卡車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形過程的數(shù)值模擬

文/楊棟，陳文琳·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄭明玉，肖來斌·安徽省合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司

卡車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形過程的數(shù)值模擬

文/楊棟，陳文琳·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院鄭明玉，肖來斌·安徽省合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車底盤上的關(guān)鍵零部件，機(jī)械性能要求高，形狀復(fù)雜，成形難度大。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，多采用臥式鍛造成形。傳統(tǒng)鍛造工藝為錘上模鍛，一般需要兩次加熱、自由鍛制坯、錘上或者摩擦壓力機(jī)上鍛造成形。在加熱時只能采用火焰加熱或者電爐加熱，而不能采用中頻加熱，不符合節(jié)能減排的要求，而且鍛件質(zhì)量較差，廢品率比較高。為此，有必要改進(jìn)成形工藝，采用中頻加熱，一火加熱的鍛造工藝。

在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝設(shè)計中，制坯設(shè)計與制坯操作得當(dāng)，得到的制坯件體積分配合理，表面光順平滑，不僅有利于鍛件順利成形，避免折疊充不滿等缺陷，而且還可以節(jié)省材料，飛邊相對較小，提高模具壽命。本文針對某卡車轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一火成形的工藝方法，通過有限元模擬，分析成形過程的載荷、應(yīng)力、應(yīng)變等信息，確定鍛造成形工藝，優(yōu)化各工步尺寸和形狀，減少修模次數(shù)。

工藝設(shè)計

卡車轉(zhuǎn)向節(jié)是控制卡車前輪轉(zhuǎn)向的保安件，圖1、2分別為其二維圖和三維圖。鍛件采用的材料為40Cr，鍛件質(zhì)量為9.3kg。可以看出，此卡車轉(zhuǎn)向節(jié)屬于“軸─盤─叉”結(jié)構(gòu)，軸部細(xì)且長，長達(dá)169mm，最小直徑為φ28mm，盤部窄而大，最大截面直徑為φ165mm，寬度為16mm，叉部兩個耳朵一個長而淺，一個短而深，這使得截面變化非常劇烈，屬于形狀復(fù)雜鍛件，成形難度大。同時在叉部長而淺的耳朵內(nèi)襠處與軸線有一個夾角，因此只能采用臥式鍛造工藝。

在成形過程中，軸部與盤部連接處截面變化最為劇烈，金屬流動復(fù)雜，制坯效果不好，極易使該處飛邊過大；盤部又深又窄，在該處極易出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象；叉部兩個耳朵需要的料基本差不多，但形狀正好相反，一個長而淺，一個短而深，金屬流動復(fù)雜，若分料不合理，易出現(xiàn)折疊、充不滿、飛邊過大等問題。因此，鍛件成形的關(guān)鍵在于如何保證合理分配材料、充滿型腔、飛邊盡可能均勻、避免出現(xiàn)折疊等缺陷。在工藝上考慮到毛坯的形狀尺寸、坯料在型腔的放置位置、鍛造操作時打擊力的大小等，根據(jù)公司條件改進(jìn)工藝，在16000kN摩擦壓力機(jī)上實(shí)現(xiàn)一火臥式鍛造。

對毛坯尺寸進(jìn)行計算：毛坯體積Vd=1316417.6mm3，飛邊體積按飛邊槽容納70%計算，即Vf=23200mm3，取氧化燒損率為0.75%，則坯料體積為Vp=(1+0.75%)(Vd+Vf)=1744900mm3。取高徑比m=2，則坯料直徑d=103.5mm，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇坯料直徑為dp=100mm，則下料長度為221mm，考慮到下料誤差等取長度為225mm，確定坯料尺寸為φ100mm×225mm，根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)鍛件條件，采用自由鍛制坯，摩擦壓力機(jī)終鍛成形工藝，選擇頭部鐓粗→桿部拔長→預(yù)鍛→終鍛。設(shè)計時主要考慮了以下3點(diǎn)：

