汽車轉(zhuǎn)向臂成形工藝模擬優(yōu)化（下）

肖來斌，陶善虎，陳國強，陳文琳

5.轉(zhuǎn)向臂制坯輥鍛模具設(shè)計

輥鍛變形的實質(zhì)就是坯料的延伸變形過程，較錘上拔長具有明顯優(yōu)勢，輥鍛制坯的任務(wù)是采用輥鍛工藝鍛制供模鍛用毛坯。采用輥鍛工藝對坯料進(jìn)行各部分金屬重新分配比錘上鍛造生產(chǎn)效率要高，勞動條件好，節(jié)材效果明顯，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

（1）輥鍛道次的確定 首先根據(jù)輥鍛件圖計算出總延伸系數(shù)λz，即

式中 A0——原始坯料截面積；

An——輥鍛后坯料截面積。

輥鍛道次按下式計算

式中λP——平均延伸系數(shù)，通常選取IP=1.4～1.6。

經(jīng)計算本文所優(yōu)化的轉(zhuǎn)向臂總延伸系數(shù)λP為1.92。按λP=1.4選取，則n=1.938，故確定輥鍛道次為2道次。

（2）各道次輥鍛件圖設(shè)計在逐道次進(jìn)行型槽計算時，都是按相應(yīng)矩形法計算相應(yīng)矩形變形（如果是圓形截面則轉(zhuǎn)化為同面積矩形截面來計算）和求出各道次輥鍛后的相應(yīng)變形。按型槽計算的順序可以分為兩種方法：正算法和逆算法，本文采用逆算法。所謂逆算法就是根據(jù)要求最后輥鍛出的毛坯截面尺寸，逆輥鍛順序由后往前逐道進(jìn)行計算。

按照圖11最終輥鍛毛坯特征，根據(jù)型槽相應(yīng)區(qū)段體積相等的原則進(jìn)行金屬體積分配，保證制坯后毛坯在進(jìn)入下一道次輥鍛時，有較好的對中性和輥鍛穩(wěn)定性；對于相鄰兩區(qū)段的過渡區(qū)間，是變形較為復(fù)雜的部位，在滿足體積分配的原則上，應(yīng)簡化制坯型槽。按照上面確定的型槽特征，設(shè)計出第一道輥鍛件圖，如圖12所示。

（3）輥鍛模具設(shè)計 確定各工步槽系后，在輥鍛模具設(shè)計中需要考慮前滑值對零件的影響。前滑值的理論計算復(fù)雜，設(shè)計中可根據(jù)經(jīng)驗選取。對于等截面區(qū)段一般取4%～6%；在過渡區(qū)段前滑值與輥鍛的類型有關(guān)，在增壓下輥鍛時，前滑值較大，一般取6%～12%；在減壓下輥鍛時一般取2%～4%。各個道次輥鍛型槽具體參數(shù)和尺寸設(shè)計是根據(jù)文獻(xiàn)中有關(guān)圓—橢圓—圓型槽系的兩道次輥鍛的型槽設(shè)計計算公式計算出來的。最后計算出模具圓弧長，并換算成相應(yīng)中心角后，最終設(shè)計出來的第一、第二道的輥鍛模具，如圖13、圖14所示。

圖11 輥鍛毛坯

圖12 第一道次各截面

（4）模具材料選擇 輥鍛時，模具要承受著較大壓力，同時又是在反復(fù)加熱和冷卻條件下工作，模具受熱溫度可達(dá)300～500℃。模具內(nèi)部存在著交變應(yīng)力作用，易形成熱疲勞裂紋、龜裂等，故要求模具鋼硬度較高，否則模塊會產(chǎn)生壓塌變形，型槽表面具有較高硬度和耐磨性，輥鍛出的坯達(dá)不到輥鍛件要求，模具壽命也會降低。本模具材料采用5CrNiMo合金模具鋼，熱處理硬度為44～48HRC。根據(jù)以上方案設(shè)計出來第二道次輥鍛模，如圖15所示，現(xiàn)已應(yīng)用于生產(chǎn)上。

（5）輥鍛過程存在問題 其一是輥鍛中坯料長度波動問題。輥鍛技術(shù)是一項高效精確的制坯技術(shù)，但由于輥鍛時金屬可以沿兩個方向自由流動，其流動行為有不確定性，坯料長度較長時，控制其長度方向的誤差有很大難度。同時由于在輥鍛工藝中存在前滑的影響，前滑值對鍛件長度尺寸有著直接的影響，而目前還不能準(zhǔn)確地計算出前滑值，前滑值上下波動影響著輥鍛件的縱向尺寸。因此，除了在各相應(yīng)長度尺寸進(jìn)行補償外，更主要的還是在試驗中不斷調(diào)整，從而得到理想的模具型槽長度。

