概述
轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，能夠使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向。它一個(gè)作用是將方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值有效地傳遞到汽車前輪上，適時(shí)控制汽車行進(jìn)中的路線，從而保證汽車安全、準(zhǔn)確無(wú)誤地運(yùn)行。另一個(gè)作用是承受汽車前部載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)。在汽車行駛狀態(tài)下，承受著多變的沖擊載荷。因此轉(zhuǎn)向節(jié)不僅要求有可靠的強(qiáng)度，而且必須保證其較高的加工精度。它的幾何形狀比較復(fù)雜，需要加工的幾何形體比較多，各幾何面之間位置精度要求較高，其加工精度的高低會(huì)影響到汽車運(yùn)行中的轉(zhuǎn)向精度。
轉(zhuǎn)向節(jié)形狀比較復(fù)雜，集中了軸、孔、盤環(huán)、叉架等四類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要由支承軸、法蘭盤、叉架三大部分組成，如圖1所示。支承軸的結(jié)構(gòu)形狀為階梯軸，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由同軸的外圓柱面、圓錐面、螺紋面，以及與軸心線垂直的軸肩、過(guò)渡圓角和端面組成的回轉(zhuǎn)體；法蘭盤包括法蘭面、均布的連接螺栓通孔和轉(zhuǎn)向限位的螺紋孔；叉架是由轉(zhuǎn)向節(jié)的上、下耳和法蘭面構(gòu)成叉架形結(jié)構(gòu)。
圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖
鍛造方式對(duì)于加工工藝性的影響
轉(zhuǎn)向節(jié)的機(jī)加工主要工藝流程為：銑軸頸端面、打中心孔→粗車法蘭盤端面和支撐軸軸頸→半精車支撐軸頸、圓角，精車法蘭，車尾端螺紋→鉆、攻法蘭面螺紋→粗、精銑上、下耳環(huán)內(nèi)、外端面→鉆、鏜主銷孔→表面淬火（根據(jù)需要）→精磨大、小軸承頸及圓角→鉆軸端十字交叉孔→打刻標(biāo)識(shí)→檢驗(yàn)、入庫(kù)。
圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)加工件示意圖
由于鍛件生產(chǎn)方式（即平面分模和立式分模）不同，在進(jìn)行鍛件設(shè)計(jì)時(shí)的分模面布置、加工余量分配、以及鍛件的錯(cuò)差和厚度公差對(duì)于轉(zhuǎn)向節(jié)的加工會(huì)產(chǎn)生不同的影響。尤其是在銑軸頸端面、打中心孔，車、磨支撐軸頸（見(jiàn)圖2所示A、B部位的加工）及法蘭盤端面，加工法蘭盤上與轉(zhuǎn)向節(jié)臂和制動(dòng)器連接的螺紋孔以及加工叉架部分的叉口端面及主銷孔等工序上（見(jiàn)圖2所示C、D部位的加工）產(chǎn)生的影響尤其明顯，因此在進(jìn)行機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)、夾具定位面選擇時(shí)必須根據(jù)鍛件生產(chǎn)方式的不同而采取相應(yīng)對(duì)策?，F(xiàn)詳細(xì)闡述如下：
從鍛造工藝的角度來(lái)看，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的特點(diǎn)是：支承軸細(xì)長(zhǎng)、法蘭較大且有時(shí)為異形面，叉架與支撐軸中心線偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度α且形狀復(fù)雜，按照《GB12362-2003鋼質(zhì)模鍛件公差及機(jī)械加工余量》中的鍛件形狀復(fù)雜系數(shù)S=mi/mn(其中mi為鍛件質(zhì)量；mn為鍛件包容體質(zhì)量)計(jì)算可知，S均小于0.16，因此其復(fù)雜系數(shù)為S4，為典型的復(fù)雜叉形件。鍛件的生產(chǎn)有兩種方式：一種為水平分模方式（簡(jiǎn)稱平面分模），即以鍛件中心平面為分模面的鍛造方式，因支撐軸部分與法蘭和叉架部分的截面相差較大，鍛造過(guò)程中為合理分配坯料致使制坯非常復(fù)雜，即便如此，在支撐軸和法蘭連接處還是會(huì)存在較大飛邊，并沿軸向逐漸減少，直到尾部才能達(dá)到正常寬度，此種方式鍛造的材料利用率較低。另一種為垂直分模方式（簡(jiǎn)稱立式分模），即以法蘭中心平面為基礎(chǔ)，兼顧兩側(cè)叉子型腔的垂直分模方式，這種鍛造方式可以在預(yù)鍛采用封閉式鍛造技術(shù)，正擠出軸部和反擠出兩側(cè)叉部，然后終鍛成形并排出多余金屬。因預(yù)鍛是利用閉式型腔對(duì)金屬進(jìn)行限制，迫使金屬在三向壓應(yīng)力作用下流向型腔深處，可大幅度減少飛邊金屬消耗。
