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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1 前言
近年來(lái)，汽車制造業(yè)得到了迅猛發(fā)展，汽車性能不斷提高。鍛造工藝作為機(jī)械制造技術(shù)之一，對(duì)汽車工業(yè)具有重要作用，是生產(chǎn)受力部件成形的重要手段。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車零部件中對(duì)高精度、形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來(lái)越大，傳統(tǒng)的加工工藝已經(jīng)不能滿足汽車零件產(chǎn)品需求。在這種情況下，鍛造新工藝的開(kāi)發(fā)對(duì)于新型汽車零件的生產(chǎn)尤為重要，而先進(jìn)工藝模具設(shè)計(jì)方法將對(duì)提高汽車零件設(shè)計(jì)水平、縮短零件研制周期和降低成本起著舉足輕重的作用，從而大大提高汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
塑性成形是材料加工的主要方法之一，它是利用金屬塑性使金屬在外力作用下成形的一種加工方法。塑性成形在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在汽車生產(chǎn)中70％以上的零部件都是利用金屬塑性加工而成。隨著國(guó)內(nèi)汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽車性能不斷提高，汽車零部件中對(duì)高精度、形狀復(fù)雜的鍛件需求量越來(lái)越大，塑性加工行業(yè)迎來(lái)一個(gè)前所未有的發(fā)展機(jī)會(huì)，也面臨著新的挑戰(zhàn)。
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車前軸與前輪之間的關(guān)鍵零件，工作時(shí)不但要承載前軸給它的壓力和地面給它的反作用力，還受到控制行使方向的扭力，其服役條件對(duì)零件的尺寸精度、表面質(zhì)量和金屬纖維流向都有很高的要求。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)此類鍛件仍然存在加工余量大、成形不易充滿及模具設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題，探索該類鍛件的合理鍛造方法對(duì)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。
目前汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)不斷試模、修模來(lái)保證質(zhì)量，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員也很難保證一次成形出合格的終鍛件，反復(fù)的試模、修模不僅浪費(fèi)大量時(shí)間、人力和物力，而且增加生產(chǎn)成本，降低企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、金屬塑性流動(dòng)理論和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等交叉學(xué)科的迅猛發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展，以數(shù)值模擬等先進(jìn)方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的實(shí)際問(wèn)題已成為金屬成形技術(shù)的發(fā)展方向。采用有限元數(shù)值模擬方法，可實(shí)現(xiàn)體積成形過(guò)程的模擬分析，獲得零件的成形規(guī)律、以較小的代價(jià)，在較短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)的和可行的設(shè)計(jì)方案，為同類零件成形工藝的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)和理論指導(dǎo)。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
在1817年德國(guó)人林肯斯潘杰提出了類似現(xiàn)代汽車的轉(zhuǎn)向方式，德國(guó)人阿克曼改進(jìn)了他的方案并申請(qǐng)了專利。命名為“阿克曼轉(zhuǎn)向梯形公式”。1897年第一個(gè)傾斜的轉(zhuǎn)向器在英國(guó)考文垂的戴姆勒汽車工廠誕生了。
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，轉(zhuǎn)向節(jié)的功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)而使汽車轉(zhuǎn)向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度。
轉(zhuǎn)向節(jié)形狀比較復(fù)雜，集中了軸、套、盤環(huán)、叉架等四類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要由支承軸頸、法蘭盤、叉架三大部分組成。支承軸頸的結(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)成叉架形體的
近年來(lái)，我國(guó)研究出鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)，性能達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)空白。同時(shí)，我國(guó)又成功建成了多條全自動(dòng)轉(zhuǎn)向節(jié)生產(chǎn)線，使我國(guó)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)業(yè)獲得了快速的發(fā)展。
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車關(guān)鍵的保安零件，其品質(zhì)的優(yōu)劣直接維系著乘員和貨物的安全。同時(shí)，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是形狀十分復(fù)雜、成形難度很高的零件。我國(guó)傳統(tǒng)的制造方式能耗高、材料利用率低、模具壽命低、制造成本高、生產(chǎn)環(huán)境惡劣，不能滿足我國(guó)汽車高速發(fā)展的要求。目前，我國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)正處于發(fā)展階段，技術(shù)水平較發(fā)達(dá)國(guó)家還存在差距。隨著汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，我國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)正逐步邁向?qū)I(yè)化、先進(jìn)化。2007年，我國(guó)兵器裝備集團(tuán)公司自主研制的鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)順利通過(guò)國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心的檢測(cè)，性能達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，成為我國(guó)第一家成功研制出鋁合金轉(zhuǎn)向節(jié)的企業(yè)，填補(bǔ)了該產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)空白。
2008 年，我國(guó)成功建成了一條擁有中國(guó)最先進(jìn)工藝技術(shù)、最小投資規(guī)模、最低制造成本、最高投入產(chǎn)出比、最短投資回報(bào)周期的年產(chǎn)18 萬(wàn)件重型卡車轉(zhuǎn)向節(jié)的全自動(dòng)生產(chǎn)線，生產(chǎn)出外部形狀完好、內(nèi)部品質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)品一致性強(qiáng)、組織性能達(dá)標(biāo)的轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品。
近幾年來(lái)，隨著汽車產(chǎn)業(yè)的全球化，適合不同環(huán)境、不同要求的各種類型汽車相繼出現(xiàn)。未來(lái)，為了滿足人們的各種需求，世界各國(guó)對(duì)汽車的要求也會(huì)越來(lái)越高。未來(lái)我國(guó)的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)業(yè)將向?qū)I(yè)化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。
汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是一個(gè)異形、復(fù)雜零件，其常規(guī)典型工藝就要二十多道工序才能完成。通過(guò)消化吸收國(guó)外先進(jìn)的復(fù)合加工技術(shù)理念，未來(lái)，我國(guó)將自主創(chuàng)新更先進(jìn)的轉(zhuǎn)向節(jié)加工流程和制造工藝，將實(shí)現(xiàn)由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)全方位控制、通過(guò)機(jī)器人來(lái)進(jìn)行全線的自動(dòng)化制造，將原來(lái)多達(dá)數(shù)十道的工序縮短為幾道。這樣，不僅節(jié)省時(shí)間、人力，而且成本大大降低，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的產(chǎn)量也會(huì)明顯上升。同時(shí)，為了減輕汽車轉(zhuǎn)向節(jié)重量，提高耐磨性，未來(lái)將研究出新的高科技替代材料，這種材料不僅可以延長(zhǎng)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的使用壽命，而且能夠增強(qiáng)汽車轉(zhuǎn)向的靈活性及行駛的安全性。此外，將開(kāi)發(fā)一種多功能用的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)，強(qiáng)度和精確度更高，可以滿足人們未來(lái)在不同需求狀態(tài)下的需要。
產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)和流程：汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的加工分為毛坯制造和成品機(jī)加。目前，毛坯主要以鍛件為主，也有采用鑄造毛坯的，但比較少。毛坯的鍛造工藝主要為劈叉、拔桿、預(yù)鍛、終鍛等工序組成。
從機(jī)加工藝來(lái)講，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)分為桿部、法蘭盤和叉部等3 個(gè)部分加工。
（1）、桿部加工以中心孔定位，車和磨為主，加工關(guān)鍵是磨削。
（2）、法蘭盤加工主要是制動(dòng)器安裝孔的加工，要保證其位置度，同時(shí)要兼顧加工效率。并且，利用其中1 孔作為加工叉部定位用。
（3）、叉部加工是汽車轉(zhuǎn)向節(jié)加工的難點(diǎn)，采用兩銷一面定位，其加工主要是保證主銷孔的同軸度，以及主銷孔與內(nèi)端面的垂直度，是整個(gè)加工工藝的投資重點(diǎn)和設(shè)備選型的關(guān)鍵。大部分汽車轉(zhuǎn)向節(jié)在此部位還有橫拉桿裝配用的錐孔，這更增加了叉部加工難度，錐孔加工是許多廠家難以100%合格的項(xiàng)目，應(yīng)予重視，否則，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的早期失效就從這里開(kāi)始。
（4）、桿部的強(qiáng)化處理以提高汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的疲勞壽命，對(duì)大多數(shù)類型的汽車轉(zhuǎn)向節(jié)都有這方面的技術(shù)要求，一般為滾壓和中頻淬火，以在表面形成殘余壓應(yīng)力，提高產(chǎn)品疲勞強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)加工對(duì)滾壓要求不高，難點(diǎn)在中頻淬火，主要是感應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制造，不過(guò)，在這方面國(guó)內(nèi)有專業(yè)廠家給與解決。
（5）、主銷孔壓裝襯套后的加工，有的壓裝后不要求加工，有的壓裝后要求加工。從裝配角度講，壓裝后加工更有利于裝配，否則影響轉(zhuǎn)向的靈活性。
自中國(guó)汽車工業(yè)發(fā)展以來(lái)，汽車配件行業(yè)也隨之發(fā)展壯大。關(guān)于中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)數(shù)量眾多、產(chǎn)品繁雜、資本結(jié)構(gòu)多元化的不足之處的闡述在各種媒體上都有連篇累牘的報(bào)道和炒作，盡管問(wèn)題是存在的，但并不是中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)發(fā)展的主流。經(jīng)過(guò)艱難的發(fā)展歷程，中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的洗禮，已經(jīng)成長(zhǎng)起來(lái)。在國(guó)外巨頭爭(zhēng)搶擠壓以及進(jìn)口轉(zhuǎn)向節(jié)的沖擊下，本土轉(zhuǎn)向節(jié)企業(yè)同樣在模仿、技術(shù)引進(jìn)的過(guò)程成初具競(jìng)爭(zhēng)力。
就目前看來(lái)，雖然存在合資、國(guó)營(yíng)、獨(dú)資、民營(yíng)四分天下的競(jìng)爭(zhēng)格局，但是汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大是毋庸置疑的，而且市場(chǎng)集中度逐年提高，一改原先散、亂、差的局面。隨著中國(guó)整車市場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模亦同步提高。雖然由于歐盟和美國(guó)汽車企業(yè)對(duì)由海關(guān)總署、國(guó)家發(fā)改委、財(cái)政部、商務(wù)部聯(lián)合發(fā)布的《構(gòu)成整車特征的零部件進(jìn)口管理辦法》提出異議，并最終與中國(guó)政府達(dá)成妥協(xié)，既2006年7月初，海關(guān)總署和商務(wù)部發(fā)布公告稱，原定于2006年7月1 日起實(shí)施的有關(guān)構(gòu)成整車特征轉(zhuǎn)向節(jié)的進(jìn)口價(jià)格百分比界定標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)汽車總成系統(tǒng)特征的A、B類關(guān)鍵件的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)，推遲到2008年7月1日實(shí)施，但是隨著時(shí)間的推移，在中國(guó)市場(chǎng)尋求配套企業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)是難以避免。這對(duì)于提高中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將起到相當(dāng)?shù)耐苿?dòng)作用。
中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。在今后五年內(nèi)，中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的兼并重組勢(shì)在比行，而且具有一定的可操作性前提條件，逐漸形成一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)為核心的序列化配套體系。
中國(guó)轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)過(guò)去長(zhǎng)期處在低水平、少投資、缺乏統(tǒng)一管理的分散發(fā)展格局。改革開(kāi)放以來(lái)，尤其是1994 年《汽車產(chǎn)業(yè)政策》實(shí)施后，在整機(jī)引進(jìn)和國(guó)產(chǎn)化政策雙重推動(dòng)下，大量民營(yíng)資本涌入，大批合資企業(yè)建立，使轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)業(yè)得到快速發(fā)展。主流轉(zhuǎn)向節(jié)企業(yè)的制造能力已達(dá)到上個(gè)世紀(jì)國(guó)際90 年代末期水平，基本滿足了國(guó)內(nèi)引進(jìn)車型的配套要求；以長(zhǎng)春、上海、湖北為代表的汽車配件產(chǎn)業(yè)基地以及一些轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的龍頭骨干企業(yè)，基本形成了比較完整的主機(jī)配套體系。通過(guò)引進(jìn)，許多關(guān)鍵轉(zhuǎn)向節(jié)已經(jīng)與世界同步，不僅滿足了國(guó)產(chǎn)新車和引進(jìn)新車的需求，還引來(lái)了大量的國(guó)外采購(gòu)者。近年來(lái)，一些引進(jìn)車型一上市，國(guó)產(chǎn)化率就超過(guò)50%，甚至更高，從這一點(diǎn)也可以看出國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，當(dāng)然，這里包括了外資以及外商獨(dú)資企業(yè)。
