沖頭速度對球銷座熱鍛成形工藝研究

羅 若 ， 趙博寧 ， 李國堅

（1.柳州鐵道職業技術學院裝備制造學院，廣西 柳州 545616；2.柳州五菱汽車工業公司，廣西 柳州 545007）

轉向球銷座是焊接在下擺臂總成上，用于安裝轉向球銷的零件，如圖1所示。車輛通過下擺臂總成保持轉向節和車架的剛性連接，車輛在轉向的時候轉向球銷在球銷座上多角度地旋轉，使得轉向機構得以平順轉向，保證在轉向時車輪運動軌跡符合同向性要求，保證行駛和轉向的穩定性和可靠性[1]。在車輛行駛過程中，車輪承受的車載重量和地面沖擊通過轉向節傳遞到轉向球銷，球銷座承受著通過轉向球銷傳遞的垂直反力、縱向反力、側向反力以及轉向球銷的運動摩擦，對球銷座的抗沖擊變形和抗磨能力有很高的要求，對球面精度要求較高[2]。

圖1 球銷座

1 球銷座熱鍛工藝

1.1 球銷座結構

本文所研究的球銷座結構如圖1所示。在實用熱鍛模設計與制造中查表熱模鍛壓力機鍛件分類得知，球銷座屬于圓形類零件，球銷座頭部直徑為Φ41.5 mm，最大直徑為Φ42.9 mm，整體高度為61 mm，內部中空空間的深度為30 mm，為軸對稱零件，整體呈圓柱形狀，適用于閉式鍛模進行鍛造[3]。

1.2 成形方案

球銷座材料為調質處理的45號鋼，該型號的鋼屬于優質碳素結構鋼，具有一定的耐磨性，屈服強度為355 MPa，強度較高，冷塑性一般，在高溫下鍛造性較好[4]。常溫下，球銷座的質量m為1.23 kg，體積V為29 662.557 mm3。根據閉式鍛模不產生飛邊的特征可知，鍛造后質量和體積不變，依據體積不變原則[5]，應控制毛坯高度h為25 mm，毛坯直徑d為Φ44 mm。鍛造球銷座的毛坯為圓柱毛坯，采用兩次模鍛成形，如圖2所示。本文主要研究第一道工序的熱鍛成形過程。

圖2 成形方案

2 熱鍛過程分析

2.1 有限元模型建立

建立第一道工序鍛模的凸模、凹模、毛坯。由于GB45鋼與AISI-1045鋼材料性能相似，在DEFORM中選用AISI-1045作為球銷座閉式鍛模毛坯和預鍛后工件的材料，并定義鍛造過程中發生形變的工件為塑性體，不發生形變的凹模和凸模為剛性體[6]。

熱鍛成形工藝：將加熱后的坯料放置在模具中部，上沖頭抵接于坯料端部，上沖頭抵接于端部的外徑處，鍛壓機對上沖頭施加大小為V左的擠壓速率。通過對鍛造過程的分析，需要考慮鍛件的尺寸以及鍛造材質的特性[7]。本文擬定了熱鍛工藝參數：坯料直徑為44 mm，長度為25 mm，拔模斜度為3°，坯料的加熱溫度為900 ℃~1 200 ℃，模具溫度為常溫，換熱系數為2 400 W/(m2·℃)，沖頭進給速率為5 mm/s~30 mm/s。

2.2 沖頭速度對鍛件成形質量的影響

為了探究沖頭速度對鍛件成形質量的影響，主要從鍛造過程中金屬的流速分布、溫度分布、應力分布規律來分析[8]。

2.2.1溫度分布

圖3為不同速度下成形工藝的溫度分布云圖。從圖3的溫度場可以看出，在同樣的始鍛溫度下進行鍛造時，v=10 mm/s的鍛件溫度為最低，這說明沖頭速度越慢對鍛件溫度降低的影響越小。坯料中間和飛邊邊緣具有較高的溫度，坯料與上模和下模之間接觸部分的溫度較低。由于為熱沖孔，金屬流動主要是向上移動，溫度越高，流動越快。從圖3可以看到，隨著速度的增加，坯料上端的溫度越來越高。

圖3 鍛件的溫度分布圖

2.2.2流速分布

圖4為不同速度下鍛件的金屬流速分布云圖。從圖4可以看見，金屬的最大流動速度比沖頭的設定速度都大，流動方向與預設方向相同，在沖頭底部，金屬流動速度最大，超過沖頭流動的速度，但是此處的等效應力和應變值較小。這說明該部分金屬主要發生剛性平移。隨著沖頭速度的增加，金屬流動的速度增大[9]。

2.2.3最大主應力分布

圖5為不同速度下鍛件的最大主應力分布云圖。圖6為應變等效分布云圖。對比三個圖可以看到，v=20 mm/s時的平均主應力最大和應變最大，此時金屬成形越好，v=10 mm/s和v=30 mm/s明顯填充效果不充分，成形效果不好[10]。

圖5 鍛件的最大主應力分布圖

圖6 鍛件的應變分布圖

3 結論

本文對球銷座鍛造工藝進行數值模擬，建立了的模擬模型，分析了不同沖頭速度下該成形過程中的金屬流動情況，坯料變形時的應變場、應力場、溫度場、最大主應力、速度場的變化情況。對比結果發現，并非沖頭速度越大，成形效果越好。成形工藝方案的應力、應變、溫度場分布都更均勻，載荷也更小，有利于延長模具壽命，為球銷座的實際生產提供了參考。