喻建軍，陳文琳，沙奔，張?jiān)?，李之?/p>

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009;2.合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司，合肥 230031)

汽車拖鉤是汽車發(fā)生故障后，用以借助外力拖動(dòng)汽車的重要安全部件。在使用過(guò)程中，為防止其發(fā)生斷裂或磨損，對(duì)拖鉤的強(qiáng)度、硬度及沖擊韌性都有一定要求[1]。

汽車拖鉤屬于長(zhǎng)軸類的彎曲件，原生產(chǎn)工藝采用滾擠制坯－預(yù)鍛－終鍛的模鍛成形或熔模鑄造成形[2－3]。由于拖鉤件截面變化劇烈，因而要求在制坯過(guò)程中有較大的伸長(zhǎng)率，而滾擠制坯過(guò)程中毛坯延伸較少，采用熔模鑄造成形，零件表面質(zhì)量較好，但零件強(qiáng)度、韌性等機(jī)械性能均較低，長(zhǎng)期使用容易出現(xiàn)問(wèn)題。為提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品使用性能，文中采用輥鍛制坯－彎曲－模鍛成形的生產(chǎn)工藝，并對(duì)輥鍛制坯過(guò)程進(jìn)行理論分析及有限元模擬。

1 輥鍛制坯工藝

1.1 輥鍛毛坯圖

拖鉤鍛件的平面圖及三維示意圖如圖1所示。輥鍛制坯為模鍛提供合理的毛坯，其設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是輥鍛毛坯圖的制定。模鍛前合理的毛坯形狀應(yīng)接近計(jì)算毛坯的形狀。由此，輥鍛毛坯圖的制定應(yīng)依據(jù)計(jì)算毛坯的形狀和尺寸。

計(jì)算毛坯的橫截面積可按下式計(jì)算[4]:

式中:Fa——鍛件橫截面積;

圖1 拖鉤鍛件Fig.1 Forging drawing of hook

Ff——飛邊橫截面積;

K——飛邊槽充滿系數(shù)，在摩擦壓力機(jī)上模鍛時(shí)K取0.4～0.6，由于輥鍛時(shí)所得到的毛坯尺寸比較穩(wěn)定，K值可以取得略低些。

繪制拖鉤截面圖時(shí)，首先根據(jù)鍛件圖將拖鉤彎曲部分沿中性層展開，截取若干特征截面，計(jì)算得截面和計(jì)算毛坯，如圖2所示。依據(jù)計(jì)算的毛坯最大截面尺寸，可選取原始毛坯直徑為φ47.3 mm，由此按照標(biāo)準(zhǔn)鋼材型號(hào)選擇φ48 mm圓鋼坯，并由式(2)計(jì)算原始毛坯長(zhǎng)度:

圖2 拖鉤截面圖及計(jì)算毛坯Fig.2 Section map and blank map of hook

式中:V0——原始毛坯體積，由鍛件截面圖計(jì)算得到;

Ky——燒損系數(shù)，中頻加熱取 0.5% ～0.8%。

由截面圖和計(jì)算毛坯圖得到輥鍛毛坯圖時(shí)，應(yīng)根據(jù)截面積大小的不同，在鍛件長(zhǎng)度方向劃分出幾個(gè)變形區(qū)，并將截面圖中的曲線用相應(yīng)的直線代替。同時(shí)，由于拖鉤大頭部原始棒料和計(jì)算毛坯圖相差不大，在輥鍛制坯過(guò)程中并不成形，而作為機(jī)械手夾持的料頭部分，小頭部截面積是漸變的，且尺寸較小，若輥鍛制坯完全成形，在增加輥鍛道次的同時(shí)還會(huì)因?yàn)樽冃瘟窟^(guò)大而導(dǎo)致坯料在輥鍛過(guò)程中失穩(wěn)，因此可取平均尺寸作為輥鍛毛坯尺寸。根據(jù)以上原則，所得輥鍛毛坯如圖3所示。

圖3 輥鍛毛坯Fig.3 Blank drawing of roll forging

1.2 輥鍛道次的確定及型槽系的選擇

根據(jù)圖3得到輥鍛毛坯的最大截面面積:Fmax=1749.6 mm2，最小截面面積:Fmin=530.9 mm2;計(jì)算得輥鍛制坯過(guò)程中的總延伸系數(shù):

輥鍛道次Z可由式(4)確定:

式中:λp為平均延伸系數(shù)，通常取 1.4 ～1.6，計(jì)算可得拖鉤的輥鍛制坯道次為2。

輥鍛過(guò)程中，型槽系的選擇受諸多因素的影響，考慮輥鍛后模鍛成形對(duì)毛坯截面形狀的要求，針對(duì)拖鉤件，選擇橢圓-圓型槽系，并利用相應(yīng)矩形法計(jì)算中間毛坯截面尺寸，即確定第1道輥鍛后各特征截面對(duì)應(yīng)尺寸，所得各部分尺寸如圖4所示。

圖4 輥鍛型槽系及對(duì)應(yīng)截面尺寸Fig.4 System of groove of roll forging and corresponding crosssection size