綜合上述基本情況看，中國(guó)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)行業(yè)具備了相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
1.3選題的目的、意義
目的：汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，隨著國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，該類鍛件市場(chǎng)前景極為廣闊，然而目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)此類鍛件仍然存在加工余量大、成形不易充滿及模具設(shè)計(jì)困難等問(wèn)題，所以探索該類鍛件成形工藝具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是自由鍛成形，成形過(guò)程需要兩次加熱，能源浪費(fèi)而且污染嚴(yán)重，質(zhì)量也不易控制。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，將生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)，利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)一火成形。為了減少研發(fā)成本，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬各工步的成形過(guò)程，確定成形工藝，得到一套切實(shí)可行的生產(chǎn)工藝及合理的模具結(jié)構(gòu)。
意義：從20世紀(jì)80年代我國(guó)就開(kāi)始研究轉(zhuǎn)向節(jié)吧，并用于實(shí)踐，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)汽車保持著快速增長(zhǎng)，轎車、客車、尤其是經(jīng)濟(jì)型轎車、輕型車、微中型車的需求量也獲得了較大的增長(zhǎng)，這時(shí)對(duì)汽車的質(zhì)量要求也越來(lái)越高。作為汽車轉(zhuǎn)向橋的保安零部件，汽車的轉(zhuǎn)向節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣直接維系著乘務(wù)員和貨物的安全，因此我國(guó)的汽車零部件企業(yè)加大投資力度，借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度更高、靈活性更強(qiáng)的轉(zhuǎn)向節(jié)。
1.4研究的基本內(nèi)容
1.4.1、研究的基本內(nèi)容
（1）汽車轉(zhuǎn)向節(jié)分類及結(jié)構(gòu)分析。
（2）汽車轉(zhuǎn)向節(jié)成形工藝的研究現(xiàn)狀與成形工藝分析。
（3）汽車轉(zhuǎn)向節(jié)模具的設(shè)計(jì)。
1.4.2、擬解決的主要問(wèn)題
（1）轉(zhuǎn)向節(jié)模具設(shè)計(jì)計(jì)算。
（2）轉(zhuǎn)向節(jié)的尺寸計(jì)算。
第2章 轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理
2.1轉(zhuǎn)向節(jié)工作原理功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向橋上的主要零件之一，其作用是使汽車穩(wěn)定行駛并靈敏傳遞行駛方向、承受汽車前部載荷，支承并帶動(dòng)前輪繞主銷轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車轉(zhuǎn)向。在汽車行駛狀態(tài)下，它承受著多變的沖擊載荷，因此，要求其具有很高的強(qiáng)度。
轉(zhuǎn)向節(jié)通過(guò)主銷和前橋與車身相連，并通過(guò)法蘭盤的制動(dòng)器安裝孔與制動(dòng)系統(tǒng)相連。在車輛高速行駛時(shí)，路面通過(guò)輪胎傳遞到轉(zhuǎn)向節(jié)上的振動(dòng)，是我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要因素。計(jì)算時(shí)利用已有的整車模型，對(duì)整車施加4G的重力加速度，算出轉(zhuǎn)向節(jié)三個(gè)襯套中心點(diǎn)和兩個(gè)螺栓安裝孔中心點(diǎn)的支反力作為施加載荷，并約束法蘭盤連接制動(dòng)系統(tǒng)端面上所有結(jié)點(diǎn)的自由度。
轉(zhuǎn)向節(jié)形狀比較復(fù)雜，集中了軸、套、盤環(huán)、叉架等四類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主要由支承軸頸、法蘭盤、叉架三大部分組成。支承軸頸的結(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)成叉架形體的。
2.1主銷內(nèi)傾角
主銷內(nèi)傾角的作用是使車輪在行駛中自動(dòng)回正。通常車輪軸線不在水平面，為了方便說(shuō)明我們假設(shè)直線行駛時(shí)車輪軸線在水平面上。對(duì)于車輪軸線不在水平面的情況，只要把下圖的水平面改為錐面。如下圖所示，考慮該水平面上和主銷有交點(diǎn)的直線，主銷與這些直線的夾角有一個(gè)最大值。而汽車直線行駛時(shí)，車輪軸線與主銷的交角恰為這個(gè)最大值。 車輪軸線與主銷夾角在轉(zhuǎn)向過(guò)程中是不變的，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，車輪軸線就離開(kāi)水平面往下傾斜，致使車身上抬，勢(shì)能增加。這樣汽車本身的重力就有使轉(zhuǎn)向輪回復(fù)到原來(lái)中間位置的效果。 當(dāng)汽車水平停放時(shí)，在汽車的橫向垂面內(nèi)，主銷軸線與地面垂線的夾角為主銷內(nèi)傾角。
1.前輪外傾角
如果空車時(shí)車輪的安裝正好垂直于路面，則滿載時(shí)車橋因承載變形而可能出
現(xiàn)車輪內(nèi)傾，這樣將加速車輪胎的磨損。另外，路面對(duì)車輪的垂直反力沿輪轂的軸向分力將使輪轂壓向外端的小軸承，加重了外端小軸承及輪轂緊固螺母的負(fù)荷，降低它們的壽命。因此，為了前輪有一個(gè)外傾角。但是外傾角也不宜過(guò)大，否則也會(huì)使輪胎產(chǎn)生偏磨損。如左圖所示，當(dāng)汽車水平停放時(shí)，在汽車的橫向垂面內(nèi)，車輪平面與地面垂線的夾角為前輪外傾角，角度為6°。
2.2主銷外傾角
2.前輪前束
輪有了外傾角后，在滾動(dòng)時(shí)就類似于滾錐，從而導(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開(kāi)。由于轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束車輪不致向外滾開(kāi)，車輪將在地面上出現(xiàn)邊滾邊向內(nèi)滑的現(xiàn)象，從而增加了輪胎的磨損。為了避免這種由于圓錐滾動(dòng)效應(yīng)帶來(lái)的不良后果，將兩前輪適當(dāng)向內(nèi)偏轉(zhuǎn)，即形成前輪前束。
設(shè)計(jì)時(shí)工藝方面的考慮：在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，我們也充分考慮了產(chǎn)品制造過(guò)程中的一些難點(diǎn)，比如，與制動(dòng)器本體相連接的法蘭盤螺栓孔中心距如果過(guò)大，造成鍛件的高度尺寸過(guò)大而成形困難，所以在滿足產(chǎn)品要求的前提下，我們把孔的間距取做160，這樣在鍛造中就利于成形了。
2.2本章小結(jié)
本章不要介紹了轉(zhuǎn)向節(jié)工作原理與其功能，并且對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)的各個(gè)部位的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)與選擇。為下面的模具設(shè)計(jì)做下基礎(chǔ)。
第3章 轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝分析
3.1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件工藝性分析
