在物料搬運領域，叉車越來越多的應用于工廠、港口碼頭等場合，倉儲、運輸等環節，被稱為萬能搬運工具。隨著全球經濟化進程加快，叉車市場也呈現出快速發展的趨勢。本文提到的轉向節為某品牌叉車使用零件，其作用是當叉車在水平路面行駛時，叉車輪子以水平軸為中心上下擺動，可減小車架的扭轉力矩，使得每個叉車輪子的載荷均勻，保證叉車行駛穩定。轉向節鍛件實物見圖1、3D 數模圖見圖2、鍛件圖主要尺寸見圖3。

圖1 轉向節鍛件

圖2 轉向節3D 數模

圖3 轉向節鍛件2D 圖

工藝分析

主設備選擇

產品鍛件重11.7kg，材質42CrMo，材質系數M1，形狀復雜系數S4。

依照計算公式P=K×σ×S。

其中，P——成形壓力，K——復雜系數，σ——材料強度極限，S——水平投影面積。

計算得到需要成形壓力為3029kN，根據公司設備狀況選擇4000t 熱模鍛壓力機作為主設備進行生產，315t 壓力機進行切邊。

工藝難點分析

該產品屬于立鍛軸類零件，形狀復雜系數高，成形較困難。之前開發的轉向節底部基本是一個臺階或臺階直徑差異較小，后續采用機加工的方式去除材料，而本產品臺階直徑差異較大，而且必須鍛造成形。其成形難點如下。

⑴尾部臺階φ26mm 的充滿性。由于預鍛型腔需要靠壓力壓入才能充滿，因此預鍛設計時桿部高度要小于終鍛高度，一般按高度設計尺寸系數0.8 ～0.9的終鍛高度取值，桿部頂部寬度預鍛與終鍛要相等。同時預鍛模具的型腔斜度需要增大，使預鍛毛坯到終鍛時與模壁有一定的間隙，從而減小模壁對金屬流動的阻力。由于預鍛斜度增大，使金屬不容易充滿，因此必須加大預鍛的R 角，但需要確保產品能充滿的同時在終鍛不會產生折疊。

⑵材料變形過程中的穩定性控制，由于產品上模的形狀比較復雜，剛開始模具與材料是點接觸開始變形，因此產品在成形過程中容易因為材料跑偏而產生折疊，所以需修正第一道模具上模形狀，確保金屬在變形過程中穩定性，同時產品各工序的定位也要穩定可靠。

⑶28.8mm 落差的穩定性控制，公差小且厚度薄，切邊過程中容易壓塌或拉變形，因此需特別處理，一般采用熱整工序克服，本產品則通過采用抱緊切邊消除切邊過程的變形量，從而可取消熱整形工序，減少一臺設備的使用，降低產品生產成本。

同時由于是出口產品對外觀有較高的要求，需在鍛造時將加熱產生的一次氧化皮清理干凈，因此本工藝在鍛造前增加了除鱗設備進行一次氧化皮的清除，通過采用除鱗設備，可取消傳統的鐓粗去氧化皮工序，從而提高產品生產效率及表面質量。

工藝流程分析

根據其產品特點可選擇兩種生產流程如下。

⑴方案一：采用制坯設備拔長桿部后將桿部放入型腔后在4000t 上進行鐓粗、預鍛、終鍛。其流程為：下料→加熱→拔桿部(使用設備：200t 壓力機)→除鱗(氧化皮清洗機)→鐓粗、預鍛、終鍛(使用設備：4000t 熱模鍛壓力機)→抱緊切邊(設備：315t 壓力機)→噴砂→熱處理(調質)→噴砂→磁粉探傷→外觀尺寸檢查→噴漆→包裝出貨。

優點：桿部拔長后，預終鍛桿部變形程度低，成形時材料流動距離短。

缺點：多增加一道拔長工序，多使用一臺設備及一個操作人員。制坯拔長后，桿部溫度下降多且快。

⑵方案二：采用擠壓工藝原材料直接在4000t 上擠壓成形，其流程為：下料→加熱→除鱗(氧化皮清洗機)→制坯、預鍛、終鍛(使用設備：4000t 熱模鍛壓力機)→抱緊切邊(使用設備：315t 壓力機)→噴砂—熱處理(調質)→噴砂→磁粉探傷→外觀尺寸檢查→噴漆→包裝出貨。

優點：少使用一臺設備及一個操作人員，材料成形溫度高。

缺點：金屬流動距離長，對設計者要求高，需要有較豐富的設計經驗，在設計過程中需控制金屬流動方向，采用三道擠壓成形，每道擠壓的成形程度、壓下量選擇及算料過程對設計者要求較高，前期策劃及模擬次數時間要求長。

