轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛下模熱鍛過(guò)程中的磨損研究

劉琥珀，黃昌文，吳玉國(guó)，時(shí)禮平,4，章亦聰,4

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032；2.安徽安簧機(jī)械股份有限公司，安徽安慶246005；3.特殊服役環(huán)境的智能裝備制造國(guó)際科技合作基地，安徽馬鞍山243032；4.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243032）

隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的迅速發(fā)展，汽車零部件中高精度、高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鍛件需求量增大，對(duì)于鍛件結(jié)構(gòu)形狀、機(jī)械性能和精度的要求也越來(lái)越高。轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中傳遞和承受載荷的鍛件，對(duì)于汽車穩(wěn)定行使及靈活轉(zhuǎn)向具有極其重要的作用。在轉(zhuǎn)向節(jié)的預(yù)鍛過(guò)程中，熱鍛成形不僅可以減少金屬的變形抗力，而且能夠提高金屬的機(jī)械性能，因此轉(zhuǎn)向節(jié)多采用熱鍛[1]。一般情況下，熱鍛模具的失效形式為磨損、斷裂、塑性變形等，其中超過(guò)70%的模具失效是由磨損導(dǎo)致[2-3]。

針對(duì)模具表面的磨損問(wèn)題,國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了大量研究。林高用等[4]以鋁合金擠壓過(guò)程中模具表面磨損最嚴(yán)重的部位為研究對(duì)象，建立該部位最大磨損深度與擠壓次數(shù)之間的確切關(guān)系，并提出最大磨損深度的計(jì)算公式；楊秀琴[5]以降低某型號(hào)曲軸在輥鍛制坯階段模具磨損深度為目標(biāo)，給出幾何參數(shù)的最優(yōu)值，當(dāng)過(guò)渡斜度為40°、過(guò)渡圓角半徑為25 mm、入模圓角半徑為20 mm時(shí)，模具最大磨損深度最小。胡洋[6]通過(guò)有限元分析方法研究了鍛造工藝對(duì)成形載荷、模具磨損的影響，并給出了有利于減少最大磨損深度的模具設(shè)計(jì)；周杰等[7]分析了轉(zhuǎn)向節(jié)閉式鍛造典型失效模具的斷口形貌和模具結(jié)構(gòu)，研究了模具工作應(yīng)力與表層溫度分布對(duì)模具磨損深度的影響，發(fā)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)及制坯形狀設(shè)計(jì)的不合理是模具早期失效的主要原因；朱小兵[8]以預(yù)、終鍛模具為研究對(duì)象，通過(guò)有限元模擬軟件對(duì)模具型腔的磨損深度進(jìn)行仿真分析，獲得模具磨損深度的變化規(guī)律，并根據(jù)最大模具磨損深度對(duì)模具的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)；李寶聚[9]研究某款汽車連桿模具磨損特性，對(duì)模具表面的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，結(jié)果表明飛邊厚度4.5 mm和?？趫A角半徑4 mm時(shí)，模具最大磨損深度由原始模具的5.52×10-5mm降低為4.49×10-5mm，最大磨損深度下降18.66%，該參數(shù)組合有利于提高模具使用壽命。

綜上所述，合理的模具結(jié)構(gòu)及鍛造工藝有利于減少模具的摩擦磨損，但鍛造工況參數(shù)的優(yōu)選同樣對(duì)模具的使用壽命具有重要影響。在轉(zhuǎn)向節(jié)的熱鍛過(guò)程中，預(yù)鍛下模的磨損最為嚴(yán)重。鑒于此，筆者采用數(shù)值模擬的方法對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛下模在熱鍛過(guò)程中的磨損特性進(jìn)行研究，探究下模預(yù)熱溫度、上模運(yùn)行速度對(duì)下模最大磨損深度的影響，為后續(xù)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工況參數(shù)的合理選擇提供指導(dǎo)。

