轻卡汽车转向节成形工艺设计.docx

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轻卡汽车转向节成形工艺设计

摘要

本次毕业设计包括编写汽车转向节锻造加工工艺规程和设计锻造模具，是对我四年本科学习的一次考察，也是自己运用所学知识进行实践的一次好机会。

该次设计，完成了轻型卡车转向节锻造的工艺流程安排、工艺编制及锻造模具设计的技术说明，制件的材料是40Cr.

转向节锻造的工艺设计，完成的是材料的自由锻制坯、模锻锤预锻和终锻、切边压力机切边工艺。

本文首先对产品图及成型工艺特点进行了分析，确定采用电液模锻锤进行锻造，使用带有预锻型槽和终锻型槽的模具机型终锻的工艺方法，根据零件的尺寸形状确定了加工面的预留加工余量、根据材料查表确定了加热温度、始锻温度、终锻温度，确定了锻件重量、进行了锻造力的估算，并根据锻造打击力进行了锻造设备的选择、对切边模具的凸模，凹模刃口尺寸进行了计算，最后利用CAD软件按工程制图标准画出锻造工步图、锻造胎模图、锻造模具图、切边模具图，编制了完整的锻造工艺。

关键词：

自由锻制坯;胎模;加工余量;刃口尺寸计算;预锻;终锻;锻造工步

ABSTRACT

Thegraduationdesignincludingcompilationautomotivesteeringknuckleforgingprocessplanninganddesignforforgingdieofundergraduatestudyfouryears,butalsohistripknowledgelearnedagoodoppotunitytocarryonthepractice.TheTimesdesign,completedthelighttruckssteeringknuckleforgingprocessarrangement,processCompilationandforgingdiedesigntechnicalspecification,theproduct'smaterialis40Cr.

Steeringknuckleforgingprocessdesign,completeismaterialoffreeforgingblocking,forginghammerforgingandeventuallygetsforging,trimmingpresstrimmingprocess.Thispaperfirstlyproductimageandmoldingprocesscharacteristicsareanalyzed,suretouseelectro-hydraulicforginghammerforging,usewithpretensionersonforgingtypeslotsandendthemouldforgingtypeslotmachineforgingprocessmethod,endaccordingtodeterminethesizeofpartsmachiningsurfaceshapetoreservemachiningallowance,accordingtomaterialslook-uptabledeterminedtheheatingtemperature,temperature,finalforgingbeginningtemperatureofforging,determinestheweightoftheforgingofforgings,accordingtotheestimate,andforcetheforgingstrokeforgingequipmentchoice,thepunchmoldsfortrimmingblade,concavediesize,finally,usingthecalculatedaccordingtotheengineeringdrawingstandardsCADtoolssoftwaredrawforgingtoolgraph,forgingdiestepwombgraph,forgingdiefigure,trimmingmouldfigure,compiledthecompleteforgingprocess.

Keywords:

FreeForgingBlocking;TireMold;MachiningAllowance;TheBladeSizeCalculation;Forging;EventuallyGetsForging;ForgingWorkSteps

摘要……………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract……………………………………………………………………………………Ⅱ