水平分模和立式分模轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的鍛造公差及加工余量布置分析：在采用水平分模鍛造轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)，其分模面通常選在最大截面處，從圖3所示可以看出，A-A為鍛件分模面，而鍛打方向垂直于分模面所在的平面，即沿B-B所示方向。這樣鍛件即由上、下模兩部分鍛造成形。鍛件加工部位的加工余量均勻分配在支撐軸、法蘭盤端面以及上、下叉口端面。鍛件的拔模斜度沿鍛打方向，即B-B的方向，一般為5°～7°；在鍛打過(guò)程中，由于鍛件溫度和鍛打力等因素的波動(dòng)影響，上、下模不能完全打靠，因此在鍛件上會(huì)形成沿鍛打方向的厚度尺寸波動(dòng)，通常公差為±1mm左右；而由于上、下模具錯(cuò)移產(chǎn)生的錯(cuò)差一般為±1.5mm左右。
圖3 水平和立式鍛件示意圖
而立式分模鍛件的分模面垂直于支撐軸且通過(guò)法蘭的中心，但鍛件的形狀決定了其分模面為一曲面。從圖3所示可以看出，C-C所示曲面為其分模面，那么鍛打方向垂直于分模面，即沿D-D所示方向。這種方式生產(chǎn)的鍛件在加工余量分配上與水平鍛造生產(chǎn)的鍛件不同，由于上模鍛件的拔模需要，不形成倒拔模，因此在上、下叉口的內(nèi)傾一側(cè)需添加余量，使其形成正拔模，主要部位如圖3所示E、F兩處。而支撐軸部分除正常添加余量外，為便于支撐軸部位脫模，沿軸向另外添加1°～1.5°的拔模角，假設(shè)支撐軸長(zhǎng)200mm，那么由于拔模角的添加，從小軸端到法蘭根部支撐軸外頸的額外添加的余量將從0增加至0.35mm～0.5mm。鍛件厚度公差通常為±1.5mm左右，沿D-D向產(chǎn)生，錯(cuò)差一般為±1.5mm左右，垂直于D-D方向產(chǎn)生。
從上面所列兩種方式生產(chǎn)鍛件存在的余量和公差等因素的不同影響，在進(jìn)行加工工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須加以考慮，否則將對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的加工質(zhì)量造成影響。需重點(diǎn)關(guān)注的加工影響以下幾個(gè)方面。
轉(zhuǎn)向節(jié)支撐軸部位的加工影響
轉(zhuǎn)向節(jié)支撐軸部位的加工主要工序?yàn)殂娸S端端面、打中心孔，以及車、磨各部位軸頸。這兩道工序是相互關(guān)聯(lián)的，尤其是打中心孔工序，中心孔不僅是后續(xù)加工支承軸頸的定位基準(zhǔn)，而且是支撐軸上各種尺寸、位置公差的測(cè)量基準(zhǔn)。在加工過(guò)程中如果兩中心孔的連線不能與支撐軸鍛件的軸線吻合，將會(huì)造成鍛件的余量分配不均衡而出現(xiàn)加工軸頸黑皮（即殘留鍛造表面）。對(duì)比兩種方式生產(chǎn)的鍛件的軸頸部位可以看出，對(duì)于立式分模鍛造的轉(zhuǎn)向節(jié)，由于支撐軸部位終鍛是在筒形型腔內(nèi)成形，因此該部位的圓度好且余量均勻，在進(jìn)行加工中心孔選擇定位位置比較容易。而水平鍛造的鍛件由于錯(cuò)差和厚度公差，以及切邊殘余等因素的影響，其不是一個(gè)規(guī)整的圓形，而會(huì)形成如圖4所示的不規(guī)則圓形，圖4中A、B兩種狀態(tài)為厚度公差在最大和最小兩種狀態(tài)下支撐軸的截面模擬，其中假設(shè)軸頸凈尺寸為φ36mm，單邊余量2mm，錯(cuò)差±1.5mm，厚度公差±1.5mm，從模擬狀態(tài)可以明顯看出軸頸各處在多重因素影響下余量部分出現(xiàn)明顯波動(dòng)?；阱懠S頸部位的這種形狀波動(dòng)，在進(jìn)行加工中心孔定位位置選擇時(shí)應(yīng)該考慮按圖4所示沿與分模面成45°方向采用V型夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可避免飛邊殘余和錯(cuò)差的影響，使中心孔連線趨近鍛件軸頸的理論中心線，從而使后續(xù)加工余量分配均勻。
