文/李偉，陳文琳，吳躍·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院何慶偉，鄭明玉·合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司

改進(jìn)轉(zhuǎn)向臂鍛造成形工藝

文/李偉，陳文琳，吳躍·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院何慶偉，鄭明玉·合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司

隨著能源與材料價(jià)格的不斷上漲，如何降低能耗、提高材料利用率成為鍛造企業(yè)最關(guān)心的問題之一。轉(zhuǎn)向臂是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中最重要的承力零件之一，市場(chǎng)對(duì)其強(qiáng)度與精度要求越來越高。選擇合理的鍛造工藝不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還會(huì)提高材料利用率、延長(zhǎng)模具壽命。本文對(duì)原有鍛造工藝進(jìn)行分析，針對(duì)存在的問題并結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)條件，對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出輥鍛制坯→彎曲→終鍛工藝流程，并通過有限元分析軟件驗(yàn)證了新流程的可行性。

轉(zhuǎn)向臂原有鍛造工藝

圖1 轉(zhuǎn)向臂鍛件圖

轉(zhuǎn)向臂鍛件如圖1所示，鍛件質(zhì)量4.4kg，材料為42CrMo。轉(zhuǎn)向臂整體呈多向彎曲狀態(tài)，截面變化較為劇烈，鍛件兩端頭部與中部截面較大，兩端頸部截面較小。原鍛造工藝下料（尺寸φ60mm×280mm）→中頻加熱→彎曲→終鍛（1600t摩擦壓力機(jī)）已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求。原工藝的特點(diǎn)是下料后不經(jīng)過輥擠制坯，而是直接彎曲、終鍛，其存在以下問題：

⑴材料利用率較低，僅為71%。

⑵飛邊分布不均勻（圖2）。

圖2 轉(zhuǎn)向臂終鍛件圖

⑶多余金屬積存在飛邊槽，終鍛時(shí)金屬流動(dòng)劇烈，嚴(yán)重增大了模具的磨損，降低了模具壽命，也增大了模鍛的終鍛力。

⑷在彎曲處，容易造成材料匯流而形成折疊。

⑸需要充分考慮彎曲時(shí)引起的拉伸現(xiàn)象、坯料彎曲和終鍛定位等問題。

問題分析

該鍛件帶有彎曲，繪制截面圖時(shí)應(yīng)先將鍛件沿中性面處展開，如圖3所示。

圖3 計(jì)算毛坯圖

毛坯橫截面積的計(jì)算方式如下：

式中 Ad—鍛件橫截面積（mm2）；

Af—飛邊橫截面積（mm2）；

k—飛邊槽充滿系數(shù)（摩擦壓力機(jī)k取0.4～0.6，輥鍛制坯可取較小值，彎曲處為0.6，其余取0.4）。

計(jì)算毛坯圖如圖3所示。根據(jù)計(jì)算毛坯圖最大截面尺寸，可選取φ60mm的原始棒料，原始棒料長(zhǎng)度為229.3mm，取整后可得原始坯料規(guī)格為φ60mm×230mm。k越大，金屬在制坯型腔中變形時(shí)作用在金屬上的水平分力就越大。

輥鍛制坯設(shè)計(jì)

圖4 輥鍛毛坯圖

對(duì)上述問題進(jìn)行分析可知，飛邊分布不均勻，部分區(qū)域飛邊過大、過厚，主要是沒有制坯工序，金屬分配不合理造成的。因此，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況，采用輥鍛制坯工藝。根據(jù)毛坯圖，考慮輥鍛毛坯在彎曲、終鍛模腔中的擺放，彎曲時(shí)產(chǎn)生拉伸作用等情況，輥鍛毛坯采用圓形且短于計(jì)算毛坯長(zhǎng)度。根據(jù)輥鍛毛坯設(shè)計(jì)原則，得到輥鍛毛坯圖，如圖4所示。

輥鍛道次及型槽系

輥鍛道次根據(jù)最小截面處選取，根據(jù)輥鍛毛坯圖，首先計(jì)算出該區(qū)段總延伸系數(shù)，隨后根據(jù)公式計(jì)算得出，采用兩道次輥鍛，且第二道次型槽截面為圓形，因此選用橢圓—圓形槽系。根據(jù)查表可確定型槽截面尺寸，如圖5所示。

圖5 型槽截面尺寸

第一道輥鍛件設(shè)計(jì)

根據(jù)第二道輥鍛件形狀與第一道各截面形狀，通過相應(yīng)計(jì)算確定第一道次的輥鍛件形狀，如圖6所示。

圖6 第一道次輥鍛毛坯圖

有限元驗(yàn)證

有限元模型的建立

隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，有限元軟件能準(zhǔn)確模擬金屬在模具型腔中的流動(dòng)與受力等。將幾何模型導(dǎo)入有限元軟件中，采用剛塑性有限元模型，模具作為剛性體，坯料為塑性體。坯料材料為42CrMo，初始加熱溫度為1180℃，模具材料為H13，初始加熱溫度為200℃。