3.1.1鍛件零件圖的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車行駛系重要的零件，工作中承受復(fù)雜的交變應(yīng)力作用，它的質(zhì)量好壞直接影響到汽車的行駛安全，所以要求零件有足夠的韌性和強(qiáng)度以保證其工作的穩(wěn)定，該零件的毛坯采用鍛造的方法獲得，材料為40Cr調(diào)質(zhì)，而采用鍛造的方法有如下的優(yōu)點(diǎn)：
（1） 鍛件有良好的內(nèi)部組織，結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)，可獲得較高的強(qiáng)度；
（2） 鍛件沒(méi)有疏松、表面雜質(zhì)、內(nèi)部裂紋等缺陷，鍛件的良品率高；
（3） 制得的小公差鍛件加工余量小且均勻，可以減少機(jī)加工工時(shí)，提高材料利用率；
（4） 鍛件的表面粗糙度高；
（5）生產(chǎn)效率較高。
轉(zhuǎn)向節(jié)產(chǎn)品圖：
圖3.1轉(zhuǎn)向節(jié)零件圖
技術(shù)要求：1.模鍛斜度7°；
2.未注圓角為R3；
3.未注公差尺寸精度為IT14；
4.鍛件表面缺陷深度應(yīng)不大于機(jī)加余量的二分之一，非機(jī)加表面在公差范圍內(nèi)；
5.鍛件水平和高度公差按照《JBZQ 4000.7-1986鍛件通用技術(shù)條件》執(zhí)行；
6.鍛件表面不得有磕碰傷；
7.切邊毛刺高度不大于1.5；
8.錯(cuò)移量不大于1.2。
3.1.2鍛件工藝流程的確定
根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，選用1噸自由鍛錘、5噸模鍛錘，315噸曲軸壓力機(jī)，300千瓦中頻感應(yīng)爐等設(shè)備，確定工件的制造工藝流程是：1.鋸床下料2.中頻感應(yīng)加熱3.自由鍛制坯4.天然氣爐加熱5.預(yù)鍛、終鍛、6.切邊7.噴砂清理8.正火熱處理、調(diào)質(zhì)9.磁粉探傷10.機(jī)械加工。
3.1.3鍛件工藝難點(diǎn)和鍛造工藝方案的確定
鍛件的工藝流程一般分為：（1）下料 采用砂輪切割機(jī)下料，車端面，倒圓角R5。（2）加熱 采用電爐加熱，爐溫（450±10）℃，加熱保溫時(shí)間136min。（3）模鍛 模鍛設(shè)備為6300kN摩擦壓力機(jī)，首先鍛模鐓粗臺(tái)上將坯料壓扁至H=24mm，再型槽內(nèi)平放料進(jìn)行模鍛，并欠壓2～3mm。（4）加熱 爐溫（450±10）℃，加熱保溫時(shí)間為30min（第二火）。（5）模鍛 壓至尺寸。（6）加熱 爐溫（450±10）℃，加熱保溫時(shí)間為10～15min。（7）熱切邊。（8）酸洗 按酸洗通用工藝規(guī)程進(jìn)行。（9）熱處理 按熱處理工藝規(guī)程淬火、人工時(shí)效。（10）酸洗 按酸洗通用工藝規(guī)程進(jìn)行。（11）鍛件修傷。（12）鍛件檢驗(yàn) 100%檢查材料牌號(hào)、外形及表面質(zhì)量；100%檢查硬度（HB≥140）；低倍檢查。
由產(chǎn)品圖看出，轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件是一個(gè)一端有分叉的軸類鍛件，鍛件的輪廓尺寸較大，中間有一個(gè)尺寸較薄的法蘭盤，鍛造的過(guò)程中，金屬在各個(gè)部分之間的流動(dòng)困難，金屬不容易充滿型腔，在分叉的轉(zhuǎn)角處容易出現(xiàn)鍛造折傷，這是這個(gè)鍛件的工藝難點(diǎn)，所以不能在模鍛錘上直接鍛造成形，鍛件需經(jīng)過(guò)自由鍛制坯，鍛造出有分叉的毛坯方可進(jìn)行模鍛預(yù)鍛和終鍛成型，具體的鍛造過(guò)程是：
1.加熱材料、自由鍛拔長(zhǎng)轉(zhuǎn)向節(jié)軸的部分，用摔模摔圓錐形軸部；
2.用胎模將軸的部分壓入胎模的孔中，用劈料工具將需要分叉的部分劈開(kāi)。
3.加熱、預(yù)鍛、終鍛；
4.切去飛邊。
完成該鍛件須進(jìn)行兩個(gè)火次的加熱。
3.2鍛件圖的設(shè)計(jì)與鍛件毛坯尺寸的計(jì)算
3.2.1鍛造工步的設(shè)計(jì)
鍛模設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程制訂、模鍛生產(chǎn)過(guò)程、鍛模加工及鍛件檢驗(yàn)，都離不開(kāi)鍛件圖。鍛件圖分為冷鍛件圖和熱鍛件圖，冷鍛件圖用于最終鍛件檢驗(yàn)和熱鍛件圖設(shè)計(jì)；熱鍛件圖用于鍛模設(shè)計(jì)與加工制造。習(xí)慣上將冷鍛件圖稱為鍛件圖。
鍛造工步方案：采用自由鍛制坯、劈料、模鍛預(yù)成型、終鍛成形的鍛造工藝方法。
（1）鍛造加熱：熱鍛是將鍛坯加熱到一定溫度后進(jìn)行的鍛造成形工序，加熱及加熱溫度范圍的控制是確保鍛造生產(chǎn)順利進(jìn)行和提高鍛件質(zhì)量的重要工藝過(guò)程。鍛造加熱的目的在于使金屬鍛坯軟化，當(dāng)金屬變形溫度升高至再結(jié)晶溫度以上時(shí)，由于再結(jié)晶速度高于變形過(guò)程中金屬硬化速度，可消除硬化影響獲得再結(jié)晶組織，可利用較小外力使金屬產(chǎn)生較大的塑性變形且不致破裂。例如，在1150oC靜拉伸試驗(yàn)時(shí)，碳鋼的強(qiáng)度極限僅為常溫時(shí)的1/20；而合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度極限則為常溫時(shí)的1/30。鍛造溫度范圍是指金屬開(kāi)始鍛造溫度和終結(jié)鍛造溫度間的一段溫度間隔, 為了防止過(guò)熱、過(guò)燒需要正確確定始鍛溫度和終鍛溫度。。制定加熱溫度的基本方法是以鋼的鐵碳平衡圖為基礎(chǔ)，參考材料的塑性抗力圖和再結(jié)晶圖來(lái)綜合決定。
了解金屬加熱的基本原理，以及各種加熱方法和設(shè)備的適用性。火焰加熱主要有燃油、煤氣加熱，氧化脫碳、燒損較為嚴(yán)重；電加熱是利用電能轉(zhuǎn)化為熱能，以輻射和對(duì)流的方式對(duì)坯料進(jìn)行加熱的方法，即利用加熱元件產(chǎn)生的電阻熱來(lái)間接加熱金屬坯料。其中，主要有感應(yīng)電加熱、接觸電加熱、電阻爐及鹽浴爐加熱等。電加熱可避免氧化脫碳和燒損等加熱缺陷。
氧化和脫碳、過(guò)熱和過(guò)燒以及產(chǎn)生內(nèi)部裂紋等加熱缺陷的危害及防止措施。
（2）自由鍛造工藝：利用簡(jiǎn)單的通用性工模具，或在鍛造設(shè)備上、下砥鐵間直接對(duì)毛坯施加外力，使其產(chǎn)生塑性變形而獲得所需形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛件的鍛造方法稱為自由鍛造，簡(jiǎn)稱自由鍛。自由鍛時(shí)，金屬在變形過(guò)程中只有部分表面受工具限制，其余表面為自由變形。
自由鍛具有很大的靈活性，自由鍛不需專用模具，適合于單件小批量鍛件生產(chǎn)；自由鍛時(shí)，金屬坯料分區(qū)域逐步變形，屬于局部成形，所需鍛打力比模鍛小得多。因此，工藝適應(yīng)性很強(qiáng)；對(duì)設(shè)備的精度要求不高，容易組織生產(chǎn)，且生產(chǎn)周期短；自由鍛主要靠人工控制坯料的變形量和變形方向，要求操作者具有一定鍛打技術(shù)水平。另外，生產(chǎn)效率比模鍛低得多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。
先進(jìn)國(guó)家正在大力縮減自由鍛應(yīng)用比例，但我國(guó)鍛造行業(yè)中自由鍛仍占有相當(dāng)大的比例。
根據(jù)鍛造變形性質(zhì)、變形程度可將自由鍛分為基本工序、輔助工序和精整工序三大類。鐓粗和拔長(zhǎng)是鍛造生產(chǎn)中最基本的兩大類變形工序，因此，需要掌握它們的變形機(jī)理和變形過(guò)程。同時(shí)，還應(yīng)了解自由鍛造中其他各種主要變形工藝、鍛造成形方法及適用場(chǎng)合，如在實(shí)際生產(chǎn)中經(jīng)常使用的空心沖頭沖孔、墊環(huán)沖孔以及環(huán)類鍛件常用的芯軸擴(kuò)孔等。
3.2.2 冷鍛件圖的設(shè)計(jì)
冷鍛件圖根據(jù)零件圖設(shè)計(jì)，通常要解決下列問(wèn)題。
（1）分模面的確定：模鍛件是在可分的模腔中成形，組成模具型腔的各模塊的分合面稱為“分模面”；分模面與鍛件表面的交線稱為鍛件的“分模線”。鍛件分模位置合適與否，直接關(guān)系到鍛件成形、出模，材料利用率等一系列問(wèn)題。因此，分模線是模鍛件最重要、最基本的結(jié)構(gòu)要素。
確定分模位置最基本的原則是：保證鍛件形狀盡可能與零件形狀相同，容易從模腔中取出；此外應(yīng)爭(zhēng)取獲得鐓粗成形。故此，鍛件分模位置應(yīng)選在具有最大水平投影尺寸的位置上，。
為了提高鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，除滿足上述分模原則外，確定開(kāi)式模鍛件的分模位置還應(yīng)考慮下列要求：
