汽車轉(zhuǎn)向臂成形工藝模擬優(yōu)化（上）

肖來斌，陶善虎，陳國強，陳文琳

汽車轉(zhuǎn)向彎臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要零件，起連接車輪與車身的作用，在汽車行駛過程中，轉(zhuǎn)向彎臂要承受頻繁而復(fù)雜的多變應(yīng)力的作用，一旦零件損壞可能造成重大的事故，是重要的安全構(gòu)件，為此對其工藝性能及使用要求都比較高。該零件主要通過鍛造成形獲得，而國內(nèi)生產(chǎn)此類鍛件仍然存在加工余量大、成形不易充滿及模具設(shè)計困難等問題，通過有限元數(shù)值模擬技術(shù)探索該類鍛件的合理鍛造方法，對我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1.轉(zhuǎn)向臂的研究現(xiàn)狀

轉(zhuǎn)向彎臂是輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要零件。由于轉(zhuǎn)向彎臂屬于變截面彎軸類鍛件，其成形過程需要滾擠拔長、彎曲等制坯工序，在工作過程中受力也比較復(fù)雜，對其質(zhì)量的要求比較高。該類鍛件原常采用錘上模鍛工藝，但質(zhì)量難以保證。近年來，隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，對輕型車轉(zhuǎn)向彎臂這種形狀復(fù)雜的鍛件在尺寸精度、內(nèi)在和表面質(zhì)量等方面的要求越來越嚴(yán)格，合理的設(shè)計轉(zhuǎn)向彎臂成形工藝及模具結(jié)構(gòu)成為解決這類問題的關(guān)鍵。我們結(jié)合合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司的生產(chǎn)需要，制定出輥鍛制坯—摩擦壓力機模鍛的復(fù)合工藝，整個工藝流程為：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛制坯→彎曲→鍛造→切邊→校正→熱處理，針對不同轉(zhuǎn)向彎臂設(shè)計出合理的輥鍛工藝和終鍛模具。

2.輕型載貨轉(zhuǎn)向彎臂的結(jié)構(gòu)特點

輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向彎臂零件（見圖1）屬于長軸類彎曲件，其特點是軸線呈空間曲線形，多向彎曲，沿長度方向界面差與落差變化較大，外形較復(fù)雜。

圖2為某輕型載貨汽車轉(zhuǎn)向彎臂的鍛件圖，材料為40Cr，截面形狀由圓形和矩形組成，圓形最大直徑為51m m，最小直徑為32m m，在彎曲區(qū)的矩形截面由60mm×27mm漸變到39mm×26mm。

3.輥鍛數(shù)值模擬

采用DEFORM模擬軟件對輥鍛過程進行數(shù)值模擬，分析輥鍛過程中金屬流動規(guī)律、應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場及模具載荷分布等，從而考察輥鍛過程的設(shè)計參數(shù)對金屬變形規(guī)律的影響，并為優(yōu)化模具設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)。

圖1 汽車轉(zhuǎn)向彎臂零件

圖2 汽車轉(zhuǎn)向彎臂鍛件

（1）模擬存在問題及解決方案 DEFORM-3D軟件操作環(huán)境比較簡單，前處理模擬開始時模具與坯料的接觸問題并沒有提供幾何模型參數(shù)的設(shè)計功能，需通過其他通用CAD軟件來完成參數(shù)建模。采用IGES、STL等數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)DEFORM前處理模型輸入。在DEFORM中只能對模具和坯料進行簡單旋轉(zhuǎn)和移動，不能對模具與坯料進行精確定位。針對這樣的情況，可以利用UG裝配系統(tǒng)，在UG開發(fā)環(huán)境內(nèi)，將模具與坯料接觸位置找好，然后再分別導(dǎo)出為STL文件，然后再分別導(dǎo)入到DEFORM中，這樣既可以避免采用繁瑣的試探法尋找接觸點，也可以避免出現(xiàn)接觸過多或模具與工件相交的情況，從而使模擬過程順利進行下去。

（2）坯料輥鍛時的彎曲問題 輥鍛過程由于存在坯料各部分變形不均等情況，導(dǎo)致模擬過程中坯料沿著輥鍛模下模彎曲，坯料發(fā)生彎曲將嚴(yán)重影響坯料進入下一道次輥鍛。變形中發(fā)生錯位則會導(dǎo)致坯料得不到規(guī)定的形狀要求，發(fā)生變形不均。對于這種現(xiàn)象一般可以采用限制坯料的運動狀態(tài)方法。

（3）輥鍛模間隙的合理選擇 模具間隙是影響制坯質(zhì)量的重要因素，也會導(dǎo)致坯料彎曲。模具間隙過大，坯料不能得到較好限位，輥鍛過程中會發(fā)生坯料與模具不接觸的狀況，從而影響坯料成形質(zhì)量；模具間隙過小，則坯料所受變形力不均勻性也會增大，從而使坯料金屬變形時流動不均，這些都會導(dǎo)致輥鍛時彎曲現(xiàn)象的發(fā)生，輥鍛模間隙越小，坯料彎曲的程度越大。

因此，選擇合理的模具間隙是得到截面滿足生產(chǎn)要求的輥鍛件的重要保證，也是防止坯料在輥鍛過程中出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象的重要因素，本文中轉(zhuǎn)向彎臂輥鍛制坯經(jīng)過多次反復(fù)模擬和試驗后最終確定出合理的模具間隙為4mm。

