基于Deform-3D的汽車(chē)擺臂輥鍛制坯模擬優(yōu)化研究

趙翔，李萍

(1.安徽工程大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241000;2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

汽車(chē)擺臂通過(guò)球形鉸鏈或襯套把車(chē)輪與車(chē)身進(jìn)行彈性連接，是汽車(chē)懸架系統(tǒng)中非常重要的導(dǎo)向和傳力元件。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，鋁合金汽車(chē)擺臂鍛件多采用自由鍛制坯，存在勞動(dòng)條件差、生產(chǎn)效率低和廢品率高等缺點(diǎn)，很難滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。由于輥鍛工藝具有生產(chǎn)效率高、省力和勞動(dòng)環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn)，因而不少生產(chǎn)商和研究者將汽車(chē)擺臂制坯工藝改進(jìn)的目光投射到了輥鍛工藝上。

1 汽車(chē)擺臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝分析

如圖1所示，汽車(chē)擺臂件具有彎曲軸線(xiàn)的非對(duì)稱(chēng)工字型截面，腹板較薄，類(lèi)似最長(zhǎng)邊被彎曲的三角形[1]，材料為6061鋁合金。左端和中部各有一圓柱形凸臺(tái)，橫截面最大部分位于鍛件中部凸臺(tái)處，最小部分位于鍛件右柄。三角形的2條短邊長(zhǎng)分別約為360 mm和335 mm，鍛件最大跨度約為560 mm，中間凸臺(tái)高約為45 mm。該件尺寸較大，屬于扁平件，其工藝流程為:下料—中頻感應(yīng)加熱—輥鍛制坯—彎曲—壓平—開(kāi)式模鍛—切邊。計(jì)算毛坯如圖2所示。

圖1 汽車(chē)擺臂鍛件Fig.1 Automobile swing arm forging diagram

圖2 計(jì)算毛坯Fig.2 Preform configuration drawing

原始棒料的直徑按公式(1)確定[2]:

式中:F0=1.1 ×Fmax，F(xiàn)max為最大截面積。

原始毛坯長(zhǎng)度按公式(2)確定[2]:

式中:V為鍛件(含飛邊)體積。

考慮到夾鉗料頭的長(zhǎng)度不得小于坯料直徑的1/2[3]，結(jié)合該鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，夾料頭部分可為左凸臺(tái)段，原始坯料尺寸選定為φ80 mm×276 mm。輥鍛道次數(shù)按公式(3)確定[3]:

式中:λz為總延伸系數(shù)，λz=F0/Fmin，F(xiàn)0為原始毛坯截面積，F(xiàn)min為輥鍛毛坯中最小橫截面積;λp為平均延伸系數(shù)。取 λp=1.67，λz=4.65，則 N≈3，即按 3個(gè)道次進(jìn)行輥鍛?？紤]到各型槽系對(duì)坯料的延伸能力以及坯料在型槽中的穩(wěn)定性，選取橢圓-方-箱型槽系[4]，采用逆向送料、中間咬入的方法進(jìn)行輥鍛制坯[5]。第1道次后，坯料翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)入第2道次，第2道次后，坯料翻轉(zhuǎn)45°進(jìn)入第3道次。

2 輥鍛制坯模擬結(jié)果及優(yōu)化

2.1 模擬試驗(yàn)方案

利用Deform-3D軟件，對(duì)輥鍛制坯過(guò)程進(jìn)行有限元模擬試驗(yàn)[6]。考慮模具預(yù)熱溫度、坯料溫度和模具轉(zhuǎn)速等3個(gè)因素對(duì)模具徑向載荷峰值的影響。為減少試驗(yàn)次數(shù)，采用正交試驗(yàn)方法[7]，每個(gè)因素取3個(gè)水平，具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)因素水平Table1 Table of experimental factors and levels

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及優(yōu)化[7]

2.2.1 第1 道次

表2數(shù)據(jù)表明:在將圓形坯料輥鍛成橢圓形坯料的過(guò)程中，模具溫度、坯料溫度和模具轉(zhuǎn)速這3個(gè)因素對(duì)模具徑向載荷影響的大小順序依次為模具溫度、模具轉(zhuǎn)速和坯料溫度，其中，坯料溫度和模具轉(zhuǎn)速的影響顯著。從9個(gè)正交試驗(yàn)點(diǎn)可得出較為優(yōu)化的工藝參數(shù)組合:模具溫度為20℃，坯料溫度為480℃，模具轉(zhuǎn)速為0.75 rad/s。即在生產(chǎn)條件允許的情況下，模具在室溫狀態(tài)下，提高坯料的溫度，降低模具的轉(zhuǎn)速，有利于降低模具徑向載荷，優(yōu)化后的模具徑向載荷如圖3a所示。