1. 為使分模結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單和便于發(fā)現(xiàn)上下模在模鍛過(guò)程中的錯(cuò)移，分模平面盡可能采用直線狀，并應(yīng)使分模線選在鍛件側(cè)面的中部。
2. 頭部尺寸較大的長(zhǎng)軸類鍛件，不宜直線分模，而應(yīng)改用折線分模，如圖6-7所示，使上下模型腔深度大致相等，以確保尖角處能充填飽滿。
3. 為便于鍛模加工制造和鍛件切邊，同時(shí)也為了節(jié)約金屬材料，當(dāng)圓餅類鍛件的H≤（2.5～3）D時(shí)，則無(wú)論是在錘上鍛造還是在曲柄壓力機(jī)上鍛造或螺旋壓力機(jī)上鍛造，都應(yīng)考慮徑向分模 ，而盡量不采用軸向分模。因徑向分模的鍛模型槽可車削加工，效率高，工時(shí)省，切邊模刃口形狀簡(jiǎn)單，制造方便；徑向分模還可鍛出內(nèi)腔，節(jié)約金屬。但當(dāng)H/D較大時(shí)，錘上模鍛時(shí)，顯然不能再考慮徑向分模。若仍采用徑向分模，則因模具高度尺寸太大，鍛造困難，鍛錘打擊能量下降，需要的出模力也大。
4. 對(duì)金屬流線有要求的鍛件，為避免纖維組織被切斷，應(yīng)盡可能沿鍛件截面外形分模，如肋頂分模。同時(shí)還應(yīng)考慮鍛件工作時(shí)的受力情況，應(yīng)使纖維組織與剪應(yīng)力方向垂直。
模鍛件是在可分的模腔中成形，組成模具型腔的各個(gè)模塊的分合面就是分模面，分模面與鍛件表面的交線就是分模線，鍛件分模位置取在鍛件具有最大水平投影尺寸的位置上。
轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的分模面取在如圖位置上：
圖3.2 鍛件分模面
（2）鍛件機(jī)加余量的確定：
普通模鍛方法很難滿足機(jī)械零件的要求，一般來(lái)說(shuō)存在如下兩方面的問(wèn)題，即：
1. 鍛件走樣。由于欠壓、鍛模磨損、上下模錯(cuò)移、毛坯體積和終鍛溫度的波動(dòng)，使得鍛件的形狀發(fā)生變化，尺寸在一定范圍內(nèi)波動(dòng)；又由于鍛件出模需要模膛帶有斜度，鍛件側(cè)壁不得不添加敷料；形狀復(fù)雜的長(zhǎng)軸類鍛件還可能發(fā)生翹曲歪扭，從而導(dǎo)致鍛件與零件有較大的差別。
2. 表面質(zhì)量不易保證。由于鍛件表面氧化與脫碳，合金元素蒸發(fā)與污染，表面裂紋時(shí)有發(fā)生；表面粗糙度也達(dá)不到零件圖要求等，使得鍛件的表面質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)械加工零件表面質(zhì)量。
正是這兩方面的原因，使得鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，不得不考慮添加一層包覆零件外層的金屬，即余量，而且還得規(guī)定適當(dāng)?shù)墓?，以保證鍛件的誤差落在余量范圍之內(nèi)。
鍛件圖尺寸、余量、公差與零件圖尺寸的關(guān)系。鍛件上凡是需要機(jī)械加工的表面，都應(yīng)給予加工余量。此外，對(duì)于重要的承力件，要求100%取樣試驗(yàn)或?yàn)榱藱z驗(yàn)和機(jī)械加工定位的需要，還得考慮必要的工藝余塊。加工余量的大小與零件的形狀復(fù)雜程度、尺寸精度、表面粗糙度、鍛件材質(zhì)和模鍛設(shè)備等因素有關(guān)。過(guò)大的余量將增加切削加工量和金屬損耗；加工余量若不足，又會(huì)使鍛件廢品率增加。
因?yàn)殄懠谋砻尜|(zhì)量和尺寸精度不能直接滿足機(jī)械零件的使用要求，所以要在鍛件的表面包覆一層材料，這一層材料就是機(jī)加余量，可根據(jù)鍛件的機(jī)加表面處的尺寸查《錘上模鍛機(jī)加工余量與尺寸公差 》，模鍛件的機(jī)加余量一般有下列因素組成：
Z=M+m+h+x/2
式中 : Z----加工余量(mm)
M----精加工的最小余量(mm)
m----鍛件的最大錯(cuò)移量等行為公差(mm)
h----表面缺陷（凹坑、脫碳等）層深度(mm)
x----鍛件鍛件尺寸的下偏差值(mm)
需要增加機(jī)加余量的尺寸有：
尺寸
機(jī)加余量
鍛件尺寸
M40×1.5
3
46
φ60+0.015+0.008
3
66
φ80+0.015+0.008
3
86
φ100+0.015+0.008
3
106
16
3
19
172
3
166
302
3
308
54
3
54
40
3
40
338
3
341
需要增加余塊的尺寸：1. φ58 2. φ40 3. φ8 4. 4-φ24
不需要機(jī)加的尺寸：1. φ117 2. R30 3. R20 4. R32 5. 107.5
確定模鍛件公差的依據(jù):
1.鍛件的精度等級(jí)。鍛件的精度等級(jí)分為普通級(jí)（用粗鍛或普通模鍛工藝鍛壓）、半精密級(jí)（用普通模鍛或半精鍛工藝鍛壓）和精密級(jí)（用精鍛工藝鍛壓），其中精密級(jí)鍛件應(yīng)根據(jù)需要單獨(dú)確定鍛件公差。
2. 鍛件的質(zhì)量和公稱尺寸的大小。這里應(yīng)注意的是長(zhǎng)、寬、高尺寸公差如屬外表面尺寸的，其正負(fù)偏差值按+2/3和-1/3比例分配；屬內(nèi)表面尺寸的，其正負(fù)偏差值按+1/3和-2/3比例分配。厚度公差則按+3/4，-1/4或+2/3，-1/3的比例分配。?
3. 鍛件的形狀復(fù)雜系數(shù)。根據(jù)前節(jié)所述，形狀復(fù)雜系數(shù)S值大小分為四個(gè)等級(jí)。???
4. 鍛件的材質(zhì)系數(shù)。材質(zhì)系數(shù)按鍛壓的難易程度也分為四個(gè)等級(jí)，規(guī)定可鍛性優(yōu)的鋁合金、鎂合金為M0；可鍛性良的低碳、低合金鋼為M1；可鍛性一般的高碳、高合金鋼為M2；可鍛性差的不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、鈦合金為M3。
5. 鍛壓工藝類型。主要是指鍛件是在錘上模鍛、曲柄壓力機(jī)上模鍛還是在其它設(shè)備上模鍛。
具體的余量、公差數(shù)值可在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或鍛壓手冊(cè)中查找。
（3）影響加工余量的因素
鍛件需要切削加工的表面均應(yīng)有足夠的余量,而余量的大小,受下列因素的影響：
1. 鍛件的尺寸大小。 鍛件尺寸大，加工余量較大；鍛件尺寸小，加工余量也小。
2. 零件的尺寸精度、表面粗糙度要求以及零件的形狀復(fù)雜程度。 當(dāng)尺寸精度和表面粗糙度要求高或形狀復(fù)雜時(shí)，必須多次加工，此時(shí)加工余量就應(yīng)適當(dāng)增加。
3. 鍛件各類公差對(duì)加工余量有影響，尤其應(yīng)著重考慮錯(cuò)移、直線度、平面度、同軸度、頂桿壓痕等形位公差。
4．零件機(jī)械加工方法與工藝。機(jī)械切削加工零件時(shí)，只要求鍛件能保證最小余量即可；電解加工時(shí)，則要求有均勻的余量；有中間熱處理工序或零件需經(jīng)焊接或組合加工時(shí)，應(yīng)留有較多的余量。
5．鍛件的材料。鋁鎂合金毛坯加熱后氧化少，可減小粗加工余量；鋼和鈦合金鍛件表面缺陷層深，應(yīng)加大余量。
（4）模鍛件公差的定義與分類
模鍛件的公差為鍛件最大極限尺寸與最小極限尺寸之差，它可以是具有上下偏差的雙向公差或是只有一向偏差的單向公差。按所代表的技術(shù)要素的定義可分為：
尺寸公差 包括長(zhǎng)度、寬度、厚度、中心距、角度、出模斜度、圓弧半徑和圓角半徑等公差。
形狀位置公差 包括直線度、平面度、深孔軸的同軸度、錯(cuò)移量（鍛件上分模線一側(cè)的任一點(diǎn)和另一側(cè)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間不一致的允許值，、剪切端變形量和桿部變形量等。 表面技術(shù)要素公差 包括深度、殘留毛邊與毛邊過(guò)切量、頂桿壓痕深度和表面粗糙度等。各項(xiàng)公差都不應(yīng)該互相疊加。
（5）模鍛斜度的確定：
為便于模鍛件終鍛后從模具型槽中取出，必須將型槽的側(cè)壁做成一定的斜度，我們稱之為模鍛斜度或拔模斜度，也叫做出模角，這是因?yàn)榻饘僭谝踩缒＞咝筒凼牵悄＞弋a(chǎn)生一定的彈性壓縮，在外力去除以后，模具的彈性恢復(fù)，對(duì)鍛件的側(cè)壁產(chǎn)生很大的壓力，取出鍛件時(shí)，就必須克服模具側(cè)壁對(duì)鍛件的摩擦阻力和鍛件的自重，當(dāng)模具帶有斜度后，鍛模側(cè)壁壓力對(duì)鍛件產(chǎn)生一個(gè)向上的分力，抵消摩擦阻力，有助于鍛件出模。綜合考慮鍛件的斜度余量，鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，查表結(jié)果等因素，我們?nèi)″懠ｅ懶倍葹?°。
（6）鍛件圓角半徑的確定：
圓角半徑的大小與鍛件的形狀和尺寸有關(guān)，鍛件的高度尺寸大的鍛件，圓角半徑也應(yīng)該加大，為保證鍛件的外圓角有足夠的機(jī)加余量可按公式進(jìn)行計(jì)算：R=余量+零件相應(yīng)處的圓角半徑或倒角也可參照表4-7來(lái)進(jìn)行選取。該鍛件中，我們選取圓角半徑為R3,幾個(gè)特殊的機(jī)加面交合處的圓角半徑選為R5.