2 輥鍛制坯有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

建立幾何模型前，首先根據(jù)輥鍛毛坯，經(jīng)分模、中心角的計(jì)算，并考慮毛坯在輥鍛過(guò)程中伴隨的前后滑現(xiàn)象，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定前滑值，進(jìn)而確定各特征區(qū)段在弧形輥鍛模上對(duì)應(yīng)的尺寸。然后在三維造型軟件中，建立三維實(shí)體模型，將其導(dǎo)入有限元模擬軟件。模擬過(guò)程中，工件采用剛塑性材料模型(40Cr，對(duì)應(yīng)牌號(hào)為AISI-5140)，模具采用剛性體，為了模擬實(shí)際機(jī)械手的夾持作用，對(duì)工件端部進(jìn)行上下位移約束，工件初始單元為29944個(gè)，初始溫度為1180℃，上下輥中心距為400 mm，鍛輥的角速度為2.1 rad/s，工件與輥鍛模的摩擦采用剪切摩擦模型，輥鍛模采用水基石墨潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)為0.3，得到輥鍛制坯有限元模型如圖5所示。

圖5 輥鍛制坯有限元模型Fig.5 Finite element model of roll forging process

2.2 模擬結(jié)果與討論

輥鍛制坯過(guò)程模擬工步如圖6所示，可以看出，經(jīng)過(guò)兩道次輥鍛過(guò)程，工件的徑向尺寸變化較大，特別是端部，達(dá)到較大的伸長(zhǎng)率，且最終得到的拖鉤坯料無(wú)飛邊、無(wú)毛刺，完全符合制坯工藝的要求，說(shuō)明輥鍛制坯在拖鉤制坯工藝中的可行性。輥鍛時(shí)，工件在模具型腔中逐漸變形，整個(gè)變形過(guò)程是由各局部變形完成的，因此輥鍛工藝較一般模鍛工藝所需的力小得多。輥鍛力矩是選擇輥鍛設(shè)備的重要依據(jù)，在模擬過(guò)程中，可以通過(guò)各節(jié)點(diǎn)在變形過(guò)程中的節(jié)點(diǎn)力，計(jì)算得出輥鍛力矩，從而得到輥鍛力矩的變形規(guī)律，作為工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇的依據(jù)。制坯兩道次的輥鍛力矩如圖7所示，波峰的出現(xiàn)對(duì)應(yīng)模具型腔截面變化的階段，這與理論計(jì)算是符合的。

圖6 輥鍛制坯變形過(guò)程Fig.6 Blank deformation process of roll forging

圖7 輥鍛力矩變化Fig.7 Torque change of roll forging

制坯過(guò)程中不同時(shí)刻的應(yīng)力變化情況如圖8所示。第1道次變形過(guò)程中的應(yīng)力分布情況如圖8a所示，setp10所示工件中間被模具咬合，在咬合力的作用下形成應(yīng)力場(chǎng)，且與模具接觸部分應(yīng)力較大，其他部分基本未變形。隨著變形過(guò)程中壓下量增加到最大值，應(yīng)力達(dá)到最大值，為133 MPa。第2道次變形過(guò)程中的應(yīng)力分布情況如圖8b所示，由于坯料在第1道次結(jié)束后需翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)入第2道次型腔，此時(shí)第1道次末端大變形區(qū)域在第2道次變形過(guò)程中變形量大，當(dāng)模具與該區(qū)域開始接觸時(shí)，由于接觸面積較小而變形量大，該處應(yīng)力集中，應(yīng)力達(dá)到最大值145 MPa。比較兩道次制坯過(guò)程，第2道次變形過(guò)程中應(yīng)力較第1道次的大，這是由于第1道次形成的橢圓坯料旋轉(zhuǎn)進(jìn)入第2道次形成一個(gè)窄而高的變形區(qū)域造成的。

圖8 制坯過(guò)程的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of blanking process

工件輥鍛制坯后，經(jīng)彎曲、終鍛成形得到的終鍛件如圖9所示，可以看出，工件充填良好，飛邊較為均勻，無(wú)折疊等鍛造缺陷，符合設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明輥鍛制坯的設(shè)計(jì)過(guò)程是合理有效的。終鍛過(guò)程的行程載荷曲線如圖10所示，最大載荷為7.88 MN，即788 t。

圖9 拖鉤終鍛件Fig.9 Finish forging of hook

圖10 終鍛過(guò)程載荷-行程曲線Fig.10 Load-stroke curve of finish forging process

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)拖鉤輥鍛制坯工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立輥鍛過(guò)程有限元模型，利用三維剛塑性有限元分析技術(shù)對(duì)輥鍛制坯過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了坯料在型槽中的變形過(guò)程及應(yīng)力分布情況，得到了制坯過(guò)程中輥鍛力矩的變化規(guī)律，所得坯料無(wú)飛邊、無(wú)毛刺，符合制坯要求，并經(jīng)終鍛成形得到良好的終鍛件，表明采用輥鍛工藝對(duì)拖鉤進(jìn)行制坯是可行的，所得結(jié)果可作為指導(dǎo)拖鉤輥鍛工藝設(shè)計(jì)及相關(guān)參數(shù)選取的依據(jù)，也可為其它相關(guān)輥鍛制坯設(shè)計(jì)過(guò)程提供參考。

[1]傅薇，張影.轎車拖鉤強(qiáng)度分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，32(S1):101 －103.

[2]廉峰月.拖鉤類精鑄件的質(zhì)量控制[J].汽車工業(yè)與材料，2002(11):12 －13，31.

[3]趙宇，柳吉華.汽車拖鉤以鑄代鍛試制[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，20(4):22 －24.

[4]張承鑒.輥鍛技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986:147－160.