基于Deform-3D的汽車擺臂輥鍛制坯模擬優化研究

趙翔，李萍

(1.安徽工程大學現代教育技術中心，安徽 蕪湖 241000;2.合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥 230009)

汽車擺臂通過球形鉸鏈或襯套把車輪與車身進行彈性連接，是汽車懸架系統中非常重要的導向和傳力元件。由于結構比較復雜，鋁合金汽車擺臂鍛件多采用自由鍛制坯，存在勞動條件差、生產效率低和廢品率高等缺點，很難滿足大規模生產的需求。由于輥鍛工藝具有生產效率高、省力和勞動環境好等優點，因而不少生產商和研究者將汽車擺臂制坯工藝改進的目光投射到了輥鍛工藝上。

1 汽車擺臂的結構特點及工藝分析

如圖1所示，汽車擺臂件具有彎曲軸線的非對稱工字型截面，腹板較薄，類似最長邊被彎曲的三角形[1]，材料為6061鋁合金。左端和中部各有一圓柱形凸臺，橫截面最大部分位于鍛件中部凸臺處，最小部分位于鍛件右柄。三角形的2條短邊長分別約為360 mm和335 mm，鍛件最大跨度約為560 mm，中間凸臺高約為45 mm。該件尺寸較大，屬于扁平件，其工藝流程為:下料—中頻感應加熱—輥鍛制坯—彎曲—壓平—開式模鍛—切邊。計算毛坯如圖2所示。

圖1 汽車擺臂鍛件Fig.1 Automobile swing arm forging diagram

圖2 計算毛坯Fig.2 Preform configuration drawing

原始棒料的直徑按公式(1)確定[2]:

式中:F0=1.1 ×Fmax，Fmax為最大截面積。

原始毛坯長度按公式(2)確定[2]:

式中:V為鍛件(含飛邊)體積。

考慮到夾鉗料頭的長度不得小于坯料直徑的1/2[3]，結合該鍛件的結構特點，夾料頭部分可為左凸臺段，原始坯料尺寸選定為φ80 mm×276 mm。輥鍛道次數按公式(3)確定[3]:

式中:λz為總延伸系數，λz=F0/Fmin，F0為原始毛坯截面積，Fmin為輥鍛毛坯中最小橫截面積;λp為平均延伸系數。取 λp=1.67，λz=4.65，則 N≈3，即按 3個道次進行輥鍛。考慮到各型槽系對坯料的延伸能力以及坯料在型槽中的穩定性，選取橢圓-方-箱型槽系[4]，采用逆向送料、中間咬入的方法進行輥鍛制坯[5]。第1道次后，坯料翻轉90°進入第2道次，第2道次后，坯料翻轉45°進入第3道次。

2 輥鍛制坯模擬結果及優化

2.1 模擬試驗方案

利用Deform-3D軟件，對輥鍛制坯過程進行有限元模擬試驗[6]。考慮模具預熱溫度、坯料溫度和模具轉速等3個因素對模具徑向載荷峰值的影響。為減少試驗次數，采用正交試驗方法[7]，每個因素取3個水平，具體見表1。

表1 試驗因素水平Table1 Table of experimental factors and levels

2.2 試驗結果及優化[7]

2.2.1 第1 道次

表2數據表明:在將圓形坯料輥鍛成橢圓形坯料的過程中，模具溫度、坯料溫度和模具轉速這3個因素對模具徑向載荷影響的大小順序依次為模具溫度、模具轉速和坯料溫度，其中，坯料溫度和模具轉速的影響顯著。從9個正交試驗點可得出較為優化的工藝參數組合:模具溫度為20℃，坯料溫度為480℃，模具轉速為0.75 rad/s。即在生產條件允許的情況下，模具在室溫狀態下，提高坯料的溫度，降低模具的轉速，有利于降低模具徑向載荷，優化后的模具徑向載荷如圖3a所示。

