汽車彎臂鍛造工藝改進數(shù)值模擬及實驗研究

丁祖宏，李紀龍，喬碩，薛克敏

(1.合肥汽車鍛件有限責任公司，合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

汽車彎臂是汽車零部件中的一個關鍵連接件，在汽車轉向系統(tǒng)中承受復雜的多應力應變作用，其質量的可靠性嚴重影響著汽車的使用性能[1－2]。隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，彎臂的產量逐年增加，改進生產工藝，提高材料利用率和降低成本成為彎臂生產中迫切需要解決的問題[3－4]。轉向彎臂傳統(tǒng)生產工藝為錘上模鍛工藝，質量和尺寸精度都難以保證。國外在20世紀50年代末開始采用輥鍛工藝進行制坯，在熱模鍛壓力機上進行彎曲和終鍛成形，這種方法使生產效率得到大幅提升[5]。國內對汽車彎臂成形工藝研究起步較晚，湖北谷城車橋股份有限公司發(fā)明了“汽車前軸成形輥鍛工藝專利”，屬國內首創(chuàng)[6]。1999年吉林工業(yè)大學針對輕轎車復雜彎軸類鍛件分析了現(xiàn)有生產工藝的諸多問題及該類鍛件自身的技術特點，提出了輥鍛-摩擦壓力機模鍛復合工藝方案[7]。吉林大學的鄧春萍等[8]研究了汽車轉向節(jié)鍛件生產過程中存在的錯?，F(xiàn)象，對模具結構進行了合理的設計。有限元技術的飛速發(fā)展極大地縮短了新產品的開發(fā)時間，可以在模具的虛擬制造階段預測金屬流動趨勢，檢驗模具設計的合理性，減少模具費用，提高整體經濟效益[9－10]。北京機電研究所的蔣鵬等[11]利用Deform軟件對前軸鍛造成形過程進行了有限元模擬。河南科技大學唐六丁和張學賓[12]運用MSC.Superform對連桿熱鍛成形過程進行有限元模擬，得到熱鍛模具關鍵部位的溫度場、等效應力場和等效應變場在時間和空間上的分布規(guī)律，并通過理論解析法預測熱鍛模具壽命。文中以合肥汽車鍛件有限責任公司生產的HF6700汽車轉向彎臂為研究對象，對其原有的輥鍛工藝進行改進，通過修改輥鍛制坯工藝，合理分配金屬，減少飛邊尺寸，提高材料利用率，增加經濟效益。

1 汽車彎臂結構分析

汽車彎臂鍛件屬于彎曲軸類件，外形較復雜，其特點是軸線空間分布為曲線形，多向彎曲，沿長度方向截面差與落差變化較大。其零件如圖1所示。

圖1 彎臂零件Fig.1 The curved arm

彎臂件結構復雜，其現(xiàn)有成形工藝為:下料加熱—三道次輥鍛制坯—彎曲—模鍛成形—切邊—校正—熱處理。在實際生產過程中，終鍛后飛邊較大，造成較大的材料浪費，因此有必要對其坯料形狀進行改進設計，控制金屬流動，以期達到減小飛邊，提高材料利用率的目的。工藝流程如圖2所示。

圖2 各工步有限元模型Fig.2 FE model of each process

該工藝過程中將原有的兩道次輥鍛制坯工藝改成三道次輥鍛，使得金屬的分布更加合理，終成形飛邊較小，提高材料利用率，不僅降低成本，還提高了模具的壽命。

2 彎臂成形數(shù)值模擬

2.1 原有工藝數(shù)值模擬研究

原生產工藝為:下料—中頻加熱—兩道次輥鍛制坯—彎曲—模鍛成形。分別對輥鍛制坯、彎曲、模鍛成形工藝進行了數(shù)值模擬研究，利用Deform-3D有限元軟件對彎臂成形過程進行數(shù)值模擬。彎臂的材料為40Cr，軟件中對應的牌號為AISI-5140，采用剛塑性有限元模型，坯料視為塑性體，模具視為剛性體。根據實際生產經驗，模具初始溫度設置為300℃，坯料初始溫度為1100℃，初始坯料為φ50 mm×454 mm的圓柱棒料。建立的有限元模型如圖2所示。