跟據(jù)以上結(jié)果繪制出該產(chǎn)品的冷鍛件如圖3：
冷鍛件的技術(shù)要求：
1.模鍛斜度7°；
2.未注圓角為R3；
3.未注公差尺寸精度為IT14；
4.鍛件表面缺陷深度應(yīng)不大于機(jī)加余量的二分之一，非機(jī)加表面在公差范圍內(nèi)；
5.鍛件水平和高度公差按照《JBZQ 4000.7-1986鍛件通用技術(shù)條件》執(zhí)行；
6. 鍛件表面不得有磕碰傷；
7.切邊毛刺高度不大于1.5；
8.鍛件的水平錯(cuò)移量不大于1.2。
圖3.3 轉(zhuǎn)向節(jié)冷鍛件圖
在設(shè)計(jì)這個(gè)冷鍛件圖的過(guò)程中，考慮到φ80和φ100尺寸處加上機(jī)加余量會(huì)使鍛件成一個(gè)很小的凸臺(tái)，不利于提高模具的使用壽命，所以采取了頂面φ66的圓錐底面直接到方形盤的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，有利于鍛件的成型，也提高了模具的使用壽命；另外由于中間法蘭盤部位的尺寸較薄，僅為16mm,且高度尺寸較大，金屬不易充滿模膛，所以設(shè)計(jì)熱鍛件圖時(shí)，我們把靠近軸的一面的機(jī)加面設(shè)計(jì)成與另一側(cè)的毛皮面鍛造斜度相同的形式，這樣就加大了方盤部位的厚度尺寸，便于金屬更好地流動(dòng)以充滿模膛。
如圖：
圖3.4熱鍛件圖鍛造斜度
（7）模鍛后續(xù)工序
模鍛成形后的鍛件還需經(jīng)過(guò)許多后續(xù)加工工序才能成為一個(gè)完整的鍛件。如開(kāi)式模鍛件所帶飛邊，帶孔鍛件中的連皮都需要切除；為了提高模鍛件使用性能，消除殘余應(yīng)力、改善內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，需要進(jìn)行后續(xù)熱處理；對(duì)于鍛件表面殘留的氧化皮和鍛造缺陷，需要進(jìn)行表面清理；而經(jīng)過(guò)一系列后續(xù)工序加工包括往來(lái)運(yùn)輸所造成的模鍛件斷后變形，特別對(duì)精度要求較高的鍛件，還必須進(jìn)行精壓整形等；最后，經(jīng)過(guò)最終檢驗(yàn)才能成為一個(gè)合格的模鍛制件。確定冷、熱切邊；估算切邊力、沖孔力；設(shè)計(jì)切邊模及沖孔模。
3.2.3 熱鍛件圖的設(shè)計(jì)
有了冷鍛件圖，我們就可以根據(jù)它來(lái)進(jìn)行熱鍛件圖的設(shè)計(jì)，熱鍛件圖是制造鍛造模具型槽的依據(jù)，所以鍛件是否達(dá)到冷鍛件的圖紙要求，熱鍛件圖的設(shè)計(jì)就很關(guān)鍵。
設(shè)計(jì)熱鍛件圖要考慮的因素：
1.鍛件的終端溫度，鍛件的終鍛溫度的高低決定了冷鍛件的尺寸是否符合冷鍛件圖的要求，鍛件終鍛溫度過(guò)高，在冷卻時(shí)尺寸冷縮較大，造成冷鍛件尺寸小于冷鍛件要求的尺寸；鍛件的終鍛溫度過(guò)低，造成鍛件在模具型腔的金屬流動(dòng)困難，不易成型，鍛件的內(nèi)部組織會(huì)出現(xiàn)微晶裂紋，單靠增加打擊次數(shù)也會(huì)加劇模具的磨損。
2.鍛件的冷縮率，根據(jù)具體鍛件的鍛造工藝，判斷終端溫度的高低，再根據(jù)終端溫度選用合適的冷縮率，可以獲得與冷鍛件相符合的鍛件。在該轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的設(shè)計(jì)中，我們選冷縮率為1.2%。
熱鍛件圖如圖：
圖3.5熱鍛件圖
其中，圓角半徑不加冷縮率，按冷鍛件的圓角半徑設(shè)計(jì)。
3.2.4鍛件毛坯尺寸的計(jì)算
（1）鍛件重量的確定：我們利用軟件，對(duì)零件體積進(jìn)行估算得出轉(zhuǎn)向節(jié)體積約為：4659145.4mm3。所以，鍛件重量為：G=γ×V=7.85×4659145.4mm3=36.6Kg
（2）飛邊重量的計(jì)算：
飛邊槽的選用：飛邊槽作用是：1.增加金屬流出模膛的阻力；2.容納多余的金屬
3.鍛造飛邊還能起到緩沖作用，減弱上下模的直接打擊，防止上下模的壓塌和崩裂。
通過(guò)查閱《鍛工手冊(cè)》5-130圖5-148，表5-37確定使用第一種飛邊形式如圖：
圖3.6 飛邊形式及尺寸
利用CAD的創(chuàng)建面域命令，創(chuàng)建飛邊的面域，點(diǎn)擊工具、查詢命令，測(cè)得飛邊的截面積為218.46mm2
利用CAD中的UCS命令，將坐標(biāo)系的原點(diǎn)移動(dòng)至軸的中心與φ58孔中心線交點(diǎn)的位置，點(diǎn)擊創(chuàng)建面域命令，將轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛件圖的最大投影面創(chuàng)建面域，點(diǎn)擊查詢命令，查詢面域/質(zhì)量特性，測(cè)得鍛件最大投影輪廓的周長(zhǎng)是1671.68mm,
所以，飛邊部分的體積為：
V飛邊=L×F飛邊=218.46×1671.68=365195.21mm3鍛件飛邊的重量按照充滿飛邊的70%計(jì)算，則飛邊的重量為：
G飛邊=V飛邊×γ=365195.21×7.85×70%=2.0Kg
采用兩個(gè)火次鍛造，火耗率為5%，則下料重量為：
G總=（G 鍛+G飛邊）×1.05=(36.6+2.0) ×1.05=40.5Kg所以，鍛件的下料重量為40.5Kg。
（3）模鍛件所用原材料：體積應(yīng)包括鍛件本體、鍛造飛邊、連皮、夾鉗料頭、加熱氧化皮的總和，原材料的截面尺寸及長(zhǎng)度是計(jì)算毛坯體積和重量的基礎(chǔ)，確定毛坯尺寸還要考慮到制坯工步的特點(diǎn)等因素，選擇圓形坯料直徑D和方形坯料的邊長(zhǎng)A時(shí)，也考慮到在進(jìn)行墩粗時(shí)，坯料不產(chǎn)生彎曲，應(yīng)使坯料的長(zhǎng)度與直徑之比L坯/D坯在1.5-2.2之間。
由此，坯料的直徑或邊長(zhǎng)有由以下公式確定：
D坯=（0.95-0.83）3√V坯=0.95×3√40.5/7.85=164.15mm
所以，選用直徑160的圓形坯料，坯料的尺寸為φ160×260
3.3本章小結(jié)
本章重點(diǎn)是轉(zhuǎn)向節(jié)的工藝設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)出轉(zhuǎn)向節(jié)的零件圖，然后確定鍛造的工藝流程，找出鍛造難點(diǎn)，確定最終的工藝方案。下一步是鍛件圖的設(shè)計(jì)與鍛件毛坯的尺寸計(jì)算。在鍛件圖的設(shè)計(jì)中，我首先確定了鍛件的分模面，然后對(duì)冷鍛件圖和熱鍛件圖分別做出設(shè)計(jì)。最后計(jì)算毛坯的體積與重量與飛邊槽的設(shè)計(jì)與選用。
第4章 轉(zhuǎn)向節(jié)的模鍛設(shè)計(jì)
4.1自由鍛制坯工具的設(shè)計(jì)
鍛造工步圖：
圖4.1 鍛造工步圖
根據(jù)鍛造工步圖，我們要設(shè)計(jì)相應(yīng)的自由鍛制坯工具，包括摔模、胎模、劈料工具等，
4.1.1摔軸頸摔模的設(shè)計(jì)：
設(shè)計(jì)如圖：
圖4.2軸部摔模
4.1.2劈料胎模的設(shè)計(jì)：
設(shè)計(jì)如圖：
圖4.3 劈料胎模
圖4.4壓墊1
圖4.5壓墊2
圖4.5壓墊3
4.2 鍛造打擊力的估算和設(shè)備的選用