兩道次輥鍛件不同區(qū)段應(yīng)考慮前滑作用，為準(zhǔn)確模擬機(jī)械手的夾持作用，對(duì)坯料夾持端添加垂直于運(yùn)動(dòng)方向的速度約束。上下輥中心距為460mm，轉(zhuǎn)速為3.14rad/s。坯料模具間采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.4，建立的有限元模型如圖7所示。

模擬結(jié)果分析

第一道次輥鍛結(jié)束后，將坯料旋轉(zhuǎn)90°放入第二道輥鍛型腔中。各道次輥鍛完成后坯料形狀如圖8所示。第一道輥鍛件設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為245mm，模擬結(jié)果為242.4mm，誤差為1.3%；第二道輥鍛件設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為285mm，模擬結(jié)果為282mm，誤差為0.84%，誤差較小，模擬結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算過程的正確性，為輥鍛模具的設(shè)計(jì)提供了有效依據(jù)。輥鍛毛坯圖上沒有產(chǎn)生飛邊和折疊，所得輥鍛件符合彎曲、終鍛要求。

圖7 有限元模型

在彎曲工序中，坯料的擺放位置至關(guān)重要。坯料定位不準(zhǔn)確，將會(huì)在終鍛過程中出現(xiàn)一邊充不滿，另一邊飛邊過多的情況。坯料在彎曲型腔中擺放位置如圖7b所示。圖9為彎曲過程的數(shù)值模擬，直觀地展示了金屬在彎曲型腔中的流動(dòng)情況，該彎曲型腔有兩個(gè)彎角，除了彎曲成形外，還具有拉伸效果。圖9a為第一個(gè)彎角的成形，此時(shí)坯料一端為自由端，向上彎曲到接觸上模型腔后，第二個(gè)彎角開始成形，如圖9b所示。此后坯料兩端均被夾緊，隨著上模下行，坯料逐漸被拉伸，直至圖9c所示彎曲結(jié)束。

圖8 輥鍛模擬結(jié)果

圖9 彎曲過程

由于該鍛件為多彎角形，終鍛型腔也帶有彎角，容易導(dǎo)致坯料擺放不穩(wěn)定，因此終鍛坯料的擺放也十分關(guān)鍵。彎曲后毛坯在終鍛型腔中位置如圖7c所示。彎曲和終鍛過程中型腔都帶有彎角，具有拉伸作用，因此在設(shè)計(jì)毛坯時(shí)應(yīng)充分考慮在相應(yīng)位置適當(dāng)增大截面。

終鍛成形結(jié)果如圖10b所示，與原有工藝（圖10a）相比較，經(jīng)輥鍛制坯后所得終鍛件飛邊較小，分布較為均勻，材料利用率顯著提高，達(dá)到86%。

成形極限載荷如圖11所示，極限載荷為933t，可選用1000t壓力機(jī)，而原有工藝極限載荷為1240t，需在1600t壓力機(jī)上進(jìn)行終鍛。經(jīng)輥鍛制坯后減小了設(shè)備噸位，減少了能耗，降低了金屬與模具型腔的接觸應(yīng)力，減少了對(duì)模具的損害。終鍛時(shí)，金屬坯料在終鍛型腔中的速度分布如圖12所示，改進(jìn)前飛邊槽處金屬流動(dòng)速度明顯大于改進(jìn)后，改進(jìn)后降低了金屬在飛邊槽處對(duì)型腔的磨損，從而提高了模具壽命。

圖10 終鍛件圖

圖11 成形極限載荷

圖12 終鍛速度分布圖

結(jié)束語

以某汽車轉(zhuǎn)向臂為研究對(duì)象，通過對(duì)鍛件結(jié)構(gòu)和原有鍛造工藝過程的分析，設(shè)計(jì)了輥鍛制坯→彎曲→終鍛的鍛造工藝。采用有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)改進(jìn)后的工藝進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)比分析了改進(jìn)前后飛邊分布、成形載荷、終鍛金屬流動(dòng)速度分布，結(jié)果表明改進(jìn)后工藝在以下三方面具有優(yōu)勢(shì)：

⑴通過對(duì)轉(zhuǎn)向臂現(xiàn)有工藝的分析，提出了輥鍛制坯的工藝方案，對(duì)輥鍛制坯進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，得到了符合制坯要求的輥鍛毛坯，通過數(shù)值模擬驗(yàn)證了該方案的可行性。

⑵材料利用率由71%提高到86%，成形設(shè)備噸位顯著減小，提高了材料利用率，降低了設(shè)備能耗，提高了模具壽命。

⑶為轉(zhuǎn)向臂輥鍛制坯工藝設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，也可為其他類似轉(zhuǎn)向臂類輥鍛件制坯過程提供參考。

李偉，主要研究方向?yàn)樗苄猿尚闻c模具CAD/CAE。