1 預(yù)鍛有限元模型的建立

1.1 Archard磨損模型

Archard磨損模型被廣泛應(yīng)用于計(jì)算金屬塑性成形過(guò)程中模具的磨損深度，公式為

式中：w，p，l分別為磨損深度、模具表面所受的法向壓力、坯料與模具接觸面間切向相對(duì)滑移距離；H為模具硬度；K為磨損系數(shù)。其中，K和H為常數(shù)，但在高溫?zé)徨戇^(guò)程中，兩者均會(huì)隨著模具溫度的改變而發(fā)生變化，對(duì)式(1)進(jìn)行等量替換及積分變形，可得到修正后的Archard磨損模型[10]，為

式中：w(θ)，K(θ)，H(θ)分別為磨損深度、磨損系數(shù)、模具硬度隨溫度變化的函數(shù)，K(θ)，H(θ)可通過(guò)高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)和高溫硬度試驗(yàn)獲得；v、θ、t 分別為坯料相對(duì)模具切向滑移速度、模具溫度、時(shí)間；a、b、c 為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，在塑性變形中a=1，b=1，c=2。

1.2 預(yù)鍛有限元模型

通過(guò)三維UG 軟件對(duì)J11 型轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛上下模建模，并將文件另存為STL 格式，以便于導(dǎo)入Deform-3D軟件中，結(jié)果如圖1。在轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛過(guò)程中，鍛造工具主要由上模和下模組成，上模與下模承擊面相距136mm。

1.3 坯料幾何參數(shù)的選擇

圖1 預(yù)鍛有限元模型Fig.1 Finite element model of pre-forging

通過(guò)Deform-3D 軟件模擬坯料鐓粗、拔長(zhǎng)工序。鐓粗前坯料名義尺寸為Φ90 mm×175 mm，鐓粗工序后，坯料軸向尺寸由175 mm 鐓到135 mm。坯料拔長(zhǎng)過(guò)程中，每次拔長(zhǎng)時(shí)坯料必須翻轉(zhuǎn)90°，以防止坯料出現(xiàn)折疊現(xiàn)象。拔長(zhǎng)工序后，坯料大端呈現(xiàn)以底面半徑R=47 mm、高H大=90 mm、且中間突出的鼓形結(jié)構(gòu)，坯料小端是以底面邊長(zhǎng)b=50 mm 的正四邊形，高h(yuǎn)=125 mm 的長(zhǎng)方體，大端與小端中間由r=35 mm 過(guò)渡圓弧連接，且坯料軸向高度H軸=225 mm，如圖2。坯料材質(zhì)采用40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，其力學(xué)性能為斷后伸長(zhǎng)率δ5≥15%，抗拉強(qiáng)度σb≥735 MPa，屈服點(diǎn)σs≥540 MPa，斷面收縮率ψ ≥39%。

圖2 坯料零件圖和三維圖Fig.2 Part drawing and 3D drawing of Blank

1.4 初始條件和邊界條件的設(shè)置

1)初始條件

坯料材料為40Cr，定義為剛塑體，溫度為1 200 ℃，網(wǎng)格數(shù)量為60 000個(gè)；上下模具材料為5CrMnMo，定義為剛性體，預(yù)熱溫度250 ℃，網(wǎng)格數(shù)量為80 000個(gè)，模具硬度H=45，上模運(yùn)行速度v上=150 mm/s。上下模與坯料接觸面間的摩擦為剪切摩擦，摩擦系數(shù)定義為m=0.3。

2)邊界條件

熱鍛過(guò)程中，坯料表面存在與上下模的熱傳導(dǎo)、與周圍環(huán)境的熱對(duì)流和熱輻射在內(nèi)的三類熱邊界條件，坯料與上下模的熱傳導(dǎo)系數(shù)定義為11 N·(s·mm·℃)-1，坯料與環(huán)境的對(duì)流因子定義為0.2 N·(s·mm·℃)-1，坯料向四周的輻射系數(shù)定義為0.4 kW·(m2·K)-1；轉(zhuǎn)向節(jié)是由上下模不斷擠壓坯料而成形的，本文定義模擬步長(zhǎng)為0.5 mm，步數(shù)為284，當(dāng)上模運(yùn)行136 mm時(shí)停止運(yùn)行。

