EQ153汽車轉向節多向模鍛模具磨損的數值模擬

周志明，胡洋，宋小放，唐麗文，張寶亮

(1.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054; 2.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054; 3.四川宜賓職業技術學院，四川宜賓 644003)

EQ153汽車轉向節多向模鍛模具磨損的數值模擬

周志明1，2，胡洋2，3，宋小放2，唐麗文2，張寶亮2

(1.汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054; 2.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400054; 3.四川宜賓職業技術學院，四川宜賓 644003)

采用DEFORM－3D軟件建立了有限元模型，根據鍛件成形過程中模具應力、應變及其載荷分布情況數值模擬了EQ153汽車轉向節多向模鍛的模具壽命。結果表明:采用多向模鍛成形EQ153汽車轉向節可以顯著降低成形過程模具應力、應變及其設備成形載荷，從而顯著提高模具工作壽命。

EQ153汽車轉向節;多向模鍛;模具磨損;模具應力

近年來，隨著汽車工業的飛速發展與國際競爭的加劇，汽車零部件中對高精度、形狀復雜鍛件的需求量越來越大，傳統的加工工藝已經不能滿足汽車零件產品的需求。在這種情況下，鍛造新工藝、省材節能工藝的開發對于新型汽車零件的生產尤為重要。因此，以近凈成形(near－netshape，生產盡量接近最終形狀的產品)和凈成形(net－shape，完全提供成品零件)為目標已成為塑性加工技術變革的必然趨勢和發展方向［1－2］。汽車轉向節是汽車前橋總成上的零件，是汽車上十分重要的安全件。它既支撐車體質量，又傳遞轉向力矩并承受前輪剎車制動力矩，因此對其機械性能和形狀結構要求非常嚴格，制造難度大。如何采用高效、節能的方法生產出優質的轉向節零件成為生產中亟需解決的問題［3－5］。多向模鍛因具有多個分模面，可以鍛出形狀更為復雜、尺寸更加精確的鍛件，從而顯著提高材料的利用率，減少機加工工時，降低成本。此外，零件在封閉模腔內成形，處于三向壓應力狀態，可使金屬塑性大為提高，因此該技術在航空、汽車等工業部門中得到廣泛的應用［6－7］。然而由于多向模鍛擠壓鍛造過程的溫度高，鍛造成形的時間長，導致模具壽命不高，影響了多向模鍛技術的進一步發展。本文通過建立有限元模型對EQ153汽車轉向節多向模鍛成形進行了數值模擬，研究了EQ153汽車轉向節多向模鍛的模具壽命，為汽車轉向節的多向模鍛生產提供有力的參考和指導。

1 EQ153汽車轉向節多向模鍛成形模具結構

圖1為EQ153汽車轉向節多向模鍛成形模具結構示意圖。將上模設計為活動的彈性結構，通過彈簧使得上模4與上模凸模鑲塊具有相對獨立的運動，從而實現在上模4與下模閉合形成封閉的型腔，之后上液壓缸繼續下行壓縮彈簧，從而帶動上模凸模鑲塊下行鐓擠坯料，實現劈料工序，直到鐓擠出合理的盤部高度。左右側凸模對稱分布且都是鑲塊結構，上模停止運動后，沿水平方向對稱分布的左右側凸模在側向液壓缸的作用下逐步壓入，實現多向模鍛終鍛成形。

圖1 EQ153汽車轉向節多向模鍛終鍛成形模具結構

2 模具磨損分析

由于多向模鍛精密成形相對成形時間長，模具磨損比普通的錘上模鍛嚴重，故模具的壽命受到限制。本文模具鋼選用H26，根據圖1所示模具結構建立Deform－3D有限元模擬模型，多向模鍛終鍛成形模具磨損數值模擬的結果如圖2所示。可以看到:由于該成形模具中上模4的作用是與下模形成封閉型腔，在終鍛成形時，雖然由于最后成形部位坯料與圓弧段存在較大的摩擦作用而導致該部位出現模具磨損，但由于該部位模具磨損量較低，為10－4mm，因此上模4對模具磨損影響不大。下模5工作時，對該部位的尺寸要求不高，因此該部位的模具磨損對模具壽命影響不大。模具的其他成型部分模具磨損量較上模4及下模5大，且根據零件的工作條件可知:位于上模鑲塊及其左右側凸模部位的尺寸要求較高，因而模具磨損對產品質量要求較高。從圖2中模具的磨損量可知:在磨損是主要影響模具壽命因素的狀況下，上模鑲塊及其左右側凸模模具至少能生產近千件產品。根據圖1模具結構所示，將側模易磨損部位設計為鑲塊結構便于更換，有利于提高企業效益，降低材料浪費以及模具更換難度等。