由于前期對擠壓設計工藝把握度不高，對拔料后的產品溫度影響預估不足，因此樣件生產時直接采用了方案一進行開發及模具設計。

通過計算采用φ85mm 材料，其制坯、預鍛及終鍛數值模擬見圖4。

圖4 方案一數值模擬

通過數值模擬，未發現明顯的產品質量問題。在產品實際試制生產過程中發現直徑φ26mm 處欠肉比例非常大，不良率占比20%，無法保證產品長期穩定的生產。主要原因為制坯過程中桿部溫度下降太多，金屬材料流動性不好，實際進入桿部的材料與數值模擬的程度差異太大。樣件生產過程中不良產品實物見圖5，主要為桿部充不滿。

圖5 不良產品實物

方案二數值模擬分析

為徹底改善產品品質需采用方案二的擠壓工藝進行設計并數值模擬。

根據產品形狀及材料高度與直徑之比小于2 的原則選擇了直徑φ110mm 的材料進行設計并模擬。制坯主要是進行大分料，確保坯料定位穩定，同時方案一的一些問題點需在方案二進行修改，主要是鐓粗成形過程中因為上模的形狀問題導致料流動過程中料偏和刮料等現象形成折疊。由于采用擠壓工藝，需確保每道產品的鐓粗擠壓量足夠，同時調整好桿部每道工序成形的比值。

通過多次數值模擬及不斷優化，鎖定模具狀態，最后的產品數值模擬狀況見圖6。模具制作完成后待現場實際生產驗證。

圖6 方案二數值模擬

鍛件生產過程驗證

鍛件生產過程的管制重點

⑴下料設備的選擇，由于采用的是擠壓工藝，對原材料的平面度及垂直度有較高的要求，因此需要選擇圓盤鋸進行下料來保證。

⑵擠壓類零件模具的加熱溫度及潤滑會對金屬的流動產生較大的影響，因此過程中要重點監控，模具初期預熱溫度要大于250℃，同時石墨乳的配比要比普通產品要求的比例高一倍。

⑶由于采用擠壓工藝，要求擠壓口位置的表面粗糙度要拋光到Ra0.6μm 以內，確保金屬順利流入桿部，過程中要重點冷卻與潤滑。

⑷由于小凸臺φ26mm 比φ48mm 小很多，因此在成形過程中要確保小臺階部位的配料足夠，桿部直徑尺寸三道工序都相等，不需要做單邊縮小處理，但是在高度取值上要調整，確保每道工序有足夠的擠壓量來成形。

⑸產品生產過程中的每一道工序定位要求準確可靠，產品上線前要采用石膏取樣的方法來確認每一道工序的定位穩定性。

⑹由于桿部的型腔較長，加工及返修困難，需在設計之初確認好分塊位置，在模具組裝過程中要確保定位準確，同軸度符合要求，否則鍛造在成形過程中會產生刮料折疊。實際生產產品如圖7、圖8 所示。

圖7 現場實際生產工步產品

圖8 連續生產鍛件成品

桿部尺寸的充滿性不合格問題分析

實際生產過程中，桿部尺寸的充滿性還是一個主要的不合格問題，報廢率達到1.2%。分析主要原因如下。

⑴擠壓口位置容易磨損，磨損后導致金屬流動變差，桿部充不滿。因此需在模具使用過程中監控，模具的冷卻與潤滑用單點教育表進行培訓教育，同時擠壓口磨損后要及時修復。

⑵上模未做頂桿，模具磨損后產品容易卡上模，造成產品溫度低。改善對策為上下模都需要做頂出機構。

⑶下模冷卻時噴灑的石墨乳由于頂出間隙小無法流出導致頂桿卡死，后續改善需增加石墨乳流出孔。

⑷模具的橋部厚度及阻尼的磨損會使材料往外流動更容易，導致桿部流動金屬變少。因此每次模具上線時需保證橋部厚度及阻尼尺寸滿足圖面要求。

⑸φ26.4mm 耳朵落差尺寸由于切邊會產生變形，后續需整形才能滿足尺寸要求。采用抱緊切邊，現場驗證變形程度小，可取消整形設備。抱緊切邊的技術難點在于彈簧的彈力及行程選擇，同時定位基準面及產品定邊與動邊的間隙配比選擇也是一個技術難點。

結束語

轉向節的擠壓工藝在汽車類產品有較廣泛的應用，本文提到的轉向節難點在于多增加了一個φ26mm 的小臺階，因此難度大大的增加了。本產品通過兩個方案的實際對比，發現對于桿部帶臺階且變化大的產品擠壓工藝比拔長工藝更具有量產穩定性，同時由于對數值模擬參數設置與實際的差異了解不透徹，導致模擬成功的產品在實際生產中無法達到理論值要求，因此需要通過生產實際的狀況調整模擬參數設計，使其能更接近現場實際生產。同時由于產品規定的是熱處理后抗拉強度要求，因取樣位置的不同，其推薦的硬度與抗拉強度對比表只能作為樣件的調試參考值，需在實際熱處理調試時根據工藝狀況及產品的取樣位置，找出產品表面硬度與心部硬度關聯圖及心部硬度與抗拉強度的關聯圖來確認產品的最終熱處理硬度需求，從而確保產品質量穩定性。