控制臂表面損傷及模具磨損的影響因數(shù)分析

王道勇，葉桂宗，張文燦，李學軍

（佛山科學技術學院機電工程與自動化學院，廣東佛山528225）

隨著經(jīng)濟發(fā)展，汽車輕量化成為汽車發(fā)展的趨勢。近幾年來，鋁合金零部件被大量應用到汽車系統(tǒng)中，例如懸架、底盤、副車架、車身等。這些零部件結構復雜，一般都采用鍛造工藝完成，然而在鍛造過程中鍛件會出現(xiàn)一定程度的損傷，同時，模具也會磨損。模具磨損累積會影響后續(xù)的鍛件質量，因此提高鍛件質量和降低鍛造中模具的磨損是急需要解決的問題。

國內研究人員通過仿真軟件分析了鍛造、擠壓、軋制等金屬體積成形及成形中微觀組織變化，探討了模具磨損及疲勞壽命等問題。王道勇［1］采用Deform-3D分析了6082鋁合金控制臂的制造工藝方案，以及不同摩擦系數(shù)對模具載荷和鍛件損傷及等效應力的影響，研究了不同應變速率對鍛件等效應力的影響，探討了固溶時間對控制臂強度的影響，為汽車不同種類控制臂的實際工藝方案制定、模具設計和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)和分析方法。苗培壯［2］從模具材料改性和成形工藝參數(shù)優(yōu)化兩個角度，闡述了提高模具耐磨性、減少模具磨損及延長模具使用壽命的一些措施。姬金金［3］以某曲軸為例，采用有限元模擬軟件，分析了預熱溫度對材料成形及模具磨損的影響。周杰［4］采用Archard磨損模型模擬分析了模具硬度、初始溫度及潤滑條件在一次成形后對模具磨損的影響規(guī)律。李偉偉［5］基于修正Archard磨損模型，采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)分析了GH4169合金反擠壓成形過程中各擠壓工藝參數(shù)對模具磨損的影響規(guī)律。李寶聚［6］針對某差速器蓋熱鍛模制造，基于修正的Archard磨損模型，應用有限元模擬軟件Deform分析了坯料和模具預熱溫度以及成形速度對終鍛模磨損的影響規(guī)律。宋宇［7］通過高溫硬度試驗、高溫高速摩擦磨損試驗獲得H13熱作模具鋼磨損量與磨損因子預測模型，建立了摩擦因子隨溫度變化的預測模型，獲得了磨損量與磨損因子、模具硬度的關聯(lián)模型，為H13熱作模具鋼擠壓過程的模具磨損精確預測提供了數(shù)據(jù)支撐。謝暉［8］基于Archard理論，運用有限元軟件對熱沖壓過程進行了數(shù)值模擬分析，通過改變熱沖壓工藝參數(shù)，獲取模具磨損量隨沖壓速度及板料初始成形溫度變化的規(guī)律。黃炳林［9］基于磨損試驗的狀況建立微觀尺度下磨損行為的有限元分析模型，研究熱成形模具滑動磨損行為及關鍵參數(shù)對磨損行為的影響規(guī)律。通過建立宏觀尺度下模具磨損預測的有限元模型，模擬服役過程模具的磨損歷程，并估算模具壽命，研究成形工藝參數(shù)對模具磨損及壽命的影響規(guī)律。

本文以一款汽車鋁合金控制臂為研究對象，控制臂樣件的外形輪廓如圖1所示。在文獻［1］的基礎上，針對鍛造過程中出現(xiàn)的鍛件損傷及模具磨損等問題，基于有限元Deform-3D分析方法［10-11］，對工藝方案中最后鍛造過程進行模擬，分析不同模具起始溫度對鍛件損傷和上模磨損的影響，研究不同的鍛壓速率對鍛件損傷和上模磨損的影響，探討不同的摩擦系數(shù)對上模磨損的影響。

圖1 控制臂輪廓

1 控制臂鍛造的有限元分析

在該鍛造工藝中，以JA55-2500T壓力機為鍛造設備，鍛件材料為6082鋁合金，鍛件溫度選擇為490℃，輥鍛、終鍛模具溫度分別為120℃和250℃。在熱邊界條件中，坯料與模具的熱傳導系數(shù)為11 N/（s·mm·℃），坯料與環(huán)境的熱對流系數(shù)為0.02 N/（s·mm·℃），熱傳導系數(shù)為 0.02 W/m2，模具皆選用 H13模具鋼。將折彎后的鍛件導入終鍛模具中，并對上模網(wǎng)格劃分，上模劃分為200 000個單元，最小單元尺寸為1.7653 4 mm，如圖2所示。