圖3為多向模鍛終鍛成形過程中成形EQ153汽車轉向節的設備加載曲線。通過對比圖示成形EQ153汽車轉向節多向模鍛終鍛成形載荷曲線及其最大成形力與傳統鍛造成形工藝可知:采用多向模鍛成形顯著降低了設備成形壓力，從而使得通過模具作用于鍛件上的成形壓力也降低，有利于降低終鍛成形坯料內部殘留應力，提升鍛件質量。

圖2 EQ153汽車轉向節多向模鍛終鍛成形模具磨損

圖3 EQ153汽車轉向節多向模鍛終鍛成形載荷曲線分布

對比圖4中模具應力分布圖可以發現:由于多向模鍛成形有效降低了設備成形壓力，從而使得在鍛造過程作用于模具上的應力也顯著降低，模具最大應力作用于上模鑲塊及其左右側凸模鑲塊1、鑲塊2上。通過將應力較高部位設計為鑲塊結構有利于避免以上部位由于疲勞失效而更換模具。從側模鑲塊上可以得出:在終鍛成形過程中模具最大應力部位作用于鑲塊凸模上所標記的A、B邊緣部位，上述部位由于成形過程中受到較大的應力作用導致該部位容易發生疲勞失效，這一缺陷可以通過機械加工解決。由于退刀槽具有避免應力集中的作用，因而在上圖所標記部位設置退刀槽，避免該部位出現應力集中導致疲勞破壞。從應力分布圖發現一個現象，模具磨損較嚴重的鑲塊部位其模具應力反而較低。從圖4中模具應力數據中可以得出:其應力值遠低于H－26鋼的屈服極限，從而使得模具疲勞壽命得以提高，而模具磨損成為影響模具壽命的最主要因素。

圖4 EQ153多向模鍛模具應力分布

3 結束語

通過EQ153汽車轉向節鍛造成形模具的應力應變分析可知:本文的多向模鍛成形模具結構設計將磨損量對產品質量影響不大的部位集成起來，設置于上模或下模上，將磨損對產品質量影響較大部位設置為鑲塊結構，減少了模具材料浪費，方便了模具的拆卸更換，而且鑲塊部位的模具磨損量也較小，因此鑲塊部位模具正常工作壽命大大提高。根據本文模具應力分析可知:通過多向模鍛工藝，將鍛件成形部位根據分模面合理分配到各成形部位，顯著降低了鍛件成形壓力，大大降低了作用于模具上的應力，故模具的疲勞壽命得以提高。因此可得:采用本文設計的多向模鍛模具生產EQ153汽車轉向節可以克服多向模鍛成形模具壽命較低的缺陷。

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(責任編輯 劉舸)

Numerical Simulation of ToolWear for Multi-Directional Forging of EQ153 Steering Knuckle

ZHOU Zhi－ming1，2，HU Yang2，3，SONG Xiao－fang2，TANG Li－wen2，ZHANG Bao－liang2
(1.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;2.School of Material Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China; 3.Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，China)

The finite elementmodel of EQ153 steering knucklewas established in this paper.To study the tool life the tool tress and tool wear during forming process was simulated by Deform－3D software.The result showed that the tool stress and tool wear could be reduced obviously by using the multi－directional forging process and the fatigue ofmulti－directional forging die could be improved significantly.

EQ153 steering knuckle;multi－directional precision forging;tool wear;tool stress

U463

A

1674－8425(2014)09－0015－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.004

2014－03－15

汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室基金資助項目(KLMT201112和KLMT201107)

周志明(1976—)，男，湖南雙峰人，博士，副教授，主要從事材料精密成形研究。

周志明，胡洋，宋小放，等.EQ153汽車轉向節多向模鍛模具磨損的數值模擬［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2014(9):15－18.

format:ZHOU Zhi－ming，HU Yang，SONG Xiao－fang，et al.Numerical Simulation of Tool Wear for Multi－Directional Forging of EQ153 Steering Knuckle［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):15－18.