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 下模磨損深度的變化規(guī)律

在坯料溫度1 200 ℃、下模預(yù)熱溫度250 ℃、鍛錘工作速度150 mm/s、下模硬度45、摩擦系數(shù)0.3的條件下，實(shí)際熱鍛生產(chǎn)后的下模磨損深度如圖3。通過(guò)深度游標(biāo)卡尺測(cè)出下模最大磨損深度為0.5 mm，實(shí)際生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)約600件。由圖3可看出：轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛下模的磨損主要分布在標(biāo)注的方框區(qū)域，以此區(qū)域?yàn)榭疾鞂?duì)象，研究轉(zhuǎn)向節(jié)在熱鍛成形過(guò)程中下模磨損深度的變化規(guī)律。利用Deform-3D軟件對(duì)此轉(zhuǎn)向節(jié)預(yù)鍛下模進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果如圖4。

圖3 實(shí)際熱鍛生產(chǎn)后下模磨損深度分布Fig.3 Distribution of wear depth of lower die after actual hot forging production

圖4 下模磨損深度分布Fig.4 Distribution of wear depth of lower die

從圖4可知，下模磨損主要集中在飛邊槽、下模凹凸角及轉(zhuǎn)向節(jié)各部位的過(guò)渡圓角區(qū)域，而下模中心部位及轉(zhuǎn)向節(jié)下球銷磨損深度均較小。為進(jìn)一步研究下模磨損深度的變化規(guī)律，在預(yù)鍛下模表面選取7 點(diǎn)(P1～P7)進(jìn)行數(shù)值跟蹤，下模追蹤點(diǎn)位置分布如圖5，模擬結(jié)果如圖6。由圖6可看出：在轉(zhuǎn)向節(jié)成形的初始時(shí)期，下模7 個(gè)追蹤點(diǎn)磨損深度為0，這是由于上模與坯料剛接觸時(shí)，坯料的變形區(qū)域主要集中在與上模接觸的位置，坯料在下模的塑性流動(dòng)很小，摩擦幾乎為零，如圖7。隨著上模不斷運(yùn)行，坯料在下模內(nèi)開(kāi)始發(fā)生變形，P4點(diǎn)周圍區(qū)域最先發(fā)生磨損，即側(cè)臂與減震器部位間的過(guò)渡圓角區(qū)域。上模運(yùn)行至上下模全部接觸，追蹤點(diǎn)P1、P2、P6三點(diǎn)周圍區(qū)域的磨損深度相比P3、P4、P5、P7四點(diǎn)周圍區(qū)域，其磨損深度較大。這是由于P1、P2兩點(diǎn)分別處于飛邊槽及飛邊槽與減震器的過(guò)渡圓角區(qū)域，飛邊槽附近金屬材料的等效應(yīng)變較大，如圖8。而P6點(diǎn)處于三向壓應(yīng)力區(qū)域，使坯料與模具間的變形抗力增大，加大模具的磨損深度。根據(jù)下模最大磨損深度達(dá)到0.5 mm，實(shí)際生產(chǎn)的轉(zhuǎn)向節(jié)約600 件，即可近似得出生產(chǎn)一件轉(zhuǎn)向節(jié)時(shí)，下模最大磨損深度為0.833×10-3mm，其實(shí)際下模最大磨損深度與此模擬結(jié)果相似，另外P1、P2、P6三點(diǎn)周圍區(qū)域磨損深度較大，最易導(dǎo)致模具失效，影響模具的使用壽命。

