卡車轉向節鍛造成形過程的數值模擬

文/楊棟，陳文琳·合肥工業大學材料科學與工程學院鄭明玉，肖來斌·安徽省合肥汽車鍛件有限責任公司

卡車轉向節鍛造成形過程的數值模擬

文/楊棟，陳文琳·合肥工業大學材料科學與工程學院鄭明玉，肖來斌·安徽省合肥汽車鍛件有限責任公司

轉向節是汽車底盤上的關鍵零部件，機械性能要求高，形狀復雜，成形難度大。由于其結構的特殊性，多采用臥式鍛造成形。傳統鍛造工藝為錘上模鍛，一般需要兩次加熱、自由鍛制坯、錘上或者摩擦壓力機上鍛造成形。在加熱時只能采用火焰加熱或者電爐加熱，而不能采用中頻加熱，不符合節能減排的要求，而且鍛件質量較差，廢品率比較高。為此，有必要改進成形工藝，采用中頻加熱，一火加熱的鍛造工藝。

在轉向節鍛造工藝設計中，制坯設計與制坯操作得當，得到的制坯件體積分配合理，表面光順平滑，不僅有利于鍛件順利成形，避免折疊充不滿等缺陷，而且還可以節省材料，飛邊相對較小，提高模具壽命。本文針對某卡車轉向節的結構特點，提出一火成形的工藝方法，通過有限元模擬，分析成形過程的載荷、應力、應變等信息，確定鍛造成形工藝，優化各工步尺寸和形狀，減少修模次數。

工藝設計

卡車轉向節是控制卡車前輪轉向的保安件，圖1、2分別為其二維圖和三維圖。鍛件采用的材料為40Cr，鍛件質量為9.3kg?？梢钥闯?，此卡車轉向節屬于“軸─盤─叉”結構，軸部細且長，長達169mm，最小直徑為φ28mm，盤部窄而大，最大截面直徑為φ165mm，寬度為16mm，叉部兩個耳朵一個長而淺，一個短而深，這使得截面變化非常劇烈，屬于形狀復雜鍛件，成形難度大。同時在叉部長而淺的耳朵內襠處與軸線有一個夾角，因此只能采用臥式鍛造工藝。

在成形過程中，軸部與盤部連接處截面變化最為劇烈，金屬流動復雜，制坯效果不好，極易使該處飛邊過大；盤部又深又窄，在該處極易出現充不滿現象；叉部兩個耳朵需要的料基本差不多，但形狀正好相反，一個長而淺，一個短而深，金屬流動復雜，若分料不合理，易出現折疊、充不滿、飛邊過大等問題。因此，鍛件成形的關鍵在于如何保證合理分配材料、充滿型腔、飛邊盡可能均勻、避免出現折疊等缺陷。在工藝上考慮到毛坯的形狀尺寸、坯料在型腔的放置位置、鍛造操作時打擊力的大小等，根據公司條件改進工藝，在16000kN摩擦壓力機上實現一火臥式鍛造。

對毛坯尺寸進行計算：毛坯體積Vd=1316417.6mm3，飛邊體積按飛邊槽容納70%計算，即Vf=23200mm3，取氧化燒損率為0.75%，則坯料體積為Vp=(1+0.75%)(Vd+Vf)=1744900mm3。取高徑比m=2，則坯料直徑d=103.5mm，按標準規格選擇坯料直徑為dp=100mm，則下料長度為221mm，考慮到下料誤差等取長度為225mm，確定坯料尺寸為φ100mm×225mm，根據現有的生產鍛件條件，采用自由鍛制坯，摩擦壓力機終鍛成形工藝，選擇頭部鐓粗→桿部拔長→預鍛→終鍛。設計時主要考慮了以下3點：

圖1 轉向節鍛件圖

圖2 轉向節三維圖

⑴頭部鐓粗是為了滿足轉向節叉部兩個耳朵的用料，既保證在長度方向的料又保證在深度方向上的料，得到合理的材料分配，該工步在1t空氣錘上進行。

⑵桿部拔長是為了滿足細長桿部的用料，避免終鍛時桿部缺料，此工步也在1t空氣錘上進行。

⑶設計預鍛型腔是為了完成叉部劈分工作，使預鍛件在終鍛時頭部的兩個耳朵能夠充滿型腔，在16000kN摩擦壓力機上臥式劈叉。

有限元分析

有限元模型的建立

有限元模型中，工件定義為塑性材料模型40Cr，模具定義為剛性材料，設定坯料初始溫度為1180℃、模具初始溫度為250℃,取剪切摩擦因子為0.3，建立的有限元模擬鍛造過程如圖3所示。以制坯工步的最后一步作為預鍛工步的初始毛坯，預鍛的最后一步作為終鍛件的初始毛坯，這樣更加真實地反映成形過程的鍛件形狀、工藝參數、材料性能等產生的變化。