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件圖

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)三維圖

⑴頭部鐓粗是為了滿足轉(zhuǎn)向節(jié)叉部兩個耳朵的用料，既保證在長度方向的料又保證在深度方向上的料，得到合理的材料分配，該工步在1t空氣錘上進(jìn)行。

⑵桿部拔長是為了滿足細(xì)長桿部的用料，避免終鍛時桿部缺料，此工步也在1t空氣錘上進(jìn)行。

⑶設(shè)計預(yù)鍛型腔是為了完成叉部劈分工作，使預(yù)鍛件在終鍛時頭部的兩個耳朵能夠充滿型腔，在16000kN摩擦壓力機(jī)上臥式劈叉。

有限元分析

有限元模型的建立

有限元模型中，工件定義為塑性材料模型40Cr，模具定義為剛性材料，設(shè)定坯料初始溫度為1180℃、模具初始溫度為250℃,取剪切摩擦因子為0.3，建立的有限元模擬鍛造過程如圖3所示。以制坯工步的最后一步作為預(yù)鍛工步的初始毛坯，預(yù)鍛的最后一步作為終鍛件的初始毛坯，這樣更加真實(shí)地反映成形過程的鍛件形狀、工藝參數(shù)、材料性能等產(chǎn)生的變化。

圖3 有限元模擬鍛造過程

制坯尺寸的確定與模擬

圖4 制坯形狀與控制尺寸

在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝設(shè)計中，制坯和預(yù)鍛的形狀和尺寸是關(guān)鍵。該轉(zhuǎn)向節(jié)制坯難度較大，在自由鍛錘上完成制坯，首先保證毛坯有足夠的長度，并且使毛坯各截面有足夠的金屬以保證終鍛成形飽滿，制坯時桿部直徑很小，與坯料直徑相差很大，按傳統(tǒng)拔長方式勢必會增加時間和消耗體力；同時頭部的制坯尺寸要求也很嚴(yán)，在自由鍛錘上只能拍成扁方形，長寬高尺寸也要保證。根據(jù)體積相等原則，制坯工步的形狀與需要控制的尺寸如圖4所示，圖5為模擬成形的最終制坯形狀。

預(yù)鍛模擬

預(yù)鍛是繼制坯后又一關(guān)鍵工步，預(yù)鍛中鍛件材料在模腔中的金屬分配已經(jīng)確定，因此該工步設(shè)計的優(yōu)劣直接影響終鍛的成敗。由于該鍛件頭部叉形不對稱，如果按照傳統(tǒng)對稱式劈料臺設(shè)計，會造成兩個叉部一個充不滿，一個金屬料過多，最終導(dǎo)致終鍛件充不滿。根據(jù)體積不變原則和多次數(shù)值模擬，采用不對稱的劈料臺可以解決這個問題。

同時，由于頭部兩個叉部的存在，中間留有很薄的連皮，所以在制坯件放到預(yù)鍛型腔時，會使頭部翹起，不易定位，在預(yù)鍛時出現(xiàn)定位不準(zhǔn)的現(xiàn)象，為此，將該劈料臺在上模設(shè)置成凸起形式，保證制坯件放入預(yù)鍛型腔能夠水平放置即可，在實(shí)際制造預(yù)鍛模具時，可以通過堆焊的方法將上模的凸臺焊出，如圖6所示。

通過數(shù)值模擬，可以更加直觀地分析金屬的流動、載荷曲線及應(yīng)力應(yīng)變場的分布等。圖7顯示了材料在預(yù)鍛型腔中的流動情況。預(yù)鍛最主要的作用是預(yù)鍛模具的劈料臺成形鍛件頭部的兩個耳朵和中間法蘭的聚料，合理分配材料、減少終鍛載荷。從模擬的金屬材料流動情況看，已經(jīng)基本成形出大概輪廓，而且一次飛邊較少。