第1章绪论………………………………………………………………………………1

1.1前言………………………………………………………………………………1

1.2转向节国内外研究现状…………………………………………………………1

1.3选题的目的和意思…………………………………………………………4

1.4研究内容………………………………………………………………………5

1.4.1研究的基本内容……………………………………………………………5

1.4.2拟解决的主要问题…………………………………………………………5

第2章转向节工作原理………………………………………………………………6

2.1转向节工作原理功能………………………………………………………………6

2.2本章小结…………………………………………………………………………6第3章转向节的工艺设计……………………………………………………………9

3.1转向节锻件的工艺分析…………………………………………………………9

3.1.1锻件的零件图设计…………………………………………………………9

3.1.2锻件工艺流程的设计……………………………………………………10

3.1.3锻件工艺难点和锻造工艺方案制定………………………………………10

3.2锻件图的设计与锻件毛坯尺寸的计算…………………………………………11

3.2.1锻造工步的设计……………………………………………………………11

3.2.2冷锻件图的设计……………………………………………………………12

3.2.3热锻件图的设计……………………………………………………………18

3.2.4锻件毛坯尺寸的计算………………………………………………………18

3.3本章小结………………………………………………………………………20

第4章转向节的模具设计…………………………………………………………21

4.1自由锻制坯工具的设计………………………………………………………21

4.1.1摔轴颈摔模的设计…………………………………………………………21

4.1.2劈料胎模的设计……………………………………………………………22

4.2锻造打击力的估算和设备的选用………………………………………………23

4.3锻造模具、切边模具及锻造工艺编制……………………………………………24

4.3.1模具压力中心的确定……………………………………………………24

4.3.2锻造模具设计……………………………………………………………25

4.3.3切边模具的设计…………………………………………………………27

4.3.4锻造工艺的编制…………………………………………………………29

4.4锻造模具的制造………………………………………………………………29

4.4.1锻造模具的模块加工……………………………………………………30

4.4.2模膛的制造………………………………………………………………30

4.5本章小结…………………………………………………………………………30

结论…………………………………………………………………………………………31

参考文献……………………………………………………………………………………32

致谢…………………………………………………………………………………………33

附录…………………………………………………………………………………………34

第1章绪论

1.1前言

近年来，汽车制造业得到了迅猛发展，汽车性能不断提高。

锻造工艺作为机械制造技术之一，对汽车工业具有重要作用，是生产受力部件成形的重要手段。

随着汽车工业的发展，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大，传统的加工工艺已经不能满足汽车零件产品需求。

在这种情况下，锻造新工艺的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要，而先进工艺模具设计方法将对提高汽车零件设计水平、缩短零件研制周期和降低成本起着举足轻重的作用，从而大大提高汽车市场的竞争力。

塑性成形是材料加工的主要方法之一，它是利用金属塑性使金属在外力作用下成形的一种加工方法。

塑性成形在工业生产中得到广泛的应用，据统计，在汽车生产中70％以上的零部件都是利用金属塑性加工而成。

随着国内汽车制造业的迅速发展，汽车性能不断提高，汽车零部件中对高精度、形状复杂的锻件需求量越来越大，塑性加工行业迎来一个前所未有的发展机会，也面临着新的挑战。

汽车转向节是汽车前轴与前轮之间的关键零件，工作时不但要承载前轴给它的压力和地面给它的反作用力，还受到控制行使方向的扭力，其服役条件对零件的尺寸精度、表面质量和金属纤维流向都有很高的要求。

国内生产此类锻件仍然存在加工余量大、成形不易充满及模具设计困难等问题，探索该类锻件的合理锻造方法对我国汽车产业发展具有重要意义。

目前汽车转向节锻件主要依靠设计人员的经验不断试模、修模来保证质量，即使经验丰富的设计人员也很难保证一次成形出合格的终锻件，反复的试模、修模不仅浪费大量时间、人力和物力，而且增加生产成本，降低企业在市场中的竞争力。

近年来，随着计算机软硬件技术、金属塑性流动理论和计算机图形学等交叉学科的迅猛发展，有限元数值模拟技术得到了快速发展，以数值模拟等先进方法解决工业生产中的实际问题已成为金属成形技术的发展方向。

采用有限元数值模拟方法，可实现体积成形过程的模拟分析，获得零件的成形规律、以较小的代价，在较短的时间内找到最优的和可行的设计方案，为同类零件成形工艺的研究开发和应用提供技术依据和理论指导。

1.2国内外研究现状

在1817年德国人林肯斯潘杰提出了类似现代汽车的转向方式，德国人阿克曼改进了他的方案并申请了专利。

命名为“阿克曼转向梯形公式”。

1897年第一个倾斜的转向器在英国考文垂的戴姆勒汽车工厂诞生了。

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，转向节的功用是承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。

