EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛模具磨損的數(shù)值模擬

周志明，胡洋，宋小放，唐麗文，張寶亮

(1.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，重慶 400054; 2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054; 3.四川宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003)

EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛模具磨損的數(shù)值模擬

周志明1，2，胡洋2，3，宋小放2，唐麗文2，張寶亮2

(1.汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室，重慶 400054; 2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054; 3.四川宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003)

采用DEFORM－3D軟件建立了有限元模型，根據(jù)鍛件成形過程中模具應(yīng)力、應(yīng)變及其載荷分布情況數(shù)值模擬了EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛的模具壽命。結(jié)果表明:采用多向模鍛成形EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可以顯著降低成形過程模具應(yīng)力、應(yīng)變及其設(shè)備成形載荷，從而顯著提高模具工作壽命。

EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié);多向模鍛;模具磨損;模具應(yīng)力

近年來，隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展與國際競爭的加劇，汽車零部件中對高精度、形狀復(fù)雜鍛件的需求量越來越大，傳統(tǒng)的加工工藝已經(jīng)不能滿足汽車零件產(chǎn)品的需求。在這種情況下，鍛造新工藝、省材節(jié)能工藝的開發(fā)對于新型汽車零件的生產(chǎn)尤為重要。因此，以近凈成形(near－netshape，生產(chǎn)盡量接近最終形狀的產(chǎn)品)和凈成形(net－shape，完全提供成品零件)為目標(biāo)已成為塑性加工技術(shù)變革的必然趨勢和發(fā)展方向［1－2］。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車前橋總成上的零件，是汽車上十分重要的安全件。它既支撐車體質(zhì)量，又傳遞轉(zhuǎn)向力矩并承受前輪剎車制動力矩，因此對其機(jī)械性能和形狀結(jié)構(gòu)要求非常嚴(yán)格，制造難度大。如何采用高效、節(jié)能的方法生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的轉(zhuǎn)向節(jié)零件成為生產(chǎn)中亟需解決的問題［3－5］。多向模鍛因具有多個分模面，可以鍛出形狀更為復(fù)雜、尺寸更加精確的鍛件，從而顯著提高材料的利用率，減少機(jī)加工工時，降低成本。此外，零件在封閉模腔內(nèi)成形，處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可使金屬塑性大為提高，因此該技術(shù)在航空、汽車等工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用［6－7］。然而由于多向模鍛擠壓鍛造過程的溫度高，鍛造成形的時間長，導(dǎo)致模具壽命不高，影響了多向模鍛技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。本文通過建立有限元模型對EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛的模具壽命，為汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的多向模鍛生產(chǎn)提供有力的參考和指導(dǎo)。

1 EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛成形模具結(jié)構(gòu)

圖1為EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛成形模具結(jié)構(gòu)示意圖。將上模設(shè)計為活動的彈性結(jié)構(gòu)，通過彈簧使得上模4與上模凸模鑲塊具有相對獨(dú)立的運(yùn)動，從而實現(xiàn)在上模4與下模閉合形成封閉的型腔，之后上液壓缸繼續(xù)下行壓縮彈簧，從而帶動上模凸模鑲塊下行鐓擠坯料，實現(xiàn)劈料工序，直到鐓擠出合理的盤部高度。左右側(cè)凸模對稱分布且都是鑲塊結(jié)構(gòu)，上模停止運(yùn)動后，沿水平方向?qū)ΨQ分布的左右側(cè)凸模在側(cè)向液壓缸的作用下逐步壓入，實現(xiàn)多向模鍛終鍛成形。

圖1 EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛終鍛成形模具結(jié)構(gòu)

2 模具磨損分析

由于多向模鍛精密成形相對成形時間長，模具磨損比普通的錘上模鍛嚴(yán)重，故模具的壽命受到限制。本文模具鋼選用H26，根據(jù)圖1所示模具結(jié)構(gòu)建立Deform－3D有限元模擬模型，多向模鍛終鍛成形模具磨損數(shù)值模擬的結(jié)果如圖2所示?？梢钥吹?由于該成形模具中上模4的作用是與下模形成封閉型腔，在終鍛成形時，雖然由于最后成形部位坯料與圓弧段存在較大的摩擦作用而導(dǎo)致該部位出現(xiàn)模具磨損，但由于該部位模具磨損量較低，為10－4mm，因此上模4對模具磨損影響不大。下模5工作時，對該部位的尺寸要求不高，因此該部位的模具磨損對模具壽命影響不大。模具的其他成型部分模具磨損量較上模4及下模5大，且根據(jù)零件的工作條件可知:位于上模鑲塊及其左右側(cè)凸模部位的尺寸要求較高，因而模具磨損對產(chǎn)品質(zhì)量要求較高。從圖2中模具的磨損量可知:在磨損是主要影響模具壽命因素的狀況下，上模鑲塊及其左右側(cè)凸模模具至少能生產(chǎn)近千件產(chǎn)品。根據(jù)圖1模具結(jié)構(gòu)所示，將側(cè)模易磨損部位設(shè)計為鑲塊結(jié)構(gòu)便于更換，有利于提高企業(yè)效益，降低材料浪費(fèi)以及模具更換難度等。