在Deform-3D中，設定摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數(shù)為0.3。設置鍛壓速率為230 mm/s，根據(jù)模具運動行程，設定模具步距和步數(shù)。根據(jù)DeformM-3D有限元計算分析方法，對控制臂成形過程進行模擬。在Deform-3D中，采用共軛梯度法求解器進行計算模擬，并對計算結果進行分析。

圖2 鍛造上模

1.1 鍛件損傷分析

損傷是衡量鍛件成形質量的重要因素，在實際的鍛造過程中，諸多因素會影響鍛件的損傷。本文從模具起始溫度和鍛壓速度著手，分析鍛件損傷的影響。磨損深度可表示為

其中，W為磨損深度；P為模具表面正壓力；v為滑動速度；H為模具材料的洛氏硬度；t為時間；a、b、c均為修正因數(shù)，對于模具鋼而言，一般取a=1，b=1，c=2；k為與材料性質相關的磨損因數(shù)，其值為2×10-6。

1.1.1 模具溫度對鍛件損傷的影響

在鍛造過程中，模具溫度和鍛造鍛件的溫度差會影響鍛件質量。因此，在鍛造前，一般會先對鍛造模具進行預熱。一般模具預熱溫度在150～350℃之間，現(xiàn)主要分析當模具溫度分別為150、200、250和300℃時，鍛件等效應力和鍛件損傷。

模具溫度與鍛件等效應力的關系如圖3所示。由圖3可知，在鍛造過程中，隨著模具溫度升高，鍛件等效應力逐漸減少。這是由于隨著模具溫度升高，模具與鍛件溫度差減少，減少了鍛壓過程中上模具與鍛件接觸導致鍛件表面溫度下降，鋁合金流動均勻，鋁合金變形抗力減少。當溫度為300℃時，鍛壓時潤滑條件由于局部溫度過高而變差。同時，變形過程中摩擦力也隨之增加，等效應力會出現(xiàn)劇烈波動。當模具溫度為250℃時，等效應力最小。

模具溫度與鍛件損傷的關系如圖4所示。由圖4可知，當上模溫度為150℃時，上模溫度與鍛件的溫度差較大，在上模擠壓鍛件時，鍛件表面與上模熱傳導，導致鍛件表面溫度下降，使得鋁合金流動不均勻，鍛件不能很好地填充模具，出現(xiàn)裂紋。隨著溫度升高，鍛件損傷逐漸減少，上模溫度為250℃時，鍛件損傷達到最小值。當上模溫度繼續(xù)上升，由于在鍛造過程中，模具與鍛件之間摩擦會產(chǎn)生大量摩擦熱，導致鍛造時模具與鍛件之間的溫度會不斷升高，潤滑環(huán)境被破壞，鍛件與上模的磨損加劇，從而導致最終鍛件表面損傷增大。

圖3 模具溫度與鍛件等效應力的關系

圖4 模具溫度與鍛件損傷的關系

1.1.2 鍛壓速率對鍛件損傷的影響

為分析鍛壓速率對鍛件質量的影響規(guī)律，計算分析了當鍛壓速率分別為110、140、170、200、230和260 mm/s時，鍛件的等效應力和鍛件表面的損傷大小。

鍛件等效應力與鍛壓速率的關系如圖5所示。由圖5可知，隨著鍛壓速率增加，鍛件的變形抗力增加。表明鍛壓速率越大，鍛件所受等效應力也越大，當鍛壓速率為230 mm/s時，加工硬化和動態(tài)軟化相互平衡，等效應力較小。

鍛壓速率與鍛件損傷的關系如圖6所示。由圖6可知，當鍛造速率為110 mm/s時，由于鍛壓速率較低，材料的應變速率較小，但較小的應變速率會導致材料流動慢，變形不均勻，鍛件表面損傷值增加。當鍛壓速率增加時，材料應變速率變大，鍛壓時間變短，加工硬化占據(jù)主導作用，鍛件所受等效應力也會變大，導致鍛件表面損傷值增大。當鍛壓速率介于170～230 mm/s時，鍛件表面損傷值有所下降，這是由于鍛壓速率的升高，材料的應變速率變大，材料在該速率范圍內流動均勻。當鍛壓速率大于230 mm/s時，由于鍛壓速率升高，鍛件的等效應力升高，材料在局部區(qū)域出現(xiàn)變形不均勻，加之鍛造時間變短，鍛件的局部由于摩擦出現(xiàn)大量熱量使得鍛件表面出現(xiàn)燒傷，鍛件表面損傷值上升。