圖5 下模追蹤點(diǎn)的位置Fig.5 Position of tracking point of lower die

圖6 下模追蹤點(diǎn)的磨損深度變化Fig.6 Wear depth variation of tracking point of lower die

圖7 P1、P2、P6的速度Fig.7 Velocity of P1、P2 and P6

圖8 P1、P2、P6的等效應(yīng)變Fig.8 Effective strain of P1、P2 and P6

2.2 工況參數(shù)對(duì)下模最大磨損深度的影響

2.2.1 下模預(yù)熱溫度

在坯料溫度1 200 ℃、上模運(yùn)行速度150 mm/s、下模硬度45、摩擦系數(shù)0.3的條件下，數(shù)值模擬下模預(yù)熱溫度下下模磨損深度的分布情況，結(jié)果如圖9。由圖9可看出，下模磨損分布區(qū)域基本一致，主要集中在飛邊槽區(qū)域，這是由于飛邊槽區(qū)域塑性流動(dòng)較大，加速模具磨損，但對(duì)于不同的下模預(yù)熱溫度，下模最大磨損深度存在明顯差異。下模預(yù)熱溫度對(duì)下模最大磨損深度影響的數(shù)值模擬結(jié)果如圖10。分析圖10可知：對(duì)于不同下模預(yù)熱溫度，下模最大磨損深度呈先減小后略微增大的變化規(guī)律，且存在一個(gè)最優(yōu)的下模預(yù)熱溫度(250 ℃)使得下模度關(guān)系式如下

圖9 不同下模預(yù)熱溫度時(shí)下模磨損深度分布Fig.9 Distribution of wear depth of lower die at different preheating temperatures

2.2.2 上模運(yùn)行速度

在坯料溫度1 200 ℃、下模預(yù)熱溫度250 ℃、下模硬度45、摩擦系數(shù)0.3的條件下，上模運(yùn)行速度對(duì)下模最大磨損深度影響的模擬結(jié)果如圖11。分析圖11 可知：下模磨損區(qū)域基本一致，但對(duì)于不同上模運(yùn)行速度，下模最大磨損深度存在明顯差異，上模運(yùn)行速度為150 mm/s 時(shí)，下模最大磨損深度為8.22×10-4mm；上模運(yùn)行速度為250 mm/s時(shí)，下模最大磨損深度為9.27×10-4mm，最大磨損深度增加約13%。

圖10 下模預(yù)熱溫度與下模最大磨損深度的關(guān)系Fig.10 Relationship between preheating temperature and maximum wear depth of lower die

圖11 不同上模運(yùn)行速度時(shí)下模磨損深度分布Fig.11 Distribution of wear depth of lower die with different upper die running speeds

上模運(yùn)行速度對(duì)下模最大磨損深度影響的數(shù)值模擬結(jié)果如圖12。分析圖12 可知：對(duì)于不同上模運(yùn)行速度，下模最大磨損深度呈先略微減小后增大的變化規(guī)律，且存在一個(gè)最優(yōu)的上模運(yùn)行速度(150 mm/s)使得下模最大磨損深度達(dá)到最小。這是由于當(dāng)上模運(yùn)行速度在50～150 mm/s 時(shí)，坯料與下模間的熱效應(yīng)更加顯著，致使坯料的可鍛性更好[11]，從而使下模最大磨損深度減少；當(dāng)上模運(yùn)行速度在150～250 mm/s 時(shí)，坯料與下模間的相對(duì)滑移增大，兩者間的摩擦加劇[12]，最終導(dǎo)致下模最大磨損深度增大。經(jīng)Origin軟件線性擬合的上模運(yùn)行速度與下模最大磨損深度值關(guān)系式為

圖12 上模運(yùn)行速度與下模最大磨損深度的關(guān)系Fig.12 Relationship between running speed of upper die and the maximum wear depth of lower die

3 結(jié) 論

運(yùn)用有限元軟件Deform-3D分析轉(zhuǎn)向節(jié)在熱鍛過(guò)程中下模磨損深度的變化規(guī)律，考察下模預(yù)熱溫度、上模運(yùn)行速度對(duì)下模最大磨損深度的影響，主要結(jié)論如下：

1)下模的磨損主要分布在飛邊槽、下模圓角區(qū)域；

2)下模預(yù)熱溫度在150～400 ℃的范圍內(nèi)，隨著下模預(yù)熱溫度的增大，下模最大磨損深度呈先減小后增大的變化規(guī)律，且存在一個(gè)最優(yōu)的下模預(yù)熱溫度(250 ℃)使得下模最大磨損深度達(dá)到最小；

3)上模運(yùn)行速度在50～250 mm/s的范圍內(nèi)，隨著上模運(yùn)行速度的增大，下模最大磨損深度呈先略微減小后增大的變化規(guī)律，且存在一個(gè)最優(yōu)的上模運(yùn)行速度即150 mm/s，使下模最大磨損深度達(dá)到最小。