在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。

　转向节形状比较复杂，集中了轴、套、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。

支承轴颈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体的

近年来，我国研究出铝合金转向节，性能达到了国际同类产品标准，填补了该产品的国产空白。

同时，我国又成功建成了多条全自动转向节生产线，使我国的汽车转向节产业获得了快速的发展。

汽车转向节是汽车关键的保安零件，其品质的优劣直接维系着乘员和货物的安全。

同时，汽车转向节是形状十分复杂、成形难度很高的零件。

我国传统的制造方式能耗高、材料利用率低、模具寿命低、制造成本高、生产环境恶劣，不能满足我国汽车高速发展的要求。

目前，我国汽车转向节正处于发展阶段，技术水平较发达国家还存在差距。

随着汽车产业的高速发展，我国汽车转向节正逐步迈向专业化、先进化。

2007年，我国兵器装备集团公司自主研制的铝合金转向节顺利通过国家有色金属及电子材料分析测试中心的检测，性能达到了国际同类产品标准，成为我国第一家成功研制出铝合金转向节的企业，填补了该产品的国产空白。

2008年，我国成功建成了一条拥有中国最先进工艺技术、最小投资规模、最低制造成本、最高投入产出比、最短投资回报周期的年产18万件重型卡车转向节的全自动生产线，生产出外部形状完好、内部品质优良、产品一致性强、组织性能达标的转向节产品。

近几年来，随着汽车产业的全球化，适合不同环境、不同要求的各种类型汽车相继出现。

未来，为了满足人们的各种需求，世界各国对汽车的要求也会越来越高。

未来我国的汽车转向节产业将向专业化、自动化、智能化方向发展。

汽车转向节是一个异形、复杂零件，其常规典型工艺就要二十多道工序才能完成。

通过消化吸收国外先进的复合加工技术理念，未来，我国将自主创新更先进的转向节加工流程和制造工艺，将实现由计算机网络全方位控制、通过机器人来进行全线的自动化制造，将原来多达数十道的工序缩短为几道。

这样，不仅节省时间、人力，而且成本大大降低，汽车转向节的产量也会明显上升。

同时，为了减轻汽车转向节重量，提高耐磨性，未来将研究出新的高科技替代材料，这种材料不仅可以延长汽车转向节的使用寿命，而且能够增强汽车转向的灵活性及行驶的安全性。

此外，将开发一种多功能用的汽车转向节，强度和精确度更高，可以满足人们未来在不同需求状态下的需要。

产品的工艺特点和流程：

汽车转向节的加工分为毛坯制造和成品机加。

目前，毛坯主要以锻件为主，也有采用铸造毛坯的，但比较少。

毛坯的锻造工艺主要为劈叉、拔杆、预锻、终锻等工序组成。

从机加工艺来讲，汽车转向节分为杆部、法兰盘和叉部等3个部分加工。

（1）、杆部加工以中心孔定位，车和磨为主，加工关键是磨削。

（2）、法兰盘加工主要是制动器安装孔的加工，要保证其位置度，同时要兼顾加工效率。

并且，利用其中1孔作为加工叉部定位用。

（3）、叉部加工是汽车转向节加工的难点，采用两销一面定位，其加工主要是保证主销孔的同轴度，以及主销孔与内端面的垂直度，是整个加工工艺的投资重点和设备选型的关键。

大部分汽车转向节在此部位还有横拉杆装配用的锥孔，这更增加了叉部加工难度，锥孔加工是许多厂家难以100%合格的项目，应予重视，否则，汽车转向节的早期失效就从这里开始。

（4）、杆部的强化处理以提高汽车转向节的疲劳寿命，对大多数类型的汽车转向节都有这方面的技术要求，一般为滚压和中频淬火，以在表面形成残余压应力，提高产品疲劳强度。

国内加工对滚压要求不高，难点在中频淬火，主要是感应器的设计和制造，不过，在这方面国内有专业厂家给与解决。

（5）、主销孔压装衬套后的加工，有的压装后不要求加工，有的压装后要求加工。

从装配角度讲，压装后加工更有利于装配，否则影响转向的灵活性。

自中国汽车工业发展以来，汽车配件行业也随之发展壮大。

关于中国汽车转向节行业数量众多、产品繁杂、资本结构多元化的不足之处的阐述在各种媒体上都有连篇累牍的报道和炒作，尽管问题是存在的，但并不是中国汽车转向节行业发展的主流。

