汽車轉向臂成形工藝模擬優化（下）

肖來斌，陶善虎，陳國強，陳文琳

5.轉向臂制坯輥鍛模具設計

輥鍛變形的實質就是坯料的延伸變形過程，較錘上拔長具有明顯優勢，輥鍛制坯的任務是采用輥鍛工藝鍛制供模鍛用毛坯。采用輥鍛工藝對坯料進行各部分金屬重新分配比錘上鍛造生產效率要高，勞動條件好，節材效果明顯，具有良好的經濟效益。

（1）輥鍛道次的確定 首先根據輥鍛件圖計算出總延伸系數λz，即

式中 A0——原始坯料截面積；

An——輥鍛后坯料截面積。

輥鍛道次按下式計算

式中λP——平均延伸系數，通常選取IP=1.4～1.6。

經計算本文所優化的轉向臂總延伸系數λP為1.92。按λP=1.4選取，則n=1.938，故確定輥鍛道次為2道次。

（2）各道次輥鍛件圖設計在逐道次進行型槽計算時，都是按相應矩形法計算相應矩形變形（如果是圓形截面則轉化為同面積矩形截面來計算）和求出各道次輥鍛后的相應變形。按型槽計算的順序可以分為兩種方法：正算法和逆算法，本文采用逆算法。所謂逆算法就是根據要求最后輥鍛出的毛坯截面尺寸，逆輥鍛順序由后往前逐道進行計算。

按照圖11最終輥鍛毛坯特征，根據型槽相應區段體積相等的原則進行金屬體積分配，保證制坯后毛坯在進入下一道次輥鍛時，有較好的對中性和輥鍛穩定性；對于相鄰兩區段的過渡區間，是變形較為復雜的部位，在滿足體積分配的原則上，應簡化制坯型槽。按照上面確定的型槽特征，設計出第一道輥鍛件圖，如圖12所示。

（3）輥鍛模具設計 確定各工步槽系后，在輥鍛模具設計中需要考慮前滑值對零件的影響。前滑值的理論計算復雜，設計中可根據經驗選取。對于等截面區段一般取4%～6%；在過渡區段前滑值與輥鍛的類型有關，在增壓下輥鍛時，前滑值較大，一般取6%～12%；在減壓下輥鍛時一般取2%～4%。各個道次輥鍛型槽具體參數和尺寸設計是根據文獻中有關圓—橢圓—圓型槽系的兩道次輥鍛的型槽設計計算公式計算出來的。最后計算出模具圓弧長，并換算成相應中心角后，最終設計出來的第一、第二道的輥鍛模具，如圖13、圖14所示。

圖11 輥鍛毛坯

圖12 第一道次各截面

（4）模具材料選擇 輥鍛時，模具要承受著較大壓力，同時又是在反復加熱和冷卻條件下工作，模具受熱溫度可達300～500℃。模具內部存在著交變應力作用，易形成熱疲勞裂紋、龜裂等，故要求模具鋼硬度較高，否則模塊會產生壓塌變形，型槽表面具有較高硬度和耐磨性，輥鍛出的坯達不到輥鍛件要求，模具壽命也會降低。本模具材料采用5CrNiMo合金模具鋼，熱處理硬度為44～48HRC。根據以上方案設計出來第二道次輥鍛模，如圖15所示，現已應用于生產上。

（5）輥鍛過程存在問題 其一是輥鍛中坯料長度波動問題。輥鍛技術是一項高效精確的制坯技術，但由于輥鍛時金屬可以沿兩個方向自由流動，其流動行為有不確定性，坯料長度較長時，控制其長度方向的誤差有很大難度。同時由于在輥鍛工藝中存在前滑的影響，前滑值對鍛件長度尺寸有著直接的影響，而目前還不能準確地計算出前滑值，前滑值上下波動影響著輥鍛件的縱向尺寸。因此，除了在各相應長度尺寸進行補償外，更主要的還是在試驗中不斷調整，從而得到理想的模具型槽長度。

其二是合理分配道次延伸系數問題。由于本文中坯料在輥鍛之后還要進行彎曲變形，然后才是終鍛成形，因此要求輥鍛制得坯料圓滑過渡，不可以出現哪怕很小的飛邊，如果出現飛邊，則在終鍛成形時會產生折疊缺陷。因此，文中對輥鍛各道次的延伸系數分配及每道次模具過渡部分型槽形狀都要求設計合理。

其三是輥距調整問題。調整輥距除了保證坯料最終尺寸外，還要保證輥鍛各道次延伸系數，輥模間隙同樣會影響著前滑值大小。本文是在不斷對工藝進行生產試驗的基礎上得到輥鍛模之間的最佳間隙為4mm。

6.模鍛成形數值模擬

轉向臂擠壓成形過程屬于塑性成形中大變形問題。變形過程中，毛坯形狀變化較大，相應其有限元網格也要不斷變化，準確描述毛坯在變形各階段的幾何形狀，使模擬計算能保證一定精度并順利進行。

圖13 第一道次輥鍛模具

圖14 第二道次輥鍛模具

（1）轉向臂鍛造成形過程分析 如圖16所示，終鍛模型中上下模是通過UG建立后直接以STL格式導入到DEFORM中，坯料則是經過前期輥鍛、彎曲變形之后保留的。

通過采用上述有限元模型對轉向臂鍛造成形過程進行模擬，可比較直觀地觀察坯料的變形過程。通過分析發現，由于轉向臂中部存在臺階，因此坯料在整個成形過程中先發生彎曲，然后充填型腔。在充填型腔過程中，首先充填部位為轉向臂兩端，最后充填的是轉向臂中部一尺寸狹小的三角凸臺。整個鍛造變形過程，如圖17所示。

