汽車轉向節臂端部冷精整工藝優化

宛加雄，武建祥，晏洋，丁華鋒,

汽車轉向節臂端部冷精整工藝優化

宛加雄1，武建祥2，晏洋2，丁華鋒1,2

（1.純電動汽車電力系統設計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053；2.湖北三環鍛造有限公司，湖北 襄陽 441700）

得到單向壓縮冷精整的精整量與預變形孔半徑和深度之間的變化規律，以及摩擦因數大小同回彈量之間的關系。對轉向節臂端部鍛件上下表面進行預變形凹槽孔處理，并建立鍛件單向壓縮冷精整的彈塑性有限元模型，利用ABAQUS有限元軟件進行數值模擬仿真，分析摩擦因數對表面質量的影響，得到優化后的工藝參數，并進行實驗驗證模擬結果的準確性。摩擦因數越大，冷精整后的轉向節臂端部鍛件的鼓形越明顯。在精整量為1 mm的情況下，當預變形凹槽孔的半徑為4 mm、深度為0.3 mm、單向壓縮量為1.1 mm、摩擦因數為0.2時，能夠得到最好的表面質量。當摩擦因數相同時，預變形凹槽孔的半徑越大，徑向位移越小，而回彈量基本保持不變。

汽車轉向節臂；冷精整；工藝優化；回彈量

轉向節臂在汽車行駛過程中起重要作用，是汽車上重要的安保件，其幾何精度直接影響裝配效果。隨著有限元技術的發展，學者們利用CAE軟件進行了大量研究[1-5]。章志兵等[6]基于CAE模型船舶艙室的相關研究，提出了一種半封閉空間的新概念，并設計了全船CAE模型的識別算法，實現了半面擴展算法的高效性和準確性。劉江等[7]針對轉向節在實際生產過程中出現的塌角等缺陷問題，通過數值模擬和實驗驗證提出了復合成形工藝，使材料利用率達到了80.8%，成品合格率達到了97.9%。趙毅等[8]分析了某皮卡的轉向節熱鍛成形過程，采用大小臺階式阻力模具設計方法，解決了鍛件填充不滿的問題。在實際生產中，通常采用冷精壓的方法來提高轉向節臂端部的幾何精度。王德林等[9]分析了三銷軸叉冷精整工藝過程中型腔底部應力、應變的變化情況，優化設計了不同的入模角，使冷精整后的型腔底部范圍區域沒有產生裂紋，顯著提高了冷精整鍛件的產品質量。Stone等[10]通過ABAQUS軟件建立了厚壁圓筒的有限元模型，研究了精整量對表面質量的影響，結果表明，冷精整能夠改善工件的表面質量且不會對工件外部形狀產生影響。朱懷沈等[11]研究了冷精整工藝過程中直齒輪的齒面冷精整量與齒面之間回彈量的變化關系，得到了精整量與壁厚之間的優化選擇。郭嘉晨等[12]用Kriging模型和粒子群算法改善了冷精整工藝中萬向節滑套杯壁的表面質量。Kwanghyun等[13]整合了歐拉光束理論并預測了螺旋管蒸汽發生器的彎曲回彈情況，將流變應力和彈性模量的數值應用到分析模型當中，精確預測了最終尺寸。Farhad等[14]建立了非線性運動模型，發現改變載荷的順序能夠明顯減小彎曲回彈角。Soheil等[15]和Uten等[16]研究發現，鍛造時，在低摩擦條件、不考慮折疊的情況下，當最大摩擦因數≤0.5時，Avitzur模型具有最高的準確性。Fras等[17]研究發現，高載荷下表面之間的直接接觸會導致摩擦力顯著增加，對工件會造成不可預估的缺陷。在實際的冷精整過程中，壓頭與工件表面存在摩擦，這會導致工件的精整表面粗糙，而摩擦因數的大小對精整表面的影響很大。