模擬結果如圖3所示，可以看出，最終成形的零件充填飽滿，多余的金屬向飛邊槽流動。型腔充滿和模具打靠過程中，在大頭端和彎臂的過渡錐體部分形成大量飛邊，造成大量的材料浪費，因此需要對原有工藝進行改進，改變金屬的分布，提高材料利用率。

2.2 改進后工藝數(shù)值模擬研究

圖3 模擬結果Fig.3 Simulation results

在原有工藝的基礎上，利用計算機數(shù)值模擬技術與實驗相結合的方法對輥鍛工藝進行改進，初始管坯為φ50 mm×430 mm，將棒料小頭端φ35 mm×160 mm改為 φ35 mm×40 mm和 φ30 mm×130 mm，過渡椎體部分長度由14 mm調整為130 mm，大頭端φ50 mm×265 mm不變，確保總長度為565 mm，輥鍛制坯后坯料形狀如圖4所示。在UG軟件中利用布爾運算和扇形模塊求和及求差運算得到的三道次輥鍛模具造型如圖5所示，輥鍛模直徑、溫度等其他條件與改進前完全相同。

圖4 改進后的坯料形狀Fig.4 Improved billet

改進后的工藝輥鍛成形后的坯料溫度場分布如圖6所示?？梢钥吹剑捎阱懠c模具接觸部分溫度擴散較多，溫度較低。鍛造結束時飛邊橋部金屬產生大變形，短時間內變形功轉化為熱能，溫度擴散較溫度補償速率低，導致溫度不但沒有降低，反而略微上升。當金屬流入倉部后僅存在接觸溫度損失，溫度將下降。從圖6中還可以看出，經過三道次輥鍛以后小頭部分溫度較低，最低溫度為1060℃，可以繼續(xù)進行彎曲和模鍛。改進后的模鍛效果如圖7所示，可以看到，鍛件整體均產生應變且分布較均勻。坯料在經過整個工藝過程后金屬材料發(fā)生了充分的變形，對改善鍛件內部組織有重要意義。

圖5 各道次的輥鍛模具Fig.5 The roll forging dies of different steps

圖6 改進后輥鍛制坯溫度場分布Fig.6 Distribution of the temperature of improved roll forging blanking

圖7 改進后零件應力分布Fig.7 Distribution of improved part

比較圖3c和圖7可以看出，改進后終成形零件的飛邊比改進前小很多，驗證了改進工藝的可行性。

3 實驗研究

3.1 實驗準備

該實驗是在合肥汽車鍛件有限責任公司完成的，初始棒料的材料為40Cr，尺寸為φ50 mm×430 mm，中頻加熱到1150℃，模具材料為H13鋼，預熱溫度為200℃。輥鍛是在φ400 mm的輥鍛機上完成的，彎曲在6300 kN摩擦壓力機上完成，終成形模鍛在10000 kN摩擦壓力機上完成。設備如圖8所示。

圖8 工廠現(xiàn)有設備Fig.8 Existing plant equipments

3.2 實驗結果

分別對改進前后的工藝進行物理實驗，得到的結果如圖9所示。

從圖9中可以看出，改進后的工藝最終成形件飛邊較少，與模擬結果相近，驗證了該改進方案的優(yōu)越性。

圖9 實驗結果對比Fig.9 Comparison of experimental results

4 結語

文中對HF6700汽車彎臂鍛造成形工藝進行了分析，提出了成形方案，并對工藝方案進行了數(shù)值模擬分析和實驗研究，得到如下結論。

1)對原有的兩道次輥鍛制坯、彎曲、模鍛成形進行了數(shù)值模擬研究。研究結果表明，原有工藝模鍛成形后大頭端部和彎臂的過渡錐體部分存在較大飛邊，造成了大量的材料浪費。

2)對輥鍛工藝進行優(yōu)化，將輥鍛工藝由兩道次改成三道次，在保持體積不變的原則下減少大頭端部和過渡錐體部分的體積。模擬結果顯示，采用改進后的坯料終鍛成形后飛邊減小且分布均勻，提高了材料的利用率。

3)利用合肥汽車鍛件有限責任公司現(xiàn)有的設備進行了對比實驗，實驗結果表明，采用改進后的輥鍛制坯工藝，模鍛成形后飛邊明顯減小且分布均勻，與模擬結果吻合，提高了經濟效益。

[1]李春峰.金屬塑性成形工藝及模具設計[M].北京:高等教育出版社，2008:4－5.LI Chun-feng.Plastic Forming Technology and Die Designing[M].Beijing:Higher Education Press，2008:4 －5.

