鍛造過程中汽車懸架控制臂與模具的傳熱分析

李 展

（九江金鷺硬質合金有限公司，江西 九江 332000）

國內研究人員通過仿真軟件分析了各種工藝參數對鍛造鍛件的影響，探討了鍛件溫度及模具預熱對模具磨損及疲勞壽命的影響等問題。在國內，王道勇[1]采用DEFORM-3D分析了6082鋁合金控制臂的制造工藝方案，分析了不同摩擦系數對模具載荷和鍛件損傷及等效應力的影響。姬金金[2]采用有限元模擬軟件，分析了預熱溫度對材料成形及模具磨損的影響。唐睿[3]采用DEFORM-3D有限元模擬軟件，分析了鍛件初始溫度、模具預熱溫度、接觸界面傳熱效應等對熱擠壓模具的磨損量影響。

本文以一款汽車鋁合金控制臂為研究對象，在之前研究的基礎上[1]，基于有限元DEFORM-3D分析方法，對工藝方案中最后的鍛造過程進行模擬，研究模具預熱溫度對鍛造過程中控制臂溫度與模具溫度的影響。

1 控制臂鍛造的有限元分析

在該鍛造工藝中，以JA55-2500T壓力機為鍛造設備，鍛件材料為6082鋁合金，模具皆選用H13模具鋼。

在DEFORM-3D中，將折彎后的鍛件導入到終鍛模具中，并對鍛件和模具進行網格劃分，鍛件劃分為83247個單元，最小單元尺寸為1.8mm，上模和下模劃分為200000個單元，最小單元尺寸為1.8mm。

設定鍛件溫度選擇為490℃，終鍛模具溫度分別設置為150℃、200℃、250℃、300℃。在熱邊界條件中，坯料與模具的熱傳導系數為11N/（s·mm·℃），坯料與環境的熱對流系數為0.02N/（s·mm·℃），熱傳導系數為0.02W/m2。設定摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數為0.3。設置鍛壓速率為230mm/s，根據模具運動行程，設定模具步距和步數。

根據DEFORM-3D有限元計算分析方法，對控制臂成形過程進行模擬，并對計算結果進行分析后，對控制臂和模具分別設置3點追蹤，如圖1～圖3所示。

圖1 控制臂

圖2 模具上模

圖3 模具下模

1.1 鍛造過程中控制臂溫度變化分析

一般模具預熱溫度在150℃～350℃之間，現主要分析當模具溫度分別為150℃、200℃、250℃和300℃時，控制臂在鍛造過程中，P1～P3處溫度變化如圖4～圖6所示。

由圖4～圖6可知，在上模下壓過程中，控制臂與空氣進行換熱，控制臂溫度有微小下降。

由圖4可知，當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，控制臂P1處溫度快速上升，當控制臂P1處變形程度減少時，控制臂P1處溫度上升較慢，當控制臂P1處變形程度增加時，此時控制臂P1處溫度相對較高，潤滑環境受到一定破壞，控制臂P1處與上模具之間的摩擦系數增大，摩擦更加劇烈，所以控制臂P1處溫度上升較快。隨著模具預熱溫度的增大，控制臂P1處溫度上升較快，鍛造后控制臂P1最終溫度增大。

圖4 控制臂P1點

由圖5可知，在控制臂與上模剛接觸時，控制臂P2處被上模具擠壓，由于摩擦產生大量的熱量，導致控制臂P2處溫度快速升高，鍛造后期，控制臂P2處溫度上升速率降低，最后溫度下降，是由于P2處在鍛造后期，形變量逐漸減少，此時控制臂與模具摩擦產生的熱量較小，控制臂與模具接觸傳遞熱量，此時控制臂溫度比模具溫度高，因此控制臂P2處溫度下降；隨著模具預熱溫度的升高，控制臂P2處溫度上升較快，鍛造后期控制臂P2處溫度降低較少，鍛造后控制臂P2處最終溫度增大。

圖5 控制臂P2點

由圖6可知，當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，控制臂P3處溫度快速上升，隨著控制臂P3處的溫度上升，潤滑環境受到一定破壞，控制臂P1處與上模具之間的摩擦系數增大，摩擦產生的熱量增大，所以控制臂P3處溫度上升較快。在鍛造后期，控制臂P3處變形程度減少，控制臂P3處溫度上升較慢。隨著模具預熱溫度的增大，控制臂P3處溫度上升較快，鍛造后控制臂P3最終溫度增大。