目前針對汽車轉向節臂冷精整工藝優化的研究還比較少，上述研究忽略了摩擦因數對表面質量的影響。文中采用在轉向節臂端部上下表面設置預變形凹槽的方法來提高表面質量，將壓縮量作為關鍵參數，對轉向節臂端部圓棒進行單向壓縮冷精整加工，通過ABAQUS有限元仿真軟件分析孔的半徑和深度對回彈量的影響，同時研究摩擦因數對表面質量的影響規律，表面質量通過冷精整回彈后轉向節臂端部上表面節點的軸向位移表現。

1 轉向節臂端部冷精壓工藝

1.1 轉向節臂結構

轉向節臂鍛件圖如圖1所示。轉向節臂是汽車轉向系統的最后一級傳力部件，轉向節臂一端安裝在上下轉向節之間，另外一端則用球銷與橫拉桿連接。因此端部的表面質量將直接影響轉向節臂的力學性能。

圖1 轉向節臂鍛件圖

1.2 塑性應變和摩擦影響

對鍛件進行單向壓縮，由于外端表面受摩擦力的影響，變形難度增加，因此會發生凸緣現象。單向壓縮的初始和最終形狀如圖2所示，得到的曲率半徑表達式如式（1）所示。

式中：H1為最終高度；DM為最大直徑；D1為頂部直徑。

摩擦因數的測定對塑性成形至關重要[18-21]。在轉向節臂端部單向壓縮冷精整過程中，當不考慮摩擦條件時，冷精整為理想單向壓縮模型，此時轉向節臂端部軸向尺寸變化相同。隨著摩擦因數的增大，接觸面外端變形困難，使上下接觸表面變形小于中間部分的變形，進而產生鼓形。隨著摩擦因數的進一步增大，鼓形越加明顯。下面將通過有限元數值模擬得到摩擦因數大小對轉向節臂回彈量的定量影響規律。

2 冷精壓有限元仿真

在轉向節臂端部冷精壓過程中，在摩擦力的影響下，精整表面質量較為粗糙。為得到冷精整時的變形規律及較高的表面質量，在轉向節臂端部先加工一個預變形凹槽孔，研究預變形凹槽孔的開口大小、深度以及表面摩擦因數對回彈量的影響，以實現冷精整量的優化選擇。文中轉向節臂端部外徑為57 mm，軸向長度為35 mm，冷精整后的軸向長度為34 mm，端部外圓直徑增大不超過1%。設計預變形凹槽孔的半徑為2、3、4 mm，深度為0.5、0.3 mm，研究摩擦因數分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4時轉向節臂端部的回彈大小。文獻[22]表明，摩擦因數通常小于0.4，因此文中的摩擦因數最大取值為0.4。

圖3 轉向節臂端部精整模型

2.1 彈塑性有限元精整模型的建立

在冷精整成形過程中，轉向節臂的內部發生了彈塑性變形，積攢了彈性勢能，當卸除載荷后，彈性勢能釋放從而發生回彈，因此用彈塑性模型分析。材料為42CrMo高強度合金鋼，其屈服強度為930 MPa、抗拉強度為1 080 MPa、密度為7.85 g/cm3、彈性模量為2.02×105MPa、泊松比為0.28，材料為均質且各向同性，在整個過程中不計算體積力與慣性力，遵循米塞斯屈服準則。由于轉向節臂端部的圓柱體是軸對稱零件，因此在模擬時選擇二維坯料，只分析1/2模型以減少計算量[23-25]，再對中間預變形凹槽孔進行局部網格的細化處理。冷精整開始前先設置一步靜接觸，使接觸關系平穩建立，并設置不同的摩擦因數來進行對比分析。

在冷精整過程中，金屬一部分沿徑向方向向內流動，填充預變形凹槽孔，另一部分沿著徑向方向向外流動，使徑向尺寸增大。轉向節臂端部精整過程位移場分布情況如圖4所示，其內部金屬組織以軸向方向流動為主，以徑向方向流動為輔。