其二是合理分配道次延伸系數(shù)問題。由于本文中坯料在輥鍛之后還要進(jìn)行彎曲變形，然后才是終鍛成形，因此要求輥鍛制得坯料圓滑過渡，不可以出現(xiàn)哪怕很小的飛邊，如果出現(xiàn)飛邊，則在終鍛成形時會產(chǎn)生折疊缺陷。因此，文中對輥鍛各道次的延伸系數(shù)分配及每道次模具過渡部分型槽形狀都要求設(shè)計合理。

其三是輥距調(diào)整問題。調(diào)整輥距除了保證坯料最終尺寸外，還要保證輥鍛各道次延伸系數(shù)，輥模間隙同樣會影響著前滑值大小。本文是在不斷對工藝進(jìn)行生產(chǎn)試驗的基礎(chǔ)上得到輥鍛模之間的最佳間隙為4mm。

6.模鍛成形數(shù)值模擬

轉(zhuǎn)向臂擠壓成形過程屬于塑性成形中大變形問題。變形過程中，毛坯形狀變化較大，相應(yīng)其有限元網(wǎng)格也要不斷變化，準(zhǔn)確描述毛坯在變形各階段的幾何形狀，使模擬計算能保證一定精度并順利進(jìn)行。

圖13 第一道次輥鍛模具

圖14 第二道次輥鍛模具

（1）轉(zhuǎn)向臂鍛造成形過程分析 如圖16所示，終鍛模型中上下模是通過UG建立后直接以STL格式導(dǎo)入到DEFORM中，坯料則是經(jīng)過前期輥鍛、彎曲變形之后保留的。

通過采用上述有限元模型對轉(zhuǎn)向臂鍛造成形過程進(jìn)行模擬，可比較直觀地觀察坯料的變形過程。通過分析發(fā)現(xiàn)，由于轉(zhuǎn)向臂中部存在臺階，因此坯料在整個成形過程中先發(fā)生彎曲，然后充填型腔。在充填型腔過程中，首先充填部位為轉(zhuǎn)向臂兩端，最后充填的是轉(zhuǎn)向臂中部一尺寸狹小的三角凸臺。整個鍛造變形過程，如圖17所示。

圖15 輥鍛模具

圖16 終鍛模

圖17 轉(zhuǎn)向臂鍛造成形過程

同時本文通過模擬還發(fā)現(xiàn)在上模下行過程中，坯料發(fā)生錯移，導(dǎo)致坯料向外側(cè)有少量偏移。經(jīng)生產(chǎn)實際證明，由于在用摩擦壓力機(jī)模鍛過程中上模下行速度較大，短時間內(nèi)坯料偏移量較小，并不會影響鍛件成形質(zhì)量。

（2）鍛件應(yīng)力場、應(yīng)變場分析 圖18、圖19分別為最終成形得到的轉(zhuǎn)向臂件上應(yīng)變應(yīng)力分布。從圖20中可以看出鍛件飛邊部分應(yīng)變值較大，分布較均勻。圖上鍛件右半段應(yīng)變值較左段大，是因為坯料鍛造過程中彎曲變形主要發(fā)生在直徑較小的右端，鍛件左端彎曲程度則較小。從圖19應(yīng)力分布上可看出，坯料上與鍛模飛邊橋部接觸部分應(yīng)力最大，這是飛邊橋在鍛造變形過程中阻礙金屬向外流動的結(jié)果，結(jié)合應(yīng)變場可發(fā)現(xiàn)，該部分金屬變形量也非常大。

（3）終鍛溫度場分析 鍛造成形過程中，一方面隨著上模壓下量增加，金屬不斷進(jìn)入型腔，變形金屬與模具間接觸面積逐漸增大，由于坯料與模具間存在著溫度差，坯料部分溫度沿與模具接觸面?zhèn)鬟f給模具，使得坯料溫度降低。另一方面，坯料在外力作用下發(fā)生塑性變形同時產(chǎn)生塑性功，這部分能量90%以熱量的形式被金屬吸收，從而使得坯料溫度升高。所以，在整個鍛造過程中，坯料會發(fā)生溫度的熱力耦合效應(yīng)。