圖5 鍛壓速率與鍛件等效應力關系

圖6 鍛壓速率與鍛件損傷的關系

1.2 上模模具磨損分析

1.2.1 模具溫度對上模磨損的影響

當模具溫度分別為150、200、250和300℃時，上模載荷和上模磨損分別如圖7和8所示。

由圖7可知，上模載荷隨初始溫度升高而降低，當溫度為250℃時上模載荷達到最小值，主要是由于此時模具與鍛件的溫度差減少，鍛壓過程中上模與鍛件接觸導致鍛件表面溫度下降不大，材料整體流動均勻，上模載荷減小。當溫度為300℃時，鍛壓時潤滑條件變差，上模載荷有變大的趨勢。

由圖8可知，在鍛造過程中，上模溫度150℃時，隨著模具初始溫度增加，模具磨損逐漸增加。當模具溫度為200℃時模具損傷逐漸減小，當模具溫度為250℃時模具所受載荷達到最小值。模具溫度介于150～250℃時上模磨損變化不大。當上模溫度大于250℃時，隨著溫度升高，模具磨損開始逐漸變大，主要是當模具溫度較高時，在鍛造過程中，模具與鍛件之間摩擦也會產(chǎn)生大量摩擦熱，導致模腔溫度將會不斷升高，模腔的潤滑條件被破壞，導致摩擦系數(shù)變大，因此模具磨損也變大。

圖7 模具溫度與上模載荷的關系

圖8 模具溫度與上模磨損的關系

1.2.2 鍛壓速率對上模磨損的影響

鍛壓速率分別為110、140、170、200、230和260 mm/s時，上模具磨損如圖9所示。由圖9可知，當鍛壓速率在110 mm/s時，隨著鍛壓速率的增加，上模磨損也逐漸增大。主要是由于鍛壓速率變大，鍛件的應變速率也增大，材料變形不均勻性增加，材料的抗變形力也逐漸上升，上模所受載荷也逐漸增加，導致上模磨損增大。當鍛壓速率大于170 mm/s時，上模磨損逐漸下降，230 mm/s時達到低點，主要是材料在該速率范圍內變形均勻，上模磨損逐漸減少。當鍛壓速率超過230 mm/s時，模具磨損逐漸上升，是由于當鍛壓速率變大時，材料應變速率變大，鍛壓時間變短，鍛件加工硬化占據(jù)主導作用，等效應力逐漸變大，上模所受等效應力變大，導致上模磨損增大。綜上所述，當鍛壓速率為110 mm/s時，上模磨損最小。

1.2.3 摩擦系數(shù)對上模磨損的影響

為分析上模磨損與摩擦系數(shù)的關系，設置摩擦系數(shù)0.3、0.5、0.7和0.9分別計算分析上模磨損的大小，如圖10所示。由圖10可知，摩擦系數(shù)越大時，上模磨損增加。當摩擦系數(shù)變大時，會出現(xiàn)材料局部流動不均勻，導致鍛件變形不均勻。同時鍛造時產(chǎn)生的摩擦熱使得潤滑條件惡化，導致在整個鍛壓過程中工件與上模的摩擦系數(shù)增大，模具摩擦力和材料變形抗力增加，上模所受載荷逐漸增大，使上模的磨損也逐漸增大，造成模具疲勞損壞。因此為了減少模具磨損，鍛壓應提供良好的潤滑條件。

圖9 鍛壓速率與上模磨損的關系

圖10 摩擦系數(shù)與上模磨損關系

2 小結

以一款采取輥鍛-彎曲-模鍛（鍛造）的工藝方案的6082鋁合金控制臂為研究對象，采用DEFORM-3D對控制臂鍛造成形過程進行了模擬，通過模擬計算分析可知：當模具溫度為250℃時，鍛件及上模具的損傷最小，鍛件和上模所受的等效應力最小。鍛壓速率分別為230和110 mm/s時，鍛件和上模具的磨損最小。當摩擦系數(shù)為0.3時，模具的損傷最小。