合適的選擇模鍛錘的噸位，不但能獲得優(yōu)質(zhì)鍛件，也能節(jié)省能源，保證模具的使用壽命，由于模鍛的每一次打擊是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程，要獲得準(zhǔn)確的理論計(jì)算是很困難的，所以生產(chǎn)中是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或近似解的理論公式來(lái)確定設(shè)備噸位，也可根據(jù)已經(jīng)生產(chǎn)鍛件的大小對(duì)比來(lái)確定設(shè)備。
在本次設(shè)計(jì)中，我們是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定設(shè)備噸位的，按鍛件在分模面上的投影面積和所鍛造的材料性質(zhì)來(lái)確定設(shè)備噸位：G=3.5-6.3kF總
式中G----鍛錘噸位（鍛錘落下部分的總質(zhì)量）；
K----材料系數(shù)，查《鍛造工藝學(xué)》表5-36取鋼種系數(shù)為1；
F總----鍛件的總變形面積，包括鍛件的投影面積，飛邊面積的70%，連皮面積。
我們利用CAD的面域功能，求得：
（1）鍛件的投影面積為43373.66mm2；
（2）飛邊面積為127769.64-43373.66=84396mm2；
（3）總面積為43373.66+84396×0.7mm2 =102450 mm2；
所以G=3.5-6.3kF總面=4×102450×1=409800KN(取中間值4)
可以選用5噸模鍛錘進(jìn)行鍛造。
4.3 鍛造模具、切邊模具設(shè)計(jì)及鍛造工藝編制
4.3.1模具壓力中心的計(jì)算
模具壓力中心是指沖壓時(shí)諸沖壓力合力的作用點(diǎn)位置。為了確保壓力機(jī)和模具正常工作，應(yīng)使沖模的壓力中心與壓力機(jī)滑塊的中心相重合。否則，會(huì)使沖模和壓力機(jī)滑塊產(chǎn)生偏心載荷，使滑塊和導(dǎo)軌間產(chǎn)生過(guò)大的磨損，模具導(dǎo)向零件加速磨損，降低模具和壓力機(jī)的使用壽命。
沖模的壓力中心，可按下述原則來(lái)確定：
１．對(duì)稱形狀的單個(gè)沖裁件，沖模的壓力中心就是沖裁件的幾何中心。
２．工件形狀相同且分布位置對(duì)稱時(shí)，沖模的壓力中心與零件的對(duì)稱中心相重合。
３．形狀復(fù)雜的零件、多孔沖模、 級(jí)進(jìn)模的 壓力中心可用解析計(jì)算法求出沖模壓力中心。解析法的計(jì)算依據(jù)是：各分力對(duì)某坐標(biāo)軸的力矩之代數(shù)和 等于諸力的 合力對(duì)該軸的力矩。求出合力作用點(diǎn)的 座標(biāo) 位置 O0(x0,y０)，即為所求模具的壓力中心
4.利用CAD中的UCS命令，將坐標(biāo)系的原點(diǎn)移動(dòng)至軸的中心與φ58孔中心線交點(diǎn)的位置，點(diǎn)擊創(chuàng)建面域命令，將轉(zhuǎn)向節(jié)熱鍛件圖的最大投影面創(chuàng)建面域，點(diǎn)擊查詢命令，查詢面域/質(zhì)量特性，測(cè)得鍛件的質(zhì)心位置為（X,Y）的值為（-80，-9）
4.3.2終鍛鍛造模具的設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的形狀較為復(fù)雜，單靠自由鍛制坯來(lái)完成從原材料到鍛件的材料體積分配是不準(zhǔn)確的，另外，分叉部位尺寸變化劇烈，在鍛造時(shí)材料變形劇烈，容易產(chǎn)生折疊傷，所以我們?cè)谀＞呱显O(shè)計(jì)增加了一個(gè)預(yù)鍛型槽，在終鍛前對(duì)材料進(jìn)行一次材料的體積分配，改善金屬在終鍛模膛中的流動(dòng)情況，這樣就能保證鍛件的各個(gè)部分成型充分，避免鍛件出現(xiàn)折疊傷，也會(huì)提高終鍛型槽的使用壽命。
預(yù)鍛型槽四周不開(kāi)設(shè)飛邊槽，但是預(yù)鍛時(shí)也會(huì)有飛邊形成，這個(gè)飛邊會(huì)起到限制金屬向預(yù)鍛型槽外流動(dòng)的作用，促使金屬充滿預(yù)鍛型槽；另外，預(yù)鍛時(shí)，預(yù)鍛型槽是不需要打靠的，因此預(yù)鍛時(shí)的坯料的高度和斷面積大于終鍛模膛的高度和截面積，在終鍛時(shí)尚有部分金屬?gòu)慕K鍛模膛中流出形成飛邊，對(duì)模膛內(nèi)的金屬材料產(chǎn)生流動(dòng)阻力，促使金屬材料更好地充滿模膛，在中間方盤部位，由于方盤較薄且高度尺寸較大，金屬不易充滿模膛，所以在飛邊的相應(yīng)位置開(kāi)設(shè)了阻尼溝槽，鍛造時(shí)阻滯金屬向外流動(dòng)，促使金屬充滿模膛。
（1）鉗口的設(shè)計(jì)
鉗口是放置鉗子加持坯料的，也是用來(lái)取出鍛件的位置，在模具制造后交檢時(shí)，由該處注入金屬鹽或熔化的鉛液，待凝固后劃線檢驗(yàn)，以驗(yàn)證模具制造尺寸是否正確。
圖4.7鉗口的設(shè)計(jì)
（2）預(yù)鍛型槽和終鍛型槽的設(shè)計(jì)如圖：
圖4.8預(yù)鍛型槽
圖4.9終鍛型槽
（3）鍛模模塊的設(shè)計(jì)和燕尾尺寸設(shè)計(jì)
確定模塊尺寸的原則和數(shù)據(jù)，一是根據(jù)模膛的尺寸和數(shù)量進(jìn)行布排，考慮最小壁厚等因素，得出所必須的模塊最小輪廓尺寸，選取工廠現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)模塊中的較大值；模塊尺寸為840×840×400，燕尾寬度300、高度65、燕尾角度為10°。
（4）鍛造模具的總體設(shè)計(jì)圖
圖4.10 鍛造模具總體設(shè)計(jì)圖
4.3.3切邊模具的設(shè)計(jì)
通過(guò)上網(wǎng)查找資料，切邊凹模采用碳素結(jié)構(gòu)鋼做凹模的本體材料，采用模具鋼焊條堆焊
圖4.11切邊模具
機(jī)加的工藝方法，這樣可以節(jié)省昂貴的模具材料，降低鍛造生產(chǎn)成本
圖4.12切邊凹模
查《鍛造工藝學(xué)》模具的單邊間隙應(yīng)取0.5，凹模刃口尺寸按照熱鍛件圖的分模線制造，間隙取在凸模上。
圖4.13 切邊凸模
圖4.14上模板
4.3.4鍛造工藝的編制
查《鍛工手冊(cè)》2-6表2-3，40Cr鋼的始鍛溫度為1200℃，終鍛溫度800℃
圖4.15鍛造工藝
4.4鍛造模具的制造
4.4.1鍛造模具的模塊加工
模具材料選用國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的5CrNiMo熱做模具鋼，經(jīng)過(guò)自由鍛造而成，經(jīng)過(guò)正火處理，采用刨床或銑床按照設(shè)計(jì)尺寸制成方形模塊。
4.4.2鍛造模具模膛的制造
經(jīng)過(guò)粗加工加工好的模塊，按照傳統(tǒng)的方法可以采用在電火花機(jī)床上電火花放電的方法制造，這種方法需要事先制造好用于放電的電火花電極，這種加工方法的缺點(diǎn)是，1.需要制作電極，增加了模具制造的成本；2.制作電極和電火花加工模具的周期較長(zhǎng)，模具交付周期也長(zhǎng)，不適合當(dāng)前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)3.對(duì)于一些形狀較復(fù)雜的模具，由于電極的制作精度的原因，鍛件的精度不容易得到提高。
4.5本章小結(jié)
