沖頭速度對(duì)球銷座熱鍛成形工藝研究

羅 若 ， 趙博寧 ， 李國(guó)堅(jiān)

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝備制造學(xué)院，廣西 柳州 545616；2.柳州五菱汽車工業(yè)公司，廣西 柳州 545007）

轉(zhuǎn)向球銷座是焊接在下擺臂總成上，用于安裝轉(zhuǎn)向球銷的零件，如圖1所示。車輛通過(guò)下擺臂總成保持轉(zhuǎn)向節(jié)和車架的剛性連接，車輛在轉(zhuǎn)向的時(shí)候轉(zhuǎn)向球銷在球銷座上多角度地旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)得以平順轉(zhuǎn)向，保證在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪運(yùn)動(dòng)軌跡符合同向性要求，保證行駛和轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和可靠性[1]。在車輛行駛過(guò)程中，車輪承受的車載重量和地面沖擊通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)傳遞到轉(zhuǎn)向球銷，球銷座承受著通過(guò)轉(zhuǎn)向球銷傳遞的垂直反力、縱向反力、側(cè)向反力以及轉(zhuǎn)向球銷的運(yùn)動(dòng)摩擦，對(duì)球銷座的抗沖擊變形和抗磨能力有很高的要求，對(duì)球面精度要求較高[2]。

圖1 球銷座

1 球銷座熱鍛工藝

1.1 球銷座結(jié)構(gòu)

本文所研究的球銷座結(jié)構(gòu)如圖1所示。在實(shí)用熱鍛模設(shè)計(jì)與制造中查表熱模鍛壓力機(jī)鍛件分類得知，球銷座屬于圓形類零件，球銷座頭部直徑為Φ41.5 mm，最大直徑為Φ42.9 mm，整體高度為61 mm，內(nèi)部中空空間的深度為30 mm，為軸對(duì)稱零件，整體呈圓柱形狀，適用于閉式鍛模進(jìn)行鍛造[3]。

1.2 成形方案

球銷座材料為調(diào)質(zhì)處理的45號(hào)鋼，該型號(hào)的鋼屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有一定的耐磨性，屈服強(qiáng)度為355 MPa，強(qiáng)度較高，冷塑性一般，在高溫下鍛造性較好[4]。常溫下，球銷座的質(zhì)量m為1.23 kg，體積V為29 662.557 mm3。根據(jù)閉式鍛模不產(chǎn)生飛邊的特征可知，鍛造后質(zhì)量和體積不變，依據(jù)體積不變?cè)瓌t[5]，應(yīng)控制毛坯高度h為25 mm，毛坯直徑d為Φ44 mm。鍛造球銷座的毛坯為圓柱毛坯，采用兩次模鍛成形，如圖2所示。本文主要研究第一道工序的熱鍛成形過(guò)程。

圖2 成形方案

2 熱鍛過(guò)程分析

2.1 有限元模型建立

建立第一道工序鍛模的凸模、凹模、毛坯。由于GB45鋼與AISI-1045鋼材料性能相似，在DEFORM中選用AISI-1045作為球銷座閉式鍛模毛坯和預(yù)鍛后工件的材料，并定義鍛造過(guò)程中發(fā)生形變的工件為塑性體，不發(fā)生形變的凹模和凸模為剛性體[6]。

熱鍛成形工藝：將加熱后的坯料放置在模具中部，上沖頭抵接于坯料端部，上沖頭抵接于端部的外徑處，鍛壓機(jī)對(duì)上沖頭施加大小為V左的擠壓速率。通過(guò)對(duì)鍛造過(guò)程的分析，需要考慮鍛件的尺寸以及鍛造材質(zhì)的特性[7]。本文擬定了熱鍛工藝參數(shù)：坯料直徑為44 mm，長(zhǎng)度為25 mm，拔模斜度為3°，坯料的加熱溫度為900 ℃~1 200 ℃，模具溫度為常溫，換熱系數(shù)為2 400 W/(m2·℃)，沖頭進(jìn)給速率為5 mm/s~30 mm/s。

2.2 沖頭速度對(duì)鍛件成形質(zhì)量的影響

為了探究沖頭速度對(duì)鍛件成形質(zhì)量的影響，主要從鍛造過(guò)程中金屬的流速分布、溫度分布、應(yīng)力分布規(guī)律來(lái)分析[8]。

2.2.1溫度分布

圖3為不同速度下成形工藝的溫度分布云圖。從圖3的溫度場(chǎng)可以看出，在同樣的始鍛溫度下進(jìn)行鍛造時(shí)，v=10 mm/s的鍛件溫度為最低，這說(shuō)明沖頭速度越慢對(duì)鍛件溫度降低的影響越小。坯料中間和飛邊邊緣具有較高的溫度，坯料與上模和下模之間接觸部分的溫度較低。由于為熱沖孔，金屬流動(dòng)主要是向上移動(dòng)，溫度越高，流動(dòng)越快。從圖3可以看到，隨著速度的增加，坯料上端的溫度越來(lái)越高。

圖3 鍛件的溫度分布圖

2.2.2流速分布

圖4為不同速度下鍛件的金屬流速分布云圖。從圖4可以看見(jiàn)，金屬的最大流動(dòng)速度比沖頭的設(shè)定速度都大，流動(dòng)方向與預(yù)設(shè)方向相同，在沖頭底部，金屬流動(dòng)速度最大，超過(guò)沖頭流動(dòng)的速度，但是此處的等效應(yīng)力和應(yīng)變值較小。這說(shuō)明該部分金屬主要發(fā)生剛性平移。隨著沖頭速度的增加，金屬流動(dòng)的速度增大[9]。

2.2.3最大主應(yīng)力分布

圖5為不同速度下鍛件的最大主應(yīng)力分布云圖。圖6為應(yīng)變等效分布云圖。對(duì)比三個(gè)圖可以看到，v=20 mm/s時(shí)的平均主應(yīng)力最大和應(yīng)變最大，此時(shí)金屬成形越好，v=10 mm/s和v=30 mm/s明顯填充效果不充分，成形效果不好[10]。

圖5 鍛件的最大主應(yīng)力分布圖

圖6 鍛件的應(yīng)變分布圖

3 結(jié)論

本文對(duì)球銷座鍛造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了的模擬模型，分析了不同沖頭速度下該成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)情況，坯料變形時(shí)的應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、最大主應(yīng)力、速度場(chǎng)的變化情況。對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，并非沖頭速度越大，成形效果越好。成形工藝方案的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度場(chǎng)分布都更均勻，載荷也更小，有利于延長(zhǎng)模具壽命，為球銷座的實(shí)際生產(chǎn)提供了參考。