轎車左轉向節鍛造工藝的模擬研究

楊棟，陳文琳，張金鵬，周瑞

(合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

轉向節是汽車底盤上的關鍵件，力學性能要求高，形狀復雜，成形難度大[1-4]。在鍛造工藝設計中，如制坯過程設計與制坯操作得當，得到的制坯件體積分配合理，表面光順平滑，不僅有利于鍛件順利成形，避免缺陷，還可以節省材料，飛邊相對較小，提高模具壽命，將優質與低耗統一起來[5-8]。文中針對某轎車左轉向節的結構特點，通過工藝分析與工藝計算，借助三維有限元軟件對鍛件的成形工藝過程進行數值模擬，獲取金屬流動規律以及載荷、應力、應變等信息，對于縮短模具設計時間，指導設備選型，避免零件缺陷，降低生產成本都有重要意義[9-11]。

1 工藝設計

汽車左轉向節是控制汽車前輪轉向的安保件[1，6]，其鍛件如圖1所示。可以看出，此轎車左轉向節是帶細桿的叉形件，同時兼有叉類、盤類和桿類零件的特點。中間一段異形法蘭高而窄，寬度較大，截面沿軸向的變化很劇烈，頭部兩端分出2個枝杈，而且其中一個枝杈細長，另外一個枝杈薄而長，在末端又變厚，形狀復雜，成形難度大。在成形過程中，頭部及其枝杈處金屬流動復雜，頭部兩側的枝杈長而窄，不易充滿，桿部較長且截面積較小，桿部不易充滿，飛邊較厚，在鍛件周圍分布不均勻，材料利用率低，因此，鍛件成形的關鍵在于保證終鍛前坯料的合理分配。材料為40Cr，鍛件質量為6.5 kg。生產廠家的鍛造設備為1 t自由鍛錘和16000 kN摩擦壓力機，要求一次成形。

圖1 轉向節鍛件Fig.1 Forging of knuckle

轉向節為形狀復雜的帶頭部的長軸類零件，汽車轉向節鍛件毛坯直徑的計算如圖3所示[2]。

根據繁重系數選擇制坯工藝，繁重系數α，β的計算公式為[3]:

圖2 轉向節三維圖Fig.2 3D Forging of knuckle

圖3 計算毛坯直徑Fig.3 Preform diameter calculation

式中:dmax為計算毛坯最大直徑;Lj為計算毛坯長度;Lg為桿部長度;dg，dm分別為頭部、桿部分界處的拐點直徑和計算毛坯平均直徑;K為毛坯錐度。

α越大，流入頭部的金屬越多;β越大，金屬沿軸向流動越大。根據上述計算值查經驗工藝表[4]，以及現有的生產鍛件條件，采用自由鍛制坯，摩擦壓力機終鍛成形的工藝。選擇的工藝流程為:頭部鐓粗—桿部拔長—預鍛—終鍛。

設計時應考慮以下幾點。

1)頭部鐓粗是為了滿足轉向節頭部2個耳朵的用料，得到合理的材料分配。

2)桿部拔長是為了滿足細長桿部的用料，避免終鍛時桿部缺料。

3)預鍛型腔設計是為了使頭部聚料效果明顯，使其在終鍛時頭部的2個耳朵能夠充滿型腔。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

有限元模型中，工件定義為塑性材料模型40Cr，模具定義為剛性材料，設定坯料初始溫度為1180℃，模具初始溫度為250℃[5]，取剪切摩擦因子為0.3。建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型Fig.4 FEM Model

2.2 有限元模擬結果分析

經過計算，所選原始毛坯尺寸為φ90 mm×170 mm，用圖4所示的有限元模型模擬的預鍛件坯料形狀如圖5所示，終鍛成形如圖6所示。

圖5 制坯工藝模擬成形Fig.5 Preform simulation

圖6 終鍛成形結果Fig.6 Finish forging results

2.2.1 應力應變分析

模擬結果如圖7所示。應力場分析可作為選擇成形設備、校核模具強度的依據[3，7]。從圖 7中可以看出，終鍛時應力分布相對比較均勻，應力較大的地方為頭部的2個耳朵處和桿部截面尺寸變化劇烈處，最大應力達120 MPa。由于頭部尺寸較大，而且在制坯時已經基本成形，所以終鍛時應力最小只有50 MPa左右。從應變分布可知，在桿部飛邊處應變最大，這是由于閉模階段桿部的飛邊較大，導致多余金屬向外的流動變形都集中在飛邊處。

圖7 等效應力應變分布Fig.7 Effective stress and strain

2.2.2 載荷分析

終鍛變形曲線如圖8所示，初期比較平緩，由于這時金屬處于充填模膛階段，因此變形力較小。當模膛充填逐漸完成后，金屬主要向飛邊橋部流出。此時，由于飛邊厚度進一步減薄，多余金屬由橋部流出的阻力很大，使得變形抗力急劇增大。這個過程一直持續到變形結束，最終壓力最大值達到14000 kN。

圖8 終鍛力-時間曲線Fig.8 Load-stroke curve of finish forging

3 結語

1)從等效應力應變場分析，各工序變形較為均勻，應力變化正常，沒有出現破壞現象。

2)從成形效果上看，最終鍛件完全充滿終鍛模膛，沒有出現缺料、折疊等缺陷，而且飛邊均勻。

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