经过艰难的发展历程，中国汽车转向节行业经过市场的洗礼，已经成长起来。

在国外巨头争抢挤压以及进口转向节的冲击下，本土转向节企业同样在模仿、技术引进的过程成初具竞争力。

就目前看来，虽然存在合资、国营、独资、民营四分天下的竞争格局，但是汽车转向节行业市场规模的扩大是毋庸置疑的，而且市场集中度逐年提高，一改原先散、乱、差的局面。

随着中国整车市场规模的不断扩大，汽车转向节行业的市场规模亦同步提高。

虽然由于欧盟和美国汽车企业对由海关总署、国家发改委、财政部、商务部联合发布的《构成整车特征的零部件进口管理办法》提出异议，并最终与中国政府达成妥协，既2006年7月初，海关总署和商务部发布公告称，原定于2006年7月1日起实施的有关构成整车特征转向节的进口价格百分比界定标准以及有关汽车总成系统特征的A、B类关键件的区分标准，推迟到2008年7月1日实施，但是随着时间的推移，在中国市场寻求配套企业的发展趋势已经是难以避免。

这对于提高中国汽车转向节行业市场规模将起到相当的推动作用。

中国汽车转向节行业的市场规模已经具备相当的竞争力。

在今后五年内，中国汽车转向节行业的兼并重组势在比行，而且具有一定的可操作性前提条件，逐渐形成一级、二级、三级为核心的序列化配套体系。

中国转向节行业过去长期处在低水平、少投资、缺乏统一管理的分散发展格局。

改革开放以来，尤其是1994年《汽车产业政策》实施后，在整机引进和国产化政策双重推动下，大量民营资本涌入，大批合资企业建立，使转向节产业得到快速发展。

主流转向节企业的制造能力已达到上个世纪国际90年代末期水平，基本满足了国内引进车型的配套要求；以长春、上海、湖北为代表的汽车配件产业基地以及一些转向节行业的龙头骨干企业，基本形成了比较完整的主机配套体系。

通过引进，许多关键转向节已经与世界同步，不仅满足了国产新车和引进新车的需求，还引来了大量的国外采购者。

近年来，一些引进车型一上市，国产化率就超过50%，甚至更高，从这一点也可以看出国内转向节行业的产品竞争力，当然，这里包括了外资以及外商独资企业。

综合上述基本情况看，中国汽车转向节行业具备了相当的产品竞争力。

1.3选题的目的、意义

目的：

汽车转向节是汽车转向系统的关键零件，随着国内汽车产业飞速发展，该类锻件市场前景极为广阔，然而目前国内生产此类锻件仍然存在加工余量大、成形不易充满及模具设计困难等问题，所以探索该类锻件成形工艺具有十分重要的意义。

传统的生产方式是自由锻成形，成形过程需要两次加热，能源浪费而且污染严重，质量也不易控制。

为了响应国家节能减排的政策，提高生产效率和产品质量，将生产工艺进行改进，利用现有设备实现一火成形。

为了减少研发成本，通过计算机模拟各工步的成形过程，确定成形工艺，得到一套切实可行的生产工艺及合理的模具结构。

意义：

从20世纪80年代我国就开始研究转向节吧，并用于实践，随着国民经济的持续、快速发展，人民生活水平的不断提高，国内汽车保持着快速增长，轿车、客车、尤其是经济型轿车、轻型车、微中型车的需求量也获得了较大的增长，这时对汽车的质量要求也越来越高。

作为汽车转向桥的保安零部件，汽车的转向节品质的优劣直接维系着乘务员和货物的安全，因此我国的汽车零部件企业加大投资力度，借鉴国外先进技术，开发强度更高、灵活性更强的转向节。

1.4研究的基本内容

1.4.1、研究的基本内容

（1）汽车转向节分类及结构分析。

（2）汽车转向节成形工艺的研究现状与成形工艺分析。

（3）汽车转向节模具的设计。

1.4.2、拟解决的主要问题

（1）转向节模具设计计算。

（2）转向节的尺寸计算。

第2章转向节的结构设计与工作原理

2.1转向节工作原理功能与结构设计：

转向节是汽车转向桥上的主要零件之一，其作用是使汽车稳定行驶并灵敏传递行驶方向、承受汽车前部载荷，支承并带动前轮绕主销转动而使汽车转向。

在汽车行驶状态下，它承受着多变的冲击载荷，因此，要求其具有很高的强度。

转向节通过主销和前桥与车身相连，并通过法兰盘的制动器安装孔与制动系统相连。

在车辆高速行驶时，路面通过轮胎传递到转向节上的振动，是我们设计时考虑的主要因素。

计算时利用已有的整车模型，对整车施加4G的重力加速度，算出转向节三个衬套中心点和两个螺栓安装孔中心点的支反力作为施加载荷，并约束法兰盘连接制动系统端面上所有结点的自由度。