圖3為多向模鍛終鍛成形過程中成形EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的設(shè)備加載曲線。通過對比圖示成形EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛終鍛成形載荷曲線及其最大成形力與傳統(tǒng)鍛造成形工藝可知:采用多向模鍛成形顯著降低了設(shè)備成形壓力，從而使得通過模具作用于鍛件上的成形壓力也降低，有利于降低終鍛成形坯料內(nèi)部殘留應(yīng)力，提升鍛件質(zhì)量。

圖2 EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛終鍛成形模具磨損

圖3 EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛終鍛成形載荷曲線分布

對比圖4中模具應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn):由于多向模鍛成形有效降低了設(shè)備成形壓力，從而使得在鍛造過程作用于模具上的應(yīng)力也顯著降低，模具最大應(yīng)力作用于上模鑲塊及其左右側(cè)凸模鑲塊1、鑲塊2上。通過將應(yīng)力較高部位設(shè)計為鑲塊結(jié)構(gòu)有利于避免以上部位由于疲勞失效而更換模具。從側(cè)模鑲塊上可以得出:在終鍛成形過程中模具最大應(yīng)力部位作用于鑲塊凸模上所標(biāo)記的A、B邊緣部位，上述部位由于成形過程中受到較大的應(yīng)力作用導(dǎo)致該部位容易發(fā)生疲勞失效，這一缺陷可以通過機(jī)械加工解決。由于退刀槽具有避免應(yīng)力集中的作用，因而在上圖所標(biāo)記部位設(shè)置退刀槽，避免該部位出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致疲勞破壞。從應(yīng)力分布圖發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象，模具磨損較嚴(yán)重的鑲塊部位其模具應(yīng)力反而較低。從圖4中模具應(yīng)力數(shù)據(jù)中可以得出:其應(yīng)力值遠(yuǎn)低于H－26鋼的屈服極限，從而使得模具疲勞壽命得以提高，而模具磨損成為影響模具壽命的最主要因素。

圖4 EQ153多向模鍛模具應(yīng)力分布

3 結(jié)束語

通過EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形模具的應(yīng)力應(yīng)變分析可知:本文的多向模鍛成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計將磨損量對產(chǎn)品質(zhì)量影響不大的部位集成起來，設(shè)置于上?；蛳履Ｉ?，將磨損對產(chǎn)品質(zhì)量影響較大部位設(shè)置為鑲塊結(jié)構(gòu)，減少了模具材料浪費(fèi)，方便了模具的拆卸更換，而且鑲塊部位的模具磨損量也較小，因此鑲塊部位模具正常工作壽命大大提高。根據(jù)本文模具應(yīng)力分析可知:通過多向模鍛工藝，將鍛件成形部位根據(jù)分模面合理分配到各成形部位，顯著降低了鍛件成形壓力，大大降低了作用于模具上的應(yīng)力，故模具的疲勞壽命得以提高。因此可得:采用本文設(shè)計的多向模鍛模具生產(chǎn)EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)可以克服多向模鍛成形模具壽命較低的缺陷。

［1］朱小兵.輕卡汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造成形工藝的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2009.

［2］周志明，唐麗文，胡洋，等.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛精密鍛造成形模具［P］.中國:實用新型專利CN 202752523 U，2013，.02.27.

［3］程聯(lián)軍，趙國群，管延錦，等.有限元模擬在汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造設(shè)計中的應(yīng)用［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008 (6):64－66.

［4］趙德穎，孫惠學(xué)，張春義.轎車轉(zhuǎn)向節(jié)閉塞擠壓成形新工藝研究［J］.鍛壓技術(shù)，2006，30(2):74－77.

［5］周康渠，李曉.面向成本設(shè)計技術(shù)在汽車轉(zhuǎn)向機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，27(4):13－17.

［6］毛厚軍.汽車轉(zhuǎn)向節(jié)的少飛邊鍛造技術(shù)［J］.鍛壓技術(shù)，1998，22(5):17－19.

［7］董之社.轎車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件半封閉擠壓工藝［J］.鍛壓技術(shù)，2000，24(6):9－10.

(責(zé)任編輯 劉舸)

Numerical Simulation of ToolWear for Multi-Directional Forging of EQ153 Steering Knuckle

ZHOU Zhi－ming1，2，HU Yang2，3，SONG Xiao－fang2，TANG Li－wen2，ZHANG Bao－liang2
(1.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;2.School of Material Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China; 3.Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，China)

The finite elementmodel of EQ153 steering knucklewas established in this paper.To study the tool life the tool tress and tool wear during forming process was simulated by Deform－3D software.The result showed that the tool stress and tool wear could be reduced obviously by using the multi－directional forging process and the fatigue ofmulti－directional forging die could be improved significantly.

EQ153 steering knuckle;multi－directional precision forging;tool wear;tool stress

U463

A

1674－8425(2014)09－0015－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.004

2014－03－15

汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實驗室基金資助項目(KLMT201112和KLMT201107)

周志明(1976—)，男，湖南雙峰人，博士，副教授，主要從事材料精密成形研究。

周志明，胡洋，宋小放，等.EQ153汽車轉(zhuǎn)向節(jié)多向模鍛模具磨損的數(shù)值模擬［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014(9):15－18.

format:ZHOU Zhi－ming，HU Yang，SONG Xiao－fang，et al.Numerical Simulation of Tool Wear for Multi－Directional Forging of EQ153 Steering Knuckle［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):15－18.