[2]金明華，陳慶敏，寇淑清，等.復雜彎軸類鍛件輥鍛——摩擦壓力機模鍛復合鍛造工藝[J].鍛壓技術，1999，24(4):12 －23.JIN Ming-hua，CHEN Qing-min，KOU Shu-qing，et al.Compound Forging Process of Roll Forging and Forging Press of Complex Curved Shaft[J].Forging and Stamping Technology，1999，24(4):12 －23.

[3]高占民，楊慎華.輕型車左轉向節(jié)臂鍛造工藝分析[J].汽車技術，1999(8):23 －24.GAO Zhan-min，YANG Shen-hua.Forging Process Analysis of Left Knuckle Arm in Light Truck[J].Automoblle Technology，1999(8):23 －24.

[4]吳淑玲，周杰，常桂靜，等.6400轉向節(jié)臂成形分析及有限元模擬[J].模具技術，2004，30(4):10 －11.WU Shu-ling，ZHOU Jie，CHANG Gui-jing，et al.Finite Element Simulation of 6400 Knuckle Arm Forming Process[J].Die and Mould Technology，2004，30(4):10 －11.

[5]胡福榮.前軸精輥成形過程的三維有限元數(shù)值模擬[D].北京:機械科學研究院，2003.HU Fu-rong.Three-dimensional Finite Element Numerical Simulation of Roll Forming Process of Front Axle[D].Beijing:Mechanical Engineering Research Institute，2003.

[6]潘藝果.汽車前軸鍛件彎曲與整體終鍛過程有限元模擬[D].武漢:華中科技大學，2004.PAN Yi-guo.A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology，2004.

[7]孫前江，王高潮，黃映霞，等.曲軸鍛造過程的數(shù)值模擬[J].鍛壓技術，2006，31(2):4 －6.SUN Qian-jiang，WANG Gao-chao，HUANG Ying-xia，et al.Numerical Simulation of Crankshaft in Hot Forging Procedure[J].Forging and Stamping Technology，2006，31(2):4－6.

[8]鄧春萍，楊慎華，何東野.汽車左轉向節(jié)臂鍛件復合鍛造工藝及模具設計[J]，鍛造，2006(4):42－44.DENG Chun-ping，YANG Shen-hua，HE Dong-ye.Compound Forging Technology and Die Design of Automotive Knuckle Arm Forging Piece[J].Forging，2006(4):42 －44.

[9]唐新民，陳建業(yè)，趙九根，等.非調質鋼彎臂、直臂的開發(fā)應用[J].金屬熱處理，2001(1):43－45.TANG Xin-min，CHEN Jian-ye，ZHAO Jiu-gen，et al.Development and Application of Non－Quenched and Tempered Steels of Bending and Extending Arms[J].Metal Heat Treatment，2001(1):43 －45.

[10]彭穎紅.金屬塑性加工仿真技術[M].上海:上海交通大學出版社，1999:45－50.PENG Ying-hong.MetalFormingProcessSimulation Technology[M].Shanghai:Shanghai Jiaotong University Press，1999:45 －50.

[11]蔣鵬，方剛，胡福榮，等.汽車前軸精密輥鍛成形過程的數(shù)值模擬[J].機械工程學報，2005，41(6):127－131.JIANG Peng，F(xiàn)ANG Gang，HU Fu-rong，et al.Numerical Simulation for Precision Roll Forging of Automobile Front Axle[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2005，41(6):123 －127.

[12]唐六丁，張學賓.連桿熱模鍛全過程的仿真分析及模具壽命預測[J].河南科技大學學報，2005，23(3):10－12.TANG Liu-ding，ZHANG Xue-bin.Simulation of Total Process for Connecting Rod Thermal Die Forging and Calculating life[J].Journal of Henan University of Science and Technology，2005，23(3):10－12.