圖6 控制臂P3點

結合上述分析可知，隨著模具預熱溫度的增大，控制臂溫度上升較快，鍛造后控制臂最終溫度增大。

1.2 鍛造過程中下模具溫度變化分析

下模具在鍛造過程中，在上模下壓過程中，下模具與空氣發生熱交換，下模具P1、P2處溫度有微小下降，下模具P3處因為與控制臂接觸，與控制臂發生熱交換，溫度有微小上升。

當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，而模具材料熱傳導系數小于控制臂，因此下模具P1處溫度上升，但是上升速率小于控制臂。在鍛造后期，下模具P1處溫度上升速率增大，因為P1處形變量變大，控制臂與模具摩擦產生的熱量增多，導致模具溫度上升速率變大。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中下模具P1溫度上升較慢，鍛造后下模具P1溫度上升的幅度減少。

當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，而模具材料熱傳導系數小于控制臂，因此下模具P2處溫度上升，但是上升速率遠小于控制臂。在鍛造后期，下模具P2處溫度上升速率降低，P2處形變量逐漸減少直到沒有形變產生，此時控制臂與下模具摩擦產生的熱量很小，控制臂與下模具接觸傳遞熱量，此時控制臂溫度比下模具溫度高，因此下模具P2處溫度上升速率減小。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中下模具P2溫度上升較慢，鍛造后下模具P2溫度上升的幅度減少。

當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，而模具材料熱傳導系數小于控制臂，因此下模具P3處溫度上升，但是上升速率小于控制臂。鍛造過程中，下模具P3處溫度上升均勻。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中下模具P3處溫度上升較慢，鍛造后下模具P3處溫度上升的幅度減少。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中下模具溫度上升較慢，鍛造后下模具溫度上升的幅度減少。

1.3 鍛造過程中上模具溫度變化分析

上模具在鍛造過程中，在上模下壓過程中，由于上模具下壓速率很高，與空氣發生熱對流，上模具溫度下降幅度比下模高。

當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，而模具材料熱傳導系數小于控制臂，因此上模具P1處溫度上升，但是上升速率遠小于控制臂。在鍛造后期，上模具P1處溫度上升速率增大，因為P1處形變量變大，控制臂與模具摩擦產生的摩擦熱增多，導致模具溫度上升速率增大。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中上模具P1處溫度上升較慢，鍛造后上模具P1處溫度上升的幅度減少。

當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，而模具材料熱傳導系數小于控制臂，因此上模具P2處溫度上升，但是上升速率遠小于控制臂。在鍛造后期，上模具P2處溫度上升速率降低，P2處形變量逐漸減少直到沒有形變產生，此時控制臂與模具摩擦產生的熱量很小，控制臂與模具接觸傳遞熱量，此時控制臂溫度比模具溫度高，因此上模具P2處溫度上升速率減小。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中上模具P2處溫度上升較慢，鍛造后上模具P2處溫度上升的幅度減少。

當上模接觸控制臂時，控制臂被模具擠壓產生形變，擠壓過程與模具發生摩擦產生大量的熱量，而模具材料熱傳導系數小于控制臂，因此上模具P3處溫度上升，但是上升速率遠小于控制臂。鍛造過程中，上模具P3處溫度上升均勻。隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中上模具P3處溫度上升較慢，鍛造后上模具P3處溫度上升的幅度減少。

結合上述分析可知，隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中上模具溫度上升較慢，鍛造后上模具溫度上升的幅度減少。

2 結論

以一款新型的6082鋁合金控制臂為研究對象，采用DEFORM-3D對控制臂鍛造過程進行了模擬，通過模擬計算分析可知：過高的模具預熱溫度會惡化鍛造中的潤滑環境，導致控制臂與模具之間的摩擦系數增大，使控制臂溫度過高；隨著模具預熱溫度的增大，鍛造過程中控制臂溫度上升較快，模具溫度上升較慢，因此鍛造后控制臂最終溫度增大，模具溫度上升的幅度減少；當模具預熱溫度在150℃～300℃之間時，鍛造后下模溫度比上模高。