文/吳躍，陳文琳，郭震·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂鍛造工藝的設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

文/吳躍，陳文琳，郭震·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

節(jié)能、安全、舒適和環(huán)保是當(dāng)今世界發(fā)展的主題，而輕里化是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)最有效的途徑。鋁合金鍛件具有密度小、比強(qiáng)度高和比剛度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已在航空航天、交通運(yùn)輸、船舶、兵器等各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂在汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中起著非常重要的作用，其對(duì)結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能有著較高的要求。傳統(tǒng)的銑削加工效率低，且破壞了金屬內(nèi)部的流線，因此采用鍛造方式生產(chǎn)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂。

本文以某汽車右轉(zhuǎn)向節(jié)臂為例，通過對(duì)鍛件結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行分析，確定坯料尺寸。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際設(shè)計(jì)了拔長(zhǎng)→終鍛的鍛造工藝。對(duì)制坯和終鍛過程進(jìn)行了有限元建模和數(shù)值模擬，根據(jù)終鍛充填情況調(diào)整了拔長(zhǎng)坯料的尺寸，并分析了終鍛過程中坯料的充填、等效應(yīng)變、溫度等的分布情況，為汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂的工藝設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠依據(jù)。

鍛件工藝設(shè)計(jì)

工藝分析

圖1 右轉(zhuǎn)向節(jié)臂鍛件二維圖

圖2 右轉(zhuǎn)向節(jié)臂鍛件三維圖

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂鍛件圖如圖1所示，屬于長(zhǎng)軸類鍛件，總長(zhǎng)度為231.5mm。其桿部的一端有兩節(jié)截面面積變化不大的臺(tái)階，桿中間部分的截面由φ38mm的圓過渡到38mm×27mm的矩形，后接φ38mm的3/4圓柱體。鍛件上下對(duì)稱，分型面取在中間，拔模斜度為7°。鍛件整體上形狀較為簡(jiǎn)單，頭部有伸出的枝芽，制坯時(shí)需要在此更多地聚料，以保證頭部能夠充滿。鍛件三維圖如圖2所示。該右轉(zhuǎn)向節(jié)臂所選用的材料是7075鋁合金，鍛件質(zhì)里為0.675kg。

飛邊槽的確定

由于鍛件整體形狀較為簡(jiǎn)單，沒有十分難以充填的部分，飛邊槽選擇單倉的形式。壓力機(jī)的噸位選擇的是6300kN，根據(jù)壓力機(jī)的噸位確定的飛邊形狀及尺寸如圖3所示。

圖3 飛邊槽的形狀和尺寸

計(jì)算毛坯圖、制坯工步及坯料尺寸

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂毛坯圖如圖4所示。此右轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件的整體形狀較為簡(jiǎn)單，考慮到采用摩擦壓力機(jī)終鍛，整個(gè)過程是一火成形，為減小制坯時(shí)間，故選用空氣錘拔長(zhǎng)制坯，以最大直徑下料并拔長(zhǎng)。故該鍛件采用拔長(zhǎng)→終鍛兩工步成形。

圖4 右轉(zhuǎn)向節(jié)臂毛坯圖

經(jīng)計(jì)算，毛坯頭部的最大直徑為50mm，考慮燒損和飛邊里，確定坯料體積為3.05×105mm3。按最大直徑dmax=50mm下料，則下料長(zhǎng)度L坯=155.3mm，取L坯=156mm。

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂成形數(shù)值模擬與結(jié)果分析

有限元模型的建立

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂的鍛造工藝有限元模擬分為自由鍛拔長(zhǎng)制坯和壓力機(jī)終鍛兩個(gè)階段。在有限元模型中，將工件定義為塑性材料，上下砧定義為剛性材料，坯料與上下模之間的摩擦系數(shù)定義為0.4，制坯溫度設(shè)置為350℃。為使模型計(jì)算容易收斂且節(jié)約時(shí)間，每步的長(zhǎng)度一般選為最小單元體長(zhǎng)度的1/3～1/10，設(shè)置每步計(jì)算步長(zhǎng)為0.6mm。制坯建立的有限元模型如圖5a所示。

在終鍛階段，繼承模擬得到的坯料模型，進(jìn)行終鍛設(shè)置。模具溫度設(shè)置為250℃。上模的壓下速度設(shè)置為100mm/s，以上下模具接觸為上模運(yùn)動(dòng)的停止條件，其余參數(shù)設(shè)置與制坯階段一致。終鍛建立的有限元模型如圖5b所示。

