基于有限元的汽車扭臂熱鍛工藝研究＊

張英杰 ， 楊佳明 ， 許天航

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

汽車扭桿力臂是翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中重要的傳力零件，主要采用熱模鍛成形，其模具在生產(chǎn)時(shí)，反復(fù)被加熱、冷卻并受較大沖擊力作用，模具極易失效。本文研究時(shí)使用Deform-3D軟件對(duì)汽車扭桿力臂終鍛工藝過程進(jìn)行模擬仿真，分析應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的分布狀態(tài)及金屬變形（流動(dòng)）狀態(tài)等，分析汽車扭桿力臂模具磨損情況，預(yù)測(cè)模具壽命，為熱鍛時(shí)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率提供依據(jù)[1-4]。

1 汽車扭桿力臂工藝性

本文研究對(duì)象是某公司所生產(chǎn)的汽車扭桿力臂熱鍛模具，扭桿力臂如圖1所示，該鍛件結(jié)構(gòu)為彎曲形狀，具有一定的空間結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品尺寸精度要求一般，鍛造時(shí)具有一定的難度。鍛件材料為45鋼，具有良好的力學(xué)性能，適合熱鍛加工。生產(chǎn)時(shí)主要工序有自由鍛造、熱彎曲、熱模鍛、切邊，最后進(jìn)行機(jī)加工。

2 建立汽車扭桿力臂熱模鍛模型與模擬

用Creo軟件完成三維模型的創(chuàng)建，將模型以stl格式導(dǎo)出并導(dǎo)入DEFORM-3D 軟件前處理中，建立數(shù)值模擬模型，有限元模型如圖2所示。坯料為塑性體模型，上模和下模為剛性體模型，模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，上模、下模和坯料均劃分為32 000個(gè)，毛坯的最小網(wǎng)格為0.15mm，上、下模材料為H13，該材料在成形過程中當(dāng)模具溫度升高后仍有較高的強(qiáng)度和耐磨性。毛坯在自由鍛和彎曲時(shí)所用時(shí)間不超過20s，熱模鍛時(shí)毛坯在下模停留時(shí)間不超過5s，然后進(jìn)行熱鍛成形。熱鍛時(shí)所用參數(shù)如表1所示。

圖2 有限元模型

表1 熱鍛工藝參數(shù)

3 有限元模擬結(jié)果

3.1 上模載荷分析

由于上模結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，表面質(zhì)量更好，因此將上模作為主模具，這樣有利于簡(jiǎn)化整體鍛壓分析過程。圖3所示為上模載荷圖，可以看出在初始變形階段，圖形曲線上升趨勢(shì)平緩，此時(shí)坯料基本處于X向的單向應(yīng)力作用下，模腔還未被充滿，金屬材料流動(dòng)較自由，所承受的載荷、應(yīng)力較小。當(dāng)凸模行程至25mm時(shí)，載荷開始變大，正好是扭桿力臂變形進(jìn)入最后階段，此時(shí)扭桿力臂由單向受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞驊?yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，坯料大部分已充填入模腔，進(jìn)入塑性變形階段，金屬材料流動(dòng)變化加劇，載荷在短時(shí)間內(nèi)由1.1×106N上升至3.25×107N。在圖示的最后階段，載荷情況又有了一個(gè)突變，這正好是由于多余坯料在壓力作用下對(duì)模具的拐角、臺(tái)階等處進(jìn)行補(bǔ)充，致使材料流動(dòng)劇烈。所以在鍛造最后階段若扭桿力臂有原始裂紋再加上突增的沖擊載荷、熱疲勞載荷及高溫腐蝕等多種不利因素，就容易使裂紋進(jìn)一步延伸，最終導(dǎo)致產(chǎn)品成為廢品。

圖3 上模行程—載荷曲線

3.2 扭力臂的應(yīng)力應(yīng)變

鍛壓過程中，工件在模具型腔中發(fā)生塑性變形，可以通過應(yīng)力應(yīng)變分析鍛造時(shí)的變形情況，還可以為成形缺陷的產(chǎn)生提供依據(jù)[5-6]。圖4所示為熱鍛時(shí)扭力臂等效應(yīng)變圖，反映了毛坯的最終變形程度。圖5所示為熱鍛時(shí)扭力臂最大主應(yīng)力圖，反應(yīng)毛坯在熱鍛時(shí)可能出現(xiàn)裂紋的地方。從兩圖中可以看出熱鍛結(jié)束后扭力臂變形平緩，毛坯金屬的應(yīng)力應(yīng)變分布比較均勻。鍛件四周具有一定的飛邊產(chǎn)生，飛邊主要集中在毛坯的大頭位置處，從飛邊大小看，所選擇的棒料尺寸是合理的，最大應(yīng)變及最大主應(yīng)力也主要分布在飛邊處，該處對(duì)扭桿力臂質(zhì)量影響不大，通過后續(xù)的切邊工序?qū)⑵淝谐齕7-9]。

3.3 溫度場(chǎng)

毛坯在經(jīng)過自由鍛和熱彎曲過后的溫度在973℃～1 128℃，通過最后的熱鍛模擬分析可知，由于鍛造過程快，變形時(shí)間短，變形主要集中在大頭部位，且該處也有較多的變形熱產(chǎn)生，不能通過模具及時(shí)傳遞出去，因此該部位維持的溫度較高，這些熱能有利于毛坯材料的金屬流動(dòng)和塑性變形。圖6所示為熱鍛后扭桿力臂溫度云圖。

圖4 扭桿力臂等效應(yīng)變圖

圖5 扭桿力臂最大主應(yīng)力圖

圖6 熱鍛后扭桿力臂溫度云圖

4 結(jié)論

1）通過有限元數(shù)值模擬分析了扭桿力臂熱鍛成形工藝，成形過程中的上模載荷剛開始比較平緩，隨著凸模行程的增加載荷加大。應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布比較均勻，塑性變形可靠。毛坯熱鍛后具有一定的飛邊。溫度最高的位置分布在產(chǎn)品橫向尺寸最大處，這有利于金屬流動(dòng)。

2）通過模擬分析可知，鍛件四周的飛邊大小合理，塑性變形均勻，說明熱鍛工藝參數(shù)選擇合適，對(duì)于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)具有一定的意義。