2.2 工藝參數的影響規律研究

為控制轉向節臂端部冷精整的尺寸精度，研究轉向節臂端部的回彈規律。根據仿真分析結果，得到不同預變形孔的大小和深度，以及在表面摩擦因數不同的條件下，單向壓縮冷精整后徑向位移1和軸向位移2的回彈量數據。

轉向節臂端部預變形凹槽孔半徑為0.5 mm和0.3 mm時，不同半徑下的回彈量大小分別見圖5和圖6。根據回彈量數據可知，當預變形凹槽孔的半徑相同時，預變形凹槽孔深度的影響可以忽略不計，徑向位移和回彈量相等。在單向壓縮精整過程中，由于精整量為1 mm，深度對轉向節臂回彈量影響較小，仿真模擬預變形孔深度最小為0.3 mm，預變形凹槽孔能夠有效提高精整后轉向節臂端部上下表面質量。預變形凹槽孔的半徑越大，徑向位移越小，而回彈量基本不變。當摩擦因數為0.2時，徑向位移的回彈量最大。摩擦因數越大，徑向位移也就越大。因此，由數據對比得出，在半徑為4 mm、深度為0.3 mm時，徑向位移1和軸向位移2的綜合效果最好。

圖4 轉向節臂端部精整過程位移場分布圖

圖5 預變形孔深度為0.5 mm時的回彈量

圖6 預變形孔深度為0.3 mm時的回彈量

在相同的精整量下，隨著摩擦因數的增大，上下表面變形困難，彈塑性變形過程中的彈性變形量先增大后減小，因而相應的回彈量也就呈先增大后減小的變化趨勢。在深度為0.3 mm的精整條件下，3種不同半徑大小的預變形凹槽孔在摩擦因數為0～0.4時的徑向回彈量和軸向回彈量分別見圖7和圖8。由圖7和圖8可知，回彈量隨著摩擦因數的增大，總體呈現先增大后減小的趨勢，當摩擦因數為0.2時，回彈量最大。通過對比3種不同預變形凹槽孔半徑的大小，得到在預變形凹槽孔半徑為4 mm時，摩擦因數對回彈量影響最小。

考慮到摩擦對表面粗糙度的影響，仿真精整過程中上表面的軸向位移隨時間的變化情況如圖9所示。由圖9可以看出，在前1 s的時間內，壓頭與轉向節臂端部平穩接觸，為降低速度對其產生的影響，將壓縮精整的過程控制在3 s內，隨后卸載壓頭，出現了回彈現象。

當精整量為1 mm時，壓力卸載后出現了回彈現象，由于摩擦的影響，回彈結束后轉向節端部上表面的位移并沒有重合。為了準確地控制回彈量，將精整量確定為1.1 mm，預變形凹槽孔的深度為0.3 mm，得到的表面節點的軸向位移如圖10所示。

圖7 不同摩擦因數下的徑向回彈量

圖8 不同摩擦因數下的軸向回彈量

圖9 精整過程中軸向位移隨時間變化圖形

圖10是摩擦因數不同時，轉向節臂端部圓棒上表面軸向位移值。由圖10可知，在摩擦因數為0的理想狀態下，整個上表面位移近似相同。當摩擦因數為0.2時，得到的位移值最接近1 mm。當摩擦因數不同時，轉向節臂端部圓棒徑向位移值如圖11所示，根據圖11可知，隨著摩擦因數的增大，轉向節臂端部在中間位置的位移增大，當摩擦因數為0時則不會產生鼓形，隨著摩擦因數的增大，出現的鼓形越明顯。由于摩擦的存在，轉向節臂端部圓棒的上下表面與壓頭接觸之間的摩擦切應力會導致靠近上下表面的位移很小。