本章完成了轉(zhuǎn)向節(jié)的所有模具的設(shè)計(jì)，包括鍛造的工步的確定，軸部摔模，劈料胎膜，壓墊的設(shè)計(jì)，模具壓力中心的計(jì)算終鍛鍛造模具的設(shè)計(jì)鉗口的設(shè)計(jì)預(yù)鍛型槽跟終鍛型槽的設(shè)計(jì)，鍛造模具的總體設(shè)計(jì)圖，還有切邊模具切邊凹模的設(shè)計(jì)。
結(jié) 論
通過(guò)這一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多以前沒(méi)有接觸到的知識(shí)，我做的設(shè)計(jì)為汽車轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)與成型工藝，這個(gè)題目需要很多關(guān)于模鍛，模具設(shè)計(jì)的知識(shí)。這些知識(shí)是我以前所不了解的，但是通過(guò)這次做這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)，我通過(guò)網(wǎng)上查資料，咨詢老師與同學(xué)，獲得了很大的收獲。
我個(gè)人覺(jué)得在轉(zhuǎn)向節(jié)的材料應(yīng)用上或許可以研制出更好的材料，是轉(zhuǎn)向節(jié)的耐磨度，硬度都有個(gè)大大的提升，這樣可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，延長(zhǎng)其使用壽命，從經(jīng)濟(jì)行到安全性都將是個(gè)大大的提高。
轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，所以他的模具設(shè)計(jì)更是重中之重。此次我設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向節(jié)的零件圖，模具圖，由于時(shí)間有限，知識(shí)有限，肯定會(huì)有很多欠缺的地方，希望大家批評(píng)指正。
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致 謝
通過(guò)這六周的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了不少東西。首先，感謝王國(guó)田老師的細(xì)心指導(dǎo)，其次，在自己不斷自學(xué)和向老師同學(xué)請(qǐng)教的過(guò)程中,不僅鞏固了以前所學(xué)到的知識(shí)并掌握了一些新知識(shí)，雖然我們不是學(xué)鍛造專業(yè)的，但是通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，查閱了大量的專業(yè)書(shū)籍和技術(shù)資料，使我掌握了很多鍛造專業(yè)的基本知識(shí)，也讓我對(duì)課堂所學(xué)有了更深刻的理解；其次，在運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的過(guò)程中，遇到了很多問(wèn)題，通過(guò)上網(wǎng)查找使自己解決問(wèn)題的能力得到了很大提高，在完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)的過(guò)程中，很多問(wèn)題是在我們的教材上得不到答案的，需要我們查閱各種資料并進(jìn)行理解應(yīng)用，通過(guò)自己的努力，最終解決了這些問(wèn)題，不但加深了對(duì)鍛造專業(yè)的知識(shí)理解，還考驗(yàn)了自己的耐心和毅力，畢業(yè)設(shè)計(jì)消耗時(shí)間較多，任務(wù)量也比較大，當(dāng)各種問(wèn)題一個(gè)個(gè)冒出來(lái)的時(shí)候，常常很急燥，但為了早日完成，又不得不使自己靜下心來(lái)，認(rèn)真看書(shū)研究，最終找到了答案。
最后我再次感謝王國(guó)田老師以及汽車與交通工程學(xué)院的所有老師對(duì)我四年學(xué)習(xí)的關(guān)心與教導(dǎo)，謝謝！
32
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
附 錄
Steering knuckle technology development present situation
Auto steering knuckle is key automotive parts, the quality of the security of the fit and unfit quality directly support crew and cargo security. At the same time, the car turned to the festival is very complex, difficult shape forming high parts. Our traditional ways of manufacturing high energy consumption, low material utilization ratio, die life, high cost and low manufacturing production environment is bad, and can't meet the requirements of the development of China's automotive high speed. At present, China's automotive steering knuckle is in the stage of development, technical level is developed countries also has the disparity.
With the high speed development of auto industry, China's automobile steering knuckle is gradually towards specialized, advanced. In 2007, China's weapon equipment group company self-developed aluminum alloy steering knuckle smooth through the national nonferrous metal and electronic material analysis and test center of the test, can meet the international similar product standard, become our country the first successfully developed the aluminum alloy of steering joint enterprise, fill the product of domestic blank.
In 2008, China successfully built a has the Chinese the most advanced technology, minimum investment scale, the lowest manufacturing costs and highest input-output ratio, the shortest investment return cycle of production capacity of 180000 pieces of he