圖3 有限元模擬鍛造過程

制坯尺寸的確定與模擬

圖4 制坯形狀與控制尺寸

在轉向節鍛造工藝設計中，制坯和預鍛的形狀和尺寸是關鍵。該轉向節制坯難度較大，在自由鍛錘上完成制坯，首先保證毛坯有足夠的長度，并且使毛坯各截面有足夠的金屬以保證終鍛成形飽滿，制坯時桿部直徑很小，與坯料直徑相差很大，按傳統拔長方式勢必會增加時間和消耗體力；同時頭部的制坯尺寸要求也很嚴，在自由鍛錘上只能拍成扁方形，長寬高尺寸也要保證。根據體積相等原則，制坯工步的形狀與需要控制的尺寸如圖4所示，圖5為模擬成形的最終制坯形狀。

預鍛模擬

預鍛是繼制坯后又一關鍵工步，預鍛中鍛件材料在模腔中的金屬分配已經確定，因此該工步設計的優劣直接影響終鍛的成敗。由于該鍛件頭部叉形不對稱，如果按照傳統對稱式劈料臺設計，會造成兩個叉部一個充不滿，一個金屬料過多，最終導致終鍛件充不滿。根據體積不變原則和多次數值模擬，采用不對稱的劈料臺可以解決這個問題。

同時，由于頭部兩個叉部的存在，中間留有很薄的連皮，所以在制坯件放到預鍛型腔時，會使頭部翹起，不易定位，在預鍛時出現定位不準的現象，為此，將該劈料臺在上模設置成凸起形式，保證制坯件放入預鍛型腔能夠水平放置即可，在實際制造預鍛模具時，可以通過堆焊的方法將上模的凸臺焊出，如圖6所示。

通過數值模擬，可以更加直觀地分析金屬的流動、載荷曲線及應力應變場的分布等。圖7顯示了材料在預鍛型腔中的流動情況。預鍛最主要的作用是預鍛模具的劈料臺成形鍛件頭部的兩個耳朵和中間法蘭的聚料，合理分配材料、減少終鍛載荷。從模擬的金屬材料流動情況看，已經基本成形出大概輪廓，而且一次飛邊較少。

圖5 制坯成形圖

圖6 預鍛模具型腔

圖7 預鍛變形過程圖

圖8 a、b為預鍛后鍛件內的等效應力與應變分布圖，應力場分析可作為選擇成形設備、校核模具強度的依據。隨著模具運動，頭部受到劈料臺的作用，等效應力和等效應變相對較大，該處最大應力為200MPa，遠大于應力的平均值98MPa，最大應變為4。隨著模具的不斷打靠，出現一次飛邊，在飛邊處應變和應力均很大，應變最大為7，這是由于閉模階段桿部的飛邊較大，導致多余金屬向外流動，變形都集中在飛邊；在桿部等效應力與應變也相對較大，這是由于在該處金屬流動劇烈，其他部分應力與應變分布均勻且較小。

圖9為預鍛過程中載荷的變化曲線，變形曲線初期比較平緩，這時金屬處于充填模膛階段，所以變形力較小。隨著模具的運動，金屬流動加劇，變形力增加；當模具逐漸打靠時，部分金屬會流到型腔外面，形成一次飛邊，使得變形抗力急劇增大最終壓力最大值達到9900kN。

終鍛模擬

終鍛是轉向節鍛造成形的最后一個工步，預鍛工步沒有充滿的金屬在這里得到補充，鍛件在該工步完成最終的成形。圖10a為預鍛件在終鍛型腔中的充填情況，圖中點表示坯料充滿模具型腔，則從圖中可知，鍛件基本成形，飛邊分布相對均勻。圖10b為終鍛件的等效應變分布圖，在飛邊槽橋部起到阻礙金屬流動的作用，使得該處應變很大，其他部分塑性變形量較小，應變較??；而在預鍛時形成的飛邊在終鍛只是產生了偏移而未變形，這符合金屬流動成形規律。

將該工藝的模擬應用到實踐生產中，取得了滿意的結果，最終生產的預鍛件、終鍛件和終鍛件飛邊如圖11所示，與模擬結果對比可知，外形形狀與模擬結果一致；最終鍛件經切邊→校正→拋丸后，通過磁粉探傷、金相分析后，沒有折疊、夾皮、充不滿、晶粒粗大等缺陷，符合產品質量要求。

圖8 預鍛件等效應力應變分布圖

圖9 預鍛載荷曲線

圖10 終鍛模擬結果

圖11 最終生產的預鍛件、終鍛件及飛邊

結束語

⑴只能臥式鍛造的轉向節，采用頭部鐓粗→桿部拔長→整體拍扁→預鍛→終鍛的鍛造工藝，實行一火成形，經實驗驗證是可行的。

⑵針對不對稱的叉類復雜件，采用不對稱式的劈料臺；劈料臺可以通過在上模堆焊出凸臺，有效解決了制坯件在預鍛型腔的定位問題。

⑶從成形效果上看，模擬結果和實驗得到的最終鍛件外形一致，經檢測，鍛件符合質量要求，鍛件合格率在95%以上。

⑷通過有限元模擬計算與實驗分析相結合的方法，研究轉向節鍛造成形規律，為工藝制定和模具設計提了供理論指導。