况及产品的取样位置，找出产品表面硬度与心部硬度关联图及心部硬度与抗拉强度的关联图来确认产品的最终热处理硬度需求，从而确保产品质量稳定性。