汽車鋁合金控制臂輥鍛制坯工藝研究

文/包其華·蕪湖禾田汽車工業(yè)有限公司

控制臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中關(guān)鍵部件，為保證批量生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的穩(wěn)定性和高效性，工藝過程中采用輥鍛制坯工藝替代傳統(tǒng)的自由鍛制坯工藝，可避免自由鍛制坯隨意性和高勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)可大幅度地提高生產(chǎn)效率。本文將對(duì)鋁鍛控制臂臂體鍛件的輥鍛制坯工藝、輥鍛模具設(shè)計(jì)以及輥鍛數(shù)值模擬分析進(jìn)行研究。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車輕量化、安全性、舒適性、節(jié)能和低排放量的要求越來越高。汽車懸架控制臂為底盤系統(tǒng)的關(guān)鍵安全件，以鋁代鐵能減輕汽車重量、降低汽車的排放。鋁合金鍛造控制臂在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，需求量大。其鍛件的制造精度、機(jī)械性能直接影響零件的使用壽命。

目前生產(chǎn)汽車鋁鍛控制臂鍛件的主要生產(chǎn)方式是：錘上拔長(zhǎng)，模鍛壓力機(jī)模鍛成形。該工藝的缺點(diǎn)是：⑴錘上拔長(zhǎng)是打擊力鍛造，噪聲大。⑵打擊次數(shù)多，生產(chǎn)效率低。⑶成形的坯件表面粗糙。⑷主要靠工人經(jīng)驗(yàn)控制，工人技術(shù)、體力和情緒對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大。

選用先進(jìn)的鍛造工藝生產(chǎn)控制臂鍛件以提高產(chǎn)品質(zhì)量，具有極其重要的意義。本文以一種鍛造鋁合金控制臂（圖1）作為研究對(duì)象，采用輥鍛制坯工藝，并對(duì)其進(jìn)行模擬分析，以制備高質(zhì)量的鍛件。

輥鍛成形工藝概述

輥鍛是坯料通過一對(duì)裝有鍛模的旋轉(zhuǎn)輥?zhàn)?，在輥?zhàn)有D(zhuǎn)中發(fā)生變形，得到各種鍛件和鍛坯的成形技術(shù)。輥鍛變形的原理如圖2所示，坯料被輥鍛模咬入后，高度方向受到壓縮，少部分金屬寬展，大部分金屬沿著長(zhǎng)度方向流動(dòng)，其特征表象為連續(xù)局部塑性變形。輥鍛工藝按其用途可分為制坯輥鍛與成形輥鍛。

圖1 鍛造鋁合金控制臂

圖2 輥鍛變形原理圖

控制臂的結(jié)構(gòu)及工藝分析

圖3是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的上控制臂設(shè)計(jì)圖。屬于連接桿狀一字形控制臂，中間桿部截面為T字形，呈高肋狀，此部位截面面積最小。左端為扁平形，右端成圓柱形，此部位截面面積最大。此鍛件的制坯工藝采用輥鍛，具體生產(chǎn)工藝流程為：圓棒料→清洗→加熱→輥鍛制坯→模鍛成形→切邊→T6熱處理。

圖3 控制臂毛坯圖

圖4 第一、第二道次輥坯料圖

圖5 第一、第二道次的輥鍛模具平面圖

根據(jù)各段的延伸率數(shù)、軸長(zhǎng)比和充滿系數(shù)計(jì)算各截面橢圓形狀尺寸。計(jì)算結(jié)果得出各道次輥鍛坯料圖（圖4）。

控制臂輥鍛模具設(shè)計(jì)

根據(jù)相應(yīng)計(jì)算方法可以得到控制臂制坯輥鍛的各道次模具圖（圖5）。

控制臂制坯輥鍛工藝有限元模擬

以設(shè)計(jì)的輥鍛模具平面圖為基礎(chǔ)，使用三維設(shè)計(jì)軟件，建立輥鍛模具。將建好的造型導(dǎo)入成形模擬軟件，建立各個(gè)道次輥鍛工藝的有限元模型，進(jìn)行輥鍛成形過程的有限元模擬分析。

輥鍛成形模具的建立

在三維設(shè)計(jì)中，利用旋轉(zhuǎn)與剪切等運(yùn)算，得到兩道次輥鍛模具的造型結(jié)果（圖6）。

圖6 兩道次的輥鍛模具三維圖

輥鍛數(shù)值模擬模型與工藝參數(shù)設(shè)定

按實(shí)際設(shè)備情況，輥鍛采用中心距離為360mm的輥鍛機(jī)。采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，坯料選用AlMgSi1材料模型,模具視為剛性。采用粘塑性有限元分析，坯料溫度500℃和模具溫度200℃。φ55mm×260mm，坯料初始溫度460℃；模具預(yù)熱溫度200℃；上下鍛輥中心距為364mm。運(yùn)用有限元軟件，建立剛塑性材料模型。在模擬過程中，第一道次完成后需將工件翻轉(zhuǎn)90°，在數(shù)值模擬軟件中將定義好工件翻轉(zhuǎn)和平移兩道次自動(dòng)計(jì)算完成。

模擬結(jié)果與分析

圖7是每個(gè)輥鍛道次結(jié)束后輥鍛件的形狀，從圖中可知，所得到的各道次尺寸與用逆算法計(jì)算所得截面尺寸及縱向尺寸相差較小，最終所得鍛件計(jì)算結(jié)果正確，為輥鍛模的設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。

變形過程應(yīng)變場(chǎng)分析

圖7 原坯料、輥鍛第一、第二道次模擬結(jié)果

分別選取四個(gè)道次輥鍛成形過程模具與坯料即將脫離后的變形狀態(tài)作為研究對(duì)象，利用后處理中Effective Strain查看各道次的應(yīng)變場(chǎng)分布，圖8是第一道次輥鍛應(yīng)變場(chǎng)的分布云圖，圖9是第二道次輥鍛應(yīng)變場(chǎng)的分布云圖。

通過觀察圖8和圖9可知，等效應(yīng)變的極大值主要出現(xiàn)在截面發(fā)生變化較大中部的桿部區(qū)域，分布較均勻。截面變形量越大，等效應(yīng)變值越大。

圖8 第一道次輥鍛應(yīng)變場(chǎng)的分布云圖

圖9 第二道次輥鍛應(yīng)變場(chǎng)的分布云圖

結(jié)束語

輥鍛是一種特殊鍛造工藝，坯料在輥鍛過程中的塑性變形情況復(fù)雜，金屬的流動(dòng)形式不同于傳統(tǒng)的鍛造工藝，具有一定的特殊性與復(fù)雜性。

本文基于有限元模擬分析軟件，對(duì)鋁合金控制臂的輥鍛制坯過程進(jìn)行有限元模擬分析，觀察并記錄坯料在預(yù)成形輥鍛模具及終成形輥鍛模具中的金屬流動(dòng)規(guī)律、模具型腔的充滿程度，并對(duì)坯料進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變分析。如若模擬的過程不理想或者坯料出現(xiàn)褶皺則對(duì)模具進(jìn)行參數(shù)重置，修改模具，并重新進(jìn)行模擬，直到所得到的模擬結(jié)果達(dá)到理論上的要求。