圖10 轉向節臂端部圓棒上表面軸向位移

圖11 轉向節臂端部圓棒徑向位移

3 實驗結果驗證

對轉向節臂零件進行實物實驗，以驗證上述的仿真結果。首先在轉向節臂的端部兩端加工預變形凹槽孔，然后沿著厚度的方向對轉向節臂端部進行冷精整，在冷精整過程中金屬沿著端部外圓和預變形凹槽孔內徑的方向流動，最后得到的汽車轉向節臂如圖12所示，測量其端部尺寸。

圖12 冷精整后的轉向節臂

考慮到實驗成本，為減少實驗時間，根據上述的模擬值，確定轉向節臂端部預變形凹槽孔的半徑為4 mm、深度為0.3 mm，對多個轉向節臂試件進行實驗，得到的實驗測量數據如下：徑向回彈量的模擬值為0.024 mm，測量值為0.023 1 mm，相對誤差為3.8%；軸向回彈量的模擬值為0.096 3 mm，測量值為0.098 4 mm，相對誤差為2.2%。由此能夠看出，轉向節臂的回彈測量值與實驗模擬值的相對誤差皆不超過5%，加工預變形凹槽孔能夠有效保證轉向節臂端部的表面質量，通過實驗驗證了模擬結果的準確性，實驗的結果能夠指導實際工業生產。

4 結論

通過彈塑性有限元分析，得到了摩擦因數與回彈量之間的變化關系以及預變形孔的大小對回彈的影響規律。

1）當摩擦因數相同時，預變形凹槽孔的半徑越大，徑向位移越小，而回彈量基本保持不變。在冷精整過程中，當預變形凹槽孔的半徑相同時，預變形孔的深度影響可以忽略不計。

2）當摩擦因數為0.2時，徑向位移的回彈量最大。隨著摩擦因數的增大，轉向節臂端部鍛件鼓形越明顯。

3）當預變形凹槽孔的半徑為4 mm、深度為0.3 mm、摩擦因數為0.2時，轉向節臂端部鍛件的冷精整達到了工藝要求。基于所得到的結論，可以對精整量進行優化選擇，并應用于實際的工藝工程上。

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Optimization of Cold Finishing Process for the End of Automobile Knuckle Arm

WAN Jia-xiong1,WU Jian-xiang2,YAN Yang2,DING Hua-feng1,2

(1. Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei Xiangyang 441053, China; 2. Hubei Sanhuan Forging Co., Ltd., Hubei Xiangyang 441700, China)

The work aims to obtain the relationship between the change rule of the one-way compression cold finishing and the radius and depth of the pre-deformed hole and between the friction coefficient and the rebound. The upper and lower surfaces of the forgings at the end of the knuckle arm were treated with pre-deformed grooves, and the elastoplastic finite element model of the forgings with unidirectional compression and cold finishing was established. The ABAQUS finite element software was used for numerical simulation to analyze the effects of the friction coefficient on the surface quality. The optimized process parameters were obtained. The accuracy of the simulation result was verified by experiment. The results showed that the greater the friction coefficient, the more obvious the drum shape of the knuckle arm end forging after cold finishing. When the finishing amount was 1 mm, the radius of the pre-deformed groove hole was 4 mm and the depth was 0.3 mm, the unidirectional compression was 1.1 mm and the friction coefficient was 0.2, the best surface quality can be obtained. When the friction coefficient is the same, the larger the radius of the pre-deformed groove hole, the smaller the radial displacement, and the rebound remains basically unchanged.

automobile knuckle arm; cold finishing; process optimization; rebound

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.009

TG316；U463.46

A

1674-6457(2022)09-0066-07

2021–12–22

湖北省教育廳科學技術研究計劃青年人才項目（Q20202602）

宛加雄（1996—），男，碩士生，主要研究方向為汽車輕量化及CAE分析。

丁華鋒（1986—），男，博士，副教授，主要研究方向為汽車輕量化設計及制造技術。

責任編輯：蔣紅晨