圖20是鍛造完畢鍛件溫度分布。可以看出，坯料與模具相接觸部位由于熱擴(kuò)散時間長，溫度降低較多。在飛邊部分由于飛邊金屬較薄，且變形量較大，變形功轉(zhuǎn)化溫度較多，溫度相對于初始加熱溫度變化較小，甚至略有上升。鍛件心部溫度也較高，雖然心部金屬變形較少，但是由于心部金屬熱量散失需要先傳遞到工件表面，再與模具之間進(jìn)行換熱，所以其熱量散失較少，溫度變化不大。

（4）轉(zhuǎn)向臂成形工藝改進(jìn)前后模擬結(jié)果比較 針對轉(zhuǎn)向臂成形工藝改進(jìn)前后的工藝過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較發(fā)現(xiàn)其在成形載荷、鍛件飛邊體積等方面存在著差異。圖21為轉(zhuǎn)向臂成形工藝改進(jìn)前后的載荷—行程曲線，比較發(fā)現(xiàn)工藝改進(jìn)后鍛件成形載荷大幅降低，不僅節(jié)約了設(shè)備成本，且可以有效提高模具的壽命。圖22中a、b兩圖分別為工藝改進(jìn)前后得到鍛件，可看出采用原工藝方式模擬出的鍛件飛邊較寬，而工藝改進(jìn)后模鍛得到鍛件飛邊則非常小，而成形質(zhì)量則跟原工藝一樣，表明采用輥鍛—模鍛新工藝能夠更好利用原材料，提高經(jīng)濟(jì)效益。

圖18 應(yīng)變分布

圖19 應(yīng)力分布

圖20 終鍛溫度場分布

圖21 鍛造成形過程載荷-行程曲線

圖22 最終成形鍛件

7.驗證

數(shù)值模擬為實際生產(chǎn)提供了良好的指導(dǎo)作用，但仍需采用實際生產(chǎn)試驗來驗證模擬結(jié)果的可靠性。本文生產(chǎn)是在合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司進(jìn)行的。根據(jù)鍛件圖和現(xiàn)有工藝設(shè)計的模具如圖23所示。

針對工藝改進(jìn)前后終鍛件成形情況進(jìn)行了試驗，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)采用新工藝得到的轉(zhuǎn)向臂鍛件產(chǎn)品尺寸精度高，表面質(zhì)量好。同時還比較了兩種工藝生產(chǎn)得到的鍛件飛邊狀況，改進(jìn)前后終鍛模相同，兩種方法形成的飛邊，如圖24所示。改進(jìn)前飛邊分布不均勻，飛邊大、厚，改進(jìn)后飛邊明顯減小，下料毛坯由原來φ50mm×475mm減小為φ50mm×454mm，最后減小到φ50mm×445mm，材料利用率提高到82%。

經(jīng)生產(chǎn)實際驗證，改進(jìn)后同樣模具結(jié)構(gòu)，同樣的模具材料和熱處理工藝，每副模具平均壽命達(dá)到5960件，是改進(jìn)前的3倍。其原因是：

（1）材料在輥鍛時金屬得以重新分配，減少了金屬在終鍛型腔的流動。

圖23 汽車轉(zhuǎn)向臂的終鍛模具

圖24 改進(jìn)前后飛邊對比

（2）下料毛坯尺寸減小，在終鍛時形成飛邊小，減少了金屬向飛邊流動。按照塑性成形規(guī)律，金屬在流向飛邊時溫度低，飛邊橋部厚度小，流動阻力急劇增大，此時是模具產(chǎn)生磨損的主要時段，最終造成模具壽命低。

（3）終鍛時形成飛邊小，成形力小，模具承受打擊力小，模具壽命提高。

另外，工藝改進(jìn)還帶來了附加效益，一方面，由于坯料下料長度減小，縮短了中頻感應(yīng)加熱時間，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了電能；另一方面，設(shè)備噸位減小，也降低了能耗，實現(xiàn)了節(jié)能減排的社會效益。

8.結(jié)論與展望

（1）坯料設(shè)計時考慮到轉(zhuǎn)向臂大截面端充填所需金屬較多，因此設(shè)計該部分坯料直徑較大，從模擬結(jié)果可看出該部分飛邊較大，可通過進(jìn)一步的坯料優(yōu)化及修改終鍛模具來改善。

（2）輥鍛模由于不斷升溫、降溫，內(nèi)部存在著交變應(yīng)力的作用，易形成熱疲勞裂紋、龜裂等缺陷；而轉(zhuǎn)向臂終鍛成形過程中載荷大，成形溫度高，終鍛模具損耗也較大，因此有必要對輥鍛及終鍛模具壽命進(jìn)行分析，并研究應(yīng)對策略。目前，我們對終鍛模具采用新的焊接材料和工藝，在延長模具壽命方面取得了較好效果。（全文完）