转向节形状比较复杂，集中了轴、套、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。

支承轴颈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体的。

2.1主销内倾角

　主销内倾角的作用是使车轮在行驶中自动回正。

通常车轮轴线不在水平面，为了方便说明我们假设直线行驶时车轮轴线在水平面上。

对于车轮轴线不在水平面的情况，只要把下图的水平面改为锥面。

如下图所示，考虑该水平面上和主销有交点的直线，主销与这些直线的夹角有一个最大值。

而汽车直线行驶时，车轮轴线与主销的交角恰为这个最大值。

车轮轴线与主销夹角在转向过程中是不变的，当车轮转过一个角度，车轮轴线就离开水平面往下倾斜，致使车身上抬，势能增加。

这样汽车本身的重力就有使转向轮回复到原来中间位置的效果。

当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，主销轴线与地面垂线的夹角为主销内倾角。

1.前轮外倾角

　　如果空车时车轮的安装正好垂直于路面，则满载时车桥因承载变形而可能出

现车轮内倾，这样将加速车轮胎的磨损。

另外，路面对车轮的垂直反力沿轮毂的轴向分力将使轮毂压向外端的小轴承，加重了外端小轴承及轮毂紧固螺母的负荷，降低它们的寿命。

因此，为了前轮有一个外倾角。

但是外倾角也不宜过大，否则也会使轮胎产生偏磨损。

如左图所示，当汽车水平停放时，在汽车的横向垂面内，车轮平面与地面垂线的夹角为前轮外倾角，角度为6°。

2.2主销外倾角

2.前轮前束

轮有了外倾角后，在滚动时就类似于滚锥，从而导致两侧车轮向外滚开。

由于转向横拉杆和车桥的约束车轮不致向外滚开，车轮将在地面上出现边滚边向内滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。

为了避免这种由于圆锥滚动效应带来的不良后果，将两前轮适当向内偏转，即形成前轮前束。

设计时工艺方面的考虑：

在设计产品时，我们也充分考虑了产品制造过程中的一些难点，比如，与制动器本体相连接的法兰盘螺栓孔中心距如果过大，造成锻件的高度尺寸过大而成形困难，所以在满足产品要求的前提下，我们把孔的间距取做160，这样在锻造中就利于成形了。

2.2本章小结

本章不要介绍了转向节工作原理与其功能，并且对转向节的各个部位的尺寸进行设计与选择。

为下面的模具设计做下基础。

第3章转向节的工艺分析

3.1转向节锻件工艺性分析

3.1.1锻件零件图的设计

转向节锻件汽车转向节是汽车行驶系重要的零件，工作中承受复杂的交变应力作用，它的质量好坏直接影响到汽车的行驶安全，所以要求零件有足够的韧性和强度以保证其工作的稳定，该零件的毛坯采用锻造的方法获得，材料为40Cr调质，而采用锻造的方法有如下的优点：

（1）锻件有良好的内部组织，结构坚实，可获得较高的强度；

（2）锻件没有疏松、表面杂质、内部裂纹等缺陷，锻件的良品率高；

（3）制得的小公差锻件加工余量小且均匀，可以减少机加工工时，提高材料利用率；

（4）锻件的表面粗糙度高；

（5）生产效率较高。

转向节产品图：

图3.1转向节零件图

技术要求：

1.模锻斜度7°；

2.未注圆角为R3；

3.未注公差尺寸精度为IT14；

4.锻件表面缺陷深度应不大于机加余量的二分之一，非机加表面在公差范围内；

5.锻件水平和高度公差按照《JBZQ4000.7-1986锻件通用技术条件》执行；

6.锻件表面不得有磕碰伤；

7.切边毛刺高度不大于1.5；

8.错移量不大于1.2。

3.1.2锻件工艺流程的确定

根据现有设备条件，选用1吨自由锻锤、5吨