圖15 輥鍛模具

圖16 終鍛模

圖17 轉向臂鍛造成形過程

同時本文通過模擬還發現在上模下行過程中，坯料發生錯移，導致坯料向外側有少量偏移。經生產實際證明，由于在用摩擦壓力機模鍛過程中上模下行速度較大，短時間內坯料偏移量較小，并不會影響鍛件成形質量。

（2）鍛件應力場、應變場分析 圖18、圖19分別為最終成形得到的轉向臂件上應變應力分布。從圖20中可以看出鍛件飛邊部分應變值較大，分布較均勻。圖上鍛件右半段應變值較左段大，是因為坯料鍛造過程中彎曲變形主要發生在直徑較小的右端，鍛件左端彎曲程度則較小。從圖19應力分布上可看出，坯料上與鍛模飛邊橋部接觸部分應力最大，這是飛邊橋在鍛造變形過程中阻礙金屬向外流動的結果，結合應變場可發現，該部分金屬變形量也非常大。

（3）終鍛溫度場分析 鍛造成形過程中，一方面隨著上模壓下量增加，金屬不斷進入型腔，變形金屬與模具間接觸面積逐漸增大，由于坯料與模具間存在著溫度差，坯料部分溫度沿與模具接觸面傳遞給模具，使得坯料溫度降低。另一方面，坯料在外力作用下發生塑性變形同時產生塑性功，這部分能量90%以熱量的形式被金屬吸收，從而使得坯料溫度升高。所以，在整個鍛造過程中，坯料會發生溫度的熱力耦合效應。

圖20是鍛造完畢鍛件溫度分布。可以看出，坯料與模具相接觸部位由于熱擴散時間長，溫度降低較多。在飛邊部分由于飛邊金屬較薄，且變形量較大，變形功轉化溫度較多，溫度相對于初始加熱溫度變化較小，甚至略有上升。鍛件心部溫度也較高，雖然心部金屬變形較少，但是由于心部金屬熱量散失需要先傳遞到工件表面，再與模具之間進行換熱，所以其熱量散失較少，溫度變化不大。

（4）轉向臂成形工藝改進前后模擬結果比較 針對轉向臂成形工藝改進前后的工藝過程進行了數值模擬，比較發現其在成形載荷、鍛件飛邊體積等方面存在著差異。圖21為轉向臂成形工藝改進前后的載荷—行程曲線，比較發現工藝改進后鍛件成形載荷大幅降低，不僅節約了設備成本，且可以有效提高模具的壽命。圖22中a、b兩圖分別為工藝改進前后得到鍛件，可看出采用原工藝方式模擬出的鍛件飛邊較寬，而工藝改進后模鍛得到鍛件飛邊則非常小，而成形質量則跟原工藝一樣，表明采用輥鍛—模鍛新工藝能夠更好利用原材料，提高經濟效益。

圖18 應變分布

圖19 應力分布

圖20 終鍛溫度場分布

圖21 鍛造成形過程載荷-行程曲線

圖22 最終成形鍛件

7.驗證

數值模擬為實際生產提供了良好的指導作用，但仍需采用實際生產試驗來驗證模擬結果的可靠性。本文生產是在合肥汽車鍛件有限責任公司進行的。根據鍛件圖和現有工藝設計的模具如圖23所示。

針對工藝改進前后終鍛件成形情況進行了試驗，經比較發現采用新工藝得到的轉向臂鍛件產品尺寸精度高，表面質量好。同時還比較了兩種工藝生產得到的鍛件飛邊狀況，改進前后終鍛模相同，兩種方法形成的飛邊，如圖24所示。改進前飛邊分布不均勻，飛邊大、厚，改進后飛邊明顯減小，下料毛坯由原來φ50mm×475mm減小為φ50mm×454mm，最后減小到φ50mm×445mm，材料利用率提高到82%。

經生產實際驗證，改進后同樣模具結構，同樣的模具材料和熱處理工藝，每副模具平均壽命達到5960件，是改進前的3倍。其原因是：

（1）材料在輥鍛時金屬得以重新分配，減少了金屬在終鍛型腔的流動。

圖23 汽車轉向臂的終鍛模具

圖24 改進前后飛邊對比

（2）下料毛坯尺寸減小，在終鍛時形成飛邊小，減少了金屬向飛邊流動。按照塑性成形規律，金屬在流向飛邊時溫度低，飛邊橋部厚度小，流動阻力急劇增大，此時是模具產生磨損的主要時段，最終造成模具壽命低。

（3）終鍛時形成飛邊小，成形力小，模具承受打擊力小，模具壽命提高。

另外，工藝改進還帶來了附加效益，一方面，由于坯料下料長度減小，縮短了中頻感應加熱時間，提高了生產效率，節約了電能；另一方面，設備噸位減小，也降低了能耗，實現了節能減排的社會效益。

8.結論與展望

（1）坯料設計時考慮到轉向臂大截面端充填所需金屬較多，因此設計該部分坯料直徑較大，從模擬結果可看出該部分飛邊較大，可通過進一步的坯料優化及修改終鍛模具來改善。

（2）輥鍛模由于不斷升溫、降溫，內部存在著交變應力的作用，易形成熱疲勞裂紋、龜裂等缺陷；而轉向臂終鍛成形過程中載荷大，成形溫度高，終鍛模具損耗也較大，因此有必要對輥鍛及終鍛模具壽命進行分析，并研究應對策略。目前，我們對終鍛模具采用新的焊接材料和工藝，在延長模具壽命方面取得了較好效果。（全文完）