圖5 制坯成形圖

圖6 預(yù)鍛模具型腔

圖7 預(yù)鍛變形過程圖

圖8 a、b為預(yù)鍛后鍛件內(nèi)的等效應(yīng)力與應(yīng)變分布圖，應(yīng)力場分析可作為選擇成形設(shè)備、校核模具強(qiáng)度的依據(jù)。隨著模具運(yùn)動，頭部受到劈料臺的作用，等效應(yīng)力和等效應(yīng)變相對較大，該處最大應(yīng)力為200MPa，遠(yuǎn)大于應(yīng)力的平均值98MPa，最大應(yīng)變?yōu)?。隨著模具的不斷打靠，出現(xiàn)一次飛邊，在飛邊處應(yīng)變和應(yīng)力均很大，應(yīng)變最大為7，這是由于閉模階段桿部的飛邊較大，導(dǎo)致多余金屬向外流動，變形都集中在飛邊；在桿部等效應(yīng)力與應(yīng)變也相對較大，這是由于在該處金屬流動劇烈，其他部分應(yīng)力與應(yīng)變分布均勻且較小。

圖9為預(yù)鍛過程中載荷的變化曲線，變形曲線初期比較平緩，這時金屬處于充填模膛階段，所以變形力較小。隨著模具的運(yùn)動，金屬流動加劇，變形力增加；當(dāng)模具逐漸打靠時，部分金屬會流到型腔外面，形成一次飛邊，使得變形抗力急劇增大最終壓力最大值達(dá)到9900kN。

終鍛模擬

終鍛是轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形的最后一個工步，預(yù)鍛工步?jīng)]有充滿的金屬在這里得到補(bǔ)充，鍛件在該工步完成最終的成形。圖10a為預(yù)鍛件在終鍛型腔中的充填情況，圖中點(diǎn)表示坯料充滿模具型腔，則從圖中可知，鍛件基本成形，飛邊分布相對均勻。圖10b為終鍛件的等效應(yīng)變分布圖，在飛邊槽橋部起到阻礙金屬流動的作用，使得該處應(yīng)變很大，其他部分塑性變形量較小，應(yīng)變較??；而在預(yù)鍛時形成的飛邊在終鍛只是產(chǎn)生了偏移而未變形，這符合金屬流動成形規(guī)律。

將該工藝的模擬應(yīng)用到實(shí)踐生產(chǎn)中，取得了滿意的結(jié)果，最終生產(chǎn)的預(yù)鍛件、終鍛件和終鍛件飛邊如圖11所示，與模擬結(jié)果對比可知，外形形狀與模擬結(jié)果一致；最終鍛件經(jīng)切邊→校正→拋丸后，通過磁粉探傷、金相分析后，沒有折疊、夾皮、充不滿、晶粒粗大等缺陷，符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖8 預(yù)鍛件等效應(yīng)力應(yīng)變分布圖

圖9 預(yù)鍛載荷曲線

圖10 終鍛模擬結(jié)果

圖11 最終生產(chǎn)的預(yù)鍛件、終鍛件及飛邊

結(jié)束語

⑴只能臥式鍛造的轉(zhuǎn)向節(jié)，采用頭部鐓粗→桿部拔長→整體拍扁→預(yù)鍛→終鍛的鍛造工藝，實(shí)行一火成形，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是可行的。

⑵針對不對稱的叉類復(fù)雜件，采用不對稱式的劈料臺；劈料臺可以通過在上模堆焊出凸臺，有效解決了制坯件在預(yù)鍛型腔的定位問題。

⑶從成形效果上看，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)得到的最終鍛件外形一致，經(jīng)檢測，鍛件符合質(zhì)量要求，鍛件合格率在95%以上。

⑷通過有限元模擬計算與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，研究轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形規(guī)律，為工藝制定和模具設(shè)計提了供理論指導(dǎo)。