4.輥鍛模擬結(jié)果及分析

（1）各道次坯料應(yīng)力應(yīng)變分析 第一道次輥鍛制坯應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖3、圖4所示，由于第一道次輥鍛模型槽為橢圓形，在輥鍛過程中，與兩輥鍛模接觸的坯料在徑向（高度）方向上的變形屬于鐓粗變形，在軸向方向上被伸長，橫向方向上則被展寬。在輥鍛變形過程中，由于存在著截面改變，即圓形向橢圓形過渡，坯料存在著一定的后滑現(xiàn)象，在輥鍛模設(shè)計時就應(yīng)注意到這一點，進行有效控制和彌補。

第二道次輥鍛制坯應(yīng)力應(yīng)變分析。如圖5、圖6所示，第二道次輥鍛模型槽為圓形，變形區(qū)內(nèi)金屬坯料在整個輥鍛過程處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，坯料在徑向上被壓扁，在軸向上被伸長，在橫向上展寬幅度很小。

圖3 第一道次輥鍛時應(yīng)力變化

圖4 第一道次輥鍛時應(yīng)變變化

圖5 第二道次輥鍛時應(yīng)力變化

在兩道次輥鍛變形過程中，處于變形區(qū)坯料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變在三維方向均呈不均勻分布狀態(tài)。第一道次輥鍛過程中變形區(qū)坯料內(nèi)部等效應(yīng)變分布如圖7a所示，從圖中可以看出由于坯料與輥鍛模之間摩擦的影響，與工具接觸的坯料由于流動受到模具影響，變形程度較小，而坯料中間部分的變形最大，側(cè)面鼓形區(qū)的變形程度處于二者之間。圖7b表明在與輥鍛模接觸部分的坯料內(nèi)部等效應(yīng)力值較大，與輥鍛模型槽不接觸的坯料側(cè)面等效應(yīng)力值則較小。而從圖8可以看出，在坯料表面上，與輥鍛模接觸部分的等效應(yīng)力值最大，在沿坯料軸向和周向方向上，離接觸點越遠，等效應(yīng)力值越小。

將坯料翻轉(zhuǎn)90°后進行第二道次輥鍛，變形區(qū)坯料內(nèi)部等效應(yīng)變場如圖8a所示。可以看出，經(jīng)過第二次輥鍛之后，坯料內(nèi)部等效應(yīng)變值都比較大，尤其是坯料心部的十字形區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)變值是兩道次大變形疊加的結(jié)果，而坯料側(cè)面及坯料與輥鍛模接觸處應(yīng)變值較小。從圖8b坯料斷面等效應(yīng)力場可以看出，與第一道輥鍛相比，此時坯料內(nèi)部應(yīng)力場已比較均勻，只有坯料表面存在著較大應(yīng)力。

（2）各道次坯料速度場模擬結(jié)果及分析 圓形坯料經(jīng)由橢圓——圓型槽兩道次軋制成圓形輥鍛件, 在實際生產(chǎn)中其變形過程經(jīng)過了咬入、穩(wěn)定輥鍛和拋鋼三個階段。圖9、圖10分別給出了坯料在兩道次輥鍛變形區(qū)內(nèi)，坯料表面沿輥鍛方向的速度場。在初始咬入階段, 輥鍛過程處于不穩(wěn)定狀態(tài), 坯料在輥鍛模帶動下完成咬入，隨著壓下量增加,金屬縱向延伸, 橫向展寬。輥鍛初期，如圖9a所示，坯料上在輥鍛模咬口兩端的速度分布梯度存在著較大差異，這是因為坯料兩端變形不一樣，輥鍛模作用在坯料表層金屬上作用力也不一樣。該變形區(qū)段輥鍛模的壓下量是逐漸增加的，初始壓下量較小，造成坯料上各節(jié)點的流動速度差別不大。在前滑區(qū)，靠近輥鍛模兩側(cè)的金屬變形速度高, 向內(nèi)逐漸降低, 與輥鍛模接觸的中心部分速度最低。在后滑區(qū), 情況則相反。如圖9b所示，隨著穩(wěn)態(tài)輥鍛過程的進行，壓下量不斷增加，坯料上截面上流動速度差別不斷增大，最后壓下量不再增加，坯料上速度場也趨于穩(wěn)定。

兩道次輥鍛使得坯料截面由圓形轉(zhuǎn)變?yōu)闄E圓形，再軋制成圓形，比較兩道次的變形過程，第一道次變形量較大。從圖9、圖10兩道次輥鍛變形過程中材料流動速度場可看出，第二道次輥鍛后滑區(qū)中，坯料中部與兩端節(jié)點流動速度差別雖然比較大，但坯料與輥鍛模接觸的大部分范圍內(nèi)速度差別很小，幾乎相等。坯料前滑區(qū)與輥鍛模接觸部分金屬流動速度較慢，兩側(cè)金屬流動速度則很快。（待續(xù)）

圖6 第二道次輥鍛時應(yīng)變變化

圖7 第一道次輥鍛變形區(qū)坯料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變

圖8 第二道次輥鍛變形區(qū)坯料內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變

圖9 第一道次輥鍛變形過程中速度場變化

圖10 第二道次輥鍛變形過程中速度場的變化

20140701