圖5 有限元模型的建立

坯料尺寸分析

由于頭部的成形需要較多的金屬，而桿部直徑變化不大，因此希望圓柱坯料在頭部有更多的聚料，故按最大直徑φ50mm下料，并將桿部拔長(zhǎng)為35mm×35mm的矩形截面，拔長(zhǎng)后的坯料形狀和尺寸如圖6a所示。將拔長(zhǎng)后坯料放入終鍛型腔，以頭部的直邊進(jìn)行定位并終鍛，成形效果如圖6b所示。由圖6b可知，桿部的充填效果較好，但頭部的飛邊槽倉部并未充滿，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，頭部可能無法成形。因此，制坯時(shí)在頭部需要聚更多的料，下料尺寸取為φ52mm×146mm，拔長(zhǎng)后坯料的形狀和尺寸如圖7a所示，與圖6a相比，其頭部直徑更大，在終鍛模擬中，坯料頭部的充填情況得到了改善，整體充填良好，如圖7b所示。因此，坯料的最終尺寸定為φ52mm×146mm。

圖6 初始鍛件成形質(zhì)量

圖7 調(diào)整坯料后的鍛件成形質(zhì)量

終鍛過程速度場(chǎng)分析

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂終鍛過程的速度場(chǎng)分布如圖8所示。桿部一端的金屬受壓，有進(jìn)入飛邊槽的趨勢(shì)，頭部的金屬被壓入上下模膛，推擠桿部金屬向左流動(dòng)。同時(shí)，頭部金屬向右流動(dòng)，初步進(jìn)入枝芽（圖8a）。鍛件已成形，頭部也已充滿，鍛件內(nèi)部金屬基本不再流動(dòng)，主要是飛邊的急速充填，桿部飛邊的金屬流速達(dá)到150～440mm/s（圖8b）。

圖8 金屬的速度場(chǎng)分布

終鍛過程等效應(yīng)變分析

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂終鍛過程沿軸線豎直截面的等效應(yīng)變分布如圖9所示。鍛件右側(cè)區(qū)域應(yīng)變值明顯小于左側(cè)區(qū)域的應(yīng)變值，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是制坯過程中，坯料頭部處于被夾持的狀態(tài)，沒有變形，在終鍛時(shí)心部金屬只進(jìn)行了有限的變形，致使等效應(yīng)變普遍偏低；而左側(cè)的金屬在制坯階段已積累了很大的應(yīng)變里，在終鍛時(shí)又不斷受壓變形，故桿部應(yīng)變很大。鍛件桿部中心處的等效應(yīng)變隨著變形進(jìn)行略有減小，原因是在上模下壓過程中，桿部中心金屬受壓向兩側(cè)飛邊流動(dòng)，在平行于分型面的方向應(yīng)變值增大，抵消了一部分制坯時(shí)金屬在豎直方向的應(yīng)變?cè)黾?，從而等效?yīng)變值有所下降。

終鍛過程溫度場(chǎng)分析

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂終鍛過程溫度場(chǎng)分布如圖10所示，總的分布情況是外表溫度小于內(nèi)部溫度，內(nèi)部溫度較飛邊略小。鍛件的內(nèi)部相當(dāng)于鐓粗的小變形區(qū)，變形產(chǎn)生的熱里向外圍金屬傳遞，溫度形成了由內(nèi)向外的負(fù)梯度。由于坯料頭部在整個(gè)終鍛中一直與模具相接觸，和模具進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的換熱，其溫度相比桿部較低。P3點(diǎn)處于頭部金屬的外層，溫度變化十分明顯，自金屬接觸上模至終鍛完成，溫度由355℃下降至325℃。其他三點(diǎn)處的金屬在變形中產(chǎn)生熱里不斷向周圍傳遞，溫度基本維持在360～370℃。飛邊處的溫度要高于鍛件溫度，這是由于金屬被壓入飛邊時(shí)發(fā)生了劇烈的變形，產(chǎn)生了很大的熱里，而這一過程在極短時(shí)間內(nèi)完成，飛邊金屬與模具的換熱不充分，進(jìn)而溫度上升較高。

圖9 鍛件等效應(yīng)變分布圖

圖10 鍛件溫度分布圖

結(jié)束語

右轉(zhuǎn)向節(jié)臂零件并不復(fù)雜，但有長(zhǎng)軸類零件的顯著特點(diǎn)。本文對(duì)右轉(zhuǎn)向節(jié)臂制坯和終鍛過程進(jìn)行了有限元建模和數(shù)值模擬，根據(jù)終鍛充填情況調(diào)整了拔長(zhǎng)坯料的尺寸，并分析了終鍛過程中坯料的充填、等效應(yīng)變、溫度等的分布情況，對(duì)汽車轉(zhuǎn)向節(jié)臂的工藝設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。