表2 第1道次模擬正交試驗(yàn)直觀分析Table2 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in first pass

2.2.2 第 2 道次

表3數(shù)據(jù)表明:在將橢圓形坯料輥鍛成方形坯料的過(guò)程中，模具溫度、坯料溫度和模具的轉(zhuǎn)速這3個(gè)因素對(duì)于徑向載荷的峰值都無(wú)突出的影響，影響的大小順序依次為坯料溫度、模具的轉(zhuǎn)速、模具溫度。從9個(gè)正交試驗(yàn)點(diǎn)可得出較為優(yōu)化的工藝參數(shù)組合:模具溫度為20℃，坯料溫度為480℃，模具轉(zhuǎn)速為1.25 rad/s。即在生產(chǎn)條件允許的情況下，模具在室溫狀態(tài)下，提高坯料的溫度，合適的模具轉(zhuǎn)速，對(duì)降低載荷有利，優(yōu)化后模具徑向載荷如圖3b所示。

表3 第2道次模擬正交試驗(yàn)直觀分析表Table3 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in second pass

2.2.3 第3 道次

表4數(shù)據(jù)表明:在將方形坯料輥鍛成矩形坯料的過(guò)程中，模具溫度、坯料溫度和模具的轉(zhuǎn)速這3個(gè)因素對(duì)于載荷的影響順序依次為模具的轉(zhuǎn)速、模具預(yù)熱溫度和坯料溫度，沒(méi)有特別突出的影響因素。從9個(gè)正交試驗(yàn)點(diǎn)可得出較為優(yōu)化的工藝參數(shù)組合:模具溫度為100℃，坯料溫度為440℃，模具轉(zhuǎn)速為0.75 rad/s。即在生產(chǎn)條件允許的情況下，合適的模具預(yù)熱溫度，降低坯料的溫度，降低模具轉(zhuǎn)速，有利于減小輥鍛過(guò)程中的載荷，優(yōu)化后模具徑向載荷如圖3c所示。

表4 第3道次模擬正交試驗(yàn)直觀分析表Table4 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in third pass

2.2.4 各道次輥鍛力矩分析[6]

輥鍛力矩是選用輥鍛機(jī)的重要依據(jù)，根據(jù)輥鍛力矩可以確定電動(dòng)機(jī)功率。優(yōu)化后各道次力矩的變化曲線(xiàn)如圖4所示，將之與模具徑向載荷圖對(duì)比分析可知，各道次型槽不同，力矩變化曲線(xiàn)也有較大變化，力矩曲線(xiàn)峰谷變化規(guī)律與模具徑向載荷圖相似，坯料中段的兩側(cè)是模具徑向載荷和力矩變化最劇烈的地方。

圖3 優(yōu)化后各道次的模具徑向載荷Fig.3 Rodial load on die in each pass after optimiscation

圖4 各道次力矩Fig.4 Torque on die in each pass

3 擺臂輥鍛后終鍛模擬結(jié)果

從汽車(chē)擺臂模鍛的損傷因子分布和等效應(yīng)變分布(如圖5所示)可以看出，模鍛件總體充填飽滿(mǎn)，但在三角形長(zhǎng)邊的中間部分飛邊很少。從鍛件的整體來(lái)看，飛邊并不均勻。這說(shuō)明在模鍛成形時(shí)，飛邊增加了金屬外流阻力，迫使金屬更好地充填型腔。鍛件三角長(zhǎng)邊的中部是材料流動(dòng)最難到達(dá)的地方，充型困難。

圖5 終鍛件損傷因子分布和等效應(yīng)變分布Fig.5 Damage and strain-effective distribution of the finish forging

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽車(chē)擺臂的輥鍛制坯過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，以探求降低輥鍛過(guò)程中成形載荷的途徑，對(duì)于延長(zhǎng)模具使用壽命，降低設(shè)備能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，以及實(shí)際生產(chǎn)具有一定的借鑒意義。

[1]李曉東，李萍，薛克敏.汽車(chē)控制臂輥鍛制坯開(kāi)式模鍛成形工藝研究[J].金屬加工(熱加工)，2011(7):44.

[2]夏巨諶.鍛模與粉末冶金模設(shè)計(jì)(中國(guó)模具工程大典，第4卷)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2003:604.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程學(xué)會(huì).鍛壓手冊(cè)(第1卷)鍛造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007:722.

[4]張承鑒.輥鍛技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986:148.

[5]傅沛福.輥鍛理論與工藝[M].吉林:吉林人民出版社，1982:103.

[6]張莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[7]汪榮鑫.數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2006:150－160.