表2 第1道次模擬正交試驗直觀分析Table2 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in first pass

2.2.2 第 2 道次

表3數據表明:在將橢圓形坯料輥鍛成方形坯料的過程中，模具溫度、坯料溫度和模具的轉速這3個因素對于徑向載荷的峰值都無突出的影響，影響的大小順序依次為坯料溫度、模具的轉速、模具溫度。從9個正交試驗點可得出較為優化的工藝參數組合:模具溫度為20℃，坯料溫度為480℃，模具轉速為1.25 rad/s。即在生產條件允許的情況下，模具在室溫狀態下，提高坯料的溫度，合適的模具轉速，對降低載荷有利，優化后模具徑向載荷如圖3b所示。

表3 第2道次模擬正交試驗直觀分析表Table3 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in second pass

2.2.3 第3 道次

表4數據表明:在將方形坯料輥鍛成矩形坯料的過程中，模具溫度、坯料溫度和模具的轉速這3個因素對于載荷的影響順序依次為模具的轉速、模具預熱溫度和坯料溫度，沒有特別突出的影響因素。從9個正交試驗點可得出較為優化的工藝參數組合:模具溫度為100℃，坯料溫度為440℃，模具轉速為0.75 rad/s。即在生產條件允許的情況下，合適的模具預熱溫度，降低坯料的溫度，降低模具轉速，有利于減小輥鍛過程中的載荷，優化后模具徑向載荷如圖3c所示。

表4 第3道次模擬正交試驗直觀分析表Table4 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in third pass

2.2.4 各道次輥鍛力矩分析[6]

輥鍛力矩是選用輥鍛機的重要依據，根據輥鍛力矩可以確定電動機功率。優化后各道次力矩的變化曲線如圖4所示，將之與模具徑向載荷圖對比分析可知，各道次型槽不同，力矩變化曲線也有較大變化，力矩曲線峰谷變化規律與模具徑向載荷圖相似，坯料中段的兩側是模具徑向載荷和力矩變化最劇烈的地方。

圖3 優化后各道次的模具徑向載荷Fig.3 Rodial load on die in each pass after optimiscation

圖4 各道次力矩Fig.4 Torque on die in each pass

3 擺臂輥鍛后終鍛模擬結果

從汽車擺臂模鍛的損傷因子分布和等效應變分布(如圖5所示)可以看出，模鍛件總體充填飽滿，但在三角形長邊的中間部分飛邊很少。從鍛件的整體來看，飛邊并不均勻。這說明在模鍛成形時，飛邊增加了金屬外流阻力，迫使金屬更好地充填型腔。鍛件三角長邊的中部是材料流動最難到達的地方，充型困難。

圖5 終鍛件損傷因子分布和等效應變分布Fig.5 Damage and strain-effective distribution of the finish forging

4 結語

通過對汽車擺臂的輥鍛制坯過程進行有限元模擬，以探求降低輥鍛過程中成形載荷的途徑，對于延長模具使用壽命，降低設備能耗，提高經濟效益，以及實際生產具有一定的借鑒意義。

[1]李曉東，李萍，薛克敏.汽車控制臂輥鍛制坯開式模鍛成形工藝研究[J].金屬加工(熱加工)，2011(7):44.

[2]夏巨諶.鍛模與粉末冶金模設計(中國模具工程大典，第4卷)[M].北京:電子工業出版社，2003:604.

[3]中國機械工程學會塑性工程學會.鍛壓手冊(第1卷)鍛造[M].北京:機械工業出版社，2007:722.

[4]張承鑒.輥鍛技術[M].北京:機械工業出版社，1986:148.

[5]傅沛福.輥鍛理論與工藝[M].吉林:吉林人民出版社，1982:103.

[6]張莉，李升軍.DEFORM在金屬塑性成形中的應用[M].北京:機械工業出版社，2009.

[7]汪榮鑫.數理統計[M].西安:西安交通大學出版社，2006:150－160.