圖4 厚度與錯(cuò)差對(duì)支撐軸的影響
支撐軸軸向尺寸的影響
圖2所示轉(zhuǎn)向節(jié)的軸向尺寸鏈281.5mm，26mm，60mm和11mm的關(guān)系是相互關(guān)聯(lián)的，轉(zhuǎn)向節(jié)主銷孔的壁厚11mm的尺寸尤為重要，其關(guān)系到主銷孔壁厚的強(qiáng)度問(wèn)題，因此必須保證。從軸向尺寸鏈的相互關(guān)系分析，壁厚11mm的波動(dòng)在第一道加工工序銑端面打中心孔時(shí)就應(yīng)該從不同的鍛造方式加以考慮軸向定位問(wèn)題，如果是水平鍛造的鍛件，那么對(duì)于鍛件軸向尺寸的部分產(chǎn)生在上、下兩塊模具中，其波動(dòng)的主要影響為鍛件錯(cuò)差。而如果是立式鍛造生產(chǎn)的鍛件，軸向尺寸的產(chǎn)生在上、下兩塊模具中，對(duì)其軸向尺寸的波動(dòng)影響主要為鍛件厚度公差的影響，因此在這種狀態(tài)下選取初始軸向定位尺寸定位建議選在與主銷孔壁厚11mm在同一塊模具產(chǎn)生的上模，即選在靠近叉口部位的法蘭面上。
法蘭部分的加工影響
立式鍛造的鍛件的法蘭部位是在完整的型腔內(nèi)成形，因此其形狀誤差波動(dòng)較小，在加工法蘭四周的連接孔時(shí)，只要支撐軸中心孔的定位準(zhǔn)確，連接孔周邊壁厚就會(huì)非常均勻。而對(duì)于水平鍛造生產(chǎn)的鍛件，它的法蘭部分成形是在上、下兩塊模具中成形的，而且由于鍛件錯(cuò)差和厚度公差的影響，同時(shí)根據(jù)上面分析的中心孔定心問(wèn)題，因此在加工法蘭部位四周的連接孔時(shí)，存在孔周邊壁厚不均勻，甚至偏小的風(fēng)險(xiǎn)，必須加以注意，必要時(shí)可以要求在個(gè)別孔周圍適當(dāng)添加余量，來(lái)避免這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。此外，立式鍛造的鍛件法蘭厚度受鍛件厚度公差的影響，不同批次鍛件法蘭端面的加工余量會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，這點(diǎn)在機(jī)加工時(shí)也需要注意。
轉(zhuǎn)向節(jié)叉口部位加工的影響
因?yàn)檗D(zhuǎn)向節(jié)的支撐軸部位與其叉口部位存在一個(gè)夾角α，在采用立式鍛造生產(chǎn)轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)，為不產(chǎn)生倒拔模，使上模部分鍛件能夠從型腔內(nèi)脫出，必須增加余量，從圖3所示的E和F部位，尤其是F位置的余量較大，假設(shè)α=7°，叉口深為70mm，正常拔模斜度為3°，那么叉口根部增加的余量為：
δ=70mm×tan7°+70mm×tan3°=12.2mm
這樣在進(jìn)行叉口加工，尤其是粗加工的過(guò)程中必須考慮該部位的大余量切削；而水平鍛造的鍛件在這些部位的余量可以按常規(guī)布置，因此其切削的量較小，但是由于兩叉口中間部位存在拔模余量，因此該部位為了打中心孔的精度，一般都會(huì)進(jìn)行端面銑削。此外，在加工叉口部位時(shí)，通常用軸頸定位，對(duì)于立式鍛造的鍛件，由于錯(cuò)差的影響，叉口部位加工余量會(huì)出現(xiàn)變化，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)加工余量不足而產(chǎn)生黑皮。
結(jié)束語(yǔ)
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造技術(shù)不論是水平鍛造還是立式鍛造目前均廣泛應(yīng)用在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的生產(chǎn)領(lǐng)域。對(duì)于不同方式生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)由于成形方式、加工余量分布以及鍛造分模結(jié)構(gòu)的不同，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)應(yīng)該進(jìn)行針對(duì)性分析，根據(jù)情況采取措施，以便在進(jìn)行支撐軸桿部的中心孔加工、法蘭部位加工和叉口部位加工的過(guò)程中能夠采用不同的定位、切削方式，從而獲得良好的加工工藝性。
