文/李偉,陳文琳,吳躍·合肥工業大學材料科學與工程學院何慶偉,鄭明玉·合肥汽車鍛件有限責任公司
改進轉向臂鍛造成形工藝
文/李偉,陳文琳,吳躍·合肥工業大學材料科學與工程學院何慶偉,鄭明玉·合肥汽車鍛件有限責任公司
隨著能源與材料價格的不斷上漲,如何降低能耗、提高材料利用率成為鍛造企業最關心的問題之一。轉向臂是汽車轉向系統中最重要的承力零件之一,市場對其強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品質量,還會提高材料利用率、延長模具壽命。本文對原有鍛造工藝進行分析,針對存在的問題并結合現有生產條件,對工藝進行改進,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證了新流程的可行性。
圖1 轉向臂鍛件圖
轉向臂鍛件如圖1所示,鍛件質量4.4kg,材料為42CrMo。轉向臂整體呈多向彎曲狀態,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)已經不能滿足市場對產品質量的要求。原工藝的特點是下料后不經過輥擠制坯,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 轉向臂終鍛件圖
⑶多余金屬積存在飛邊槽,終鍛時金屬流動劇烈,嚴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引起的拉伸現象、坯料彎曲和終鍛定位等問題。
該鍛件帶有彎曲,繪制截面圖時應先將鍛件沿中性面處展開,如圖3所示。
圖3 計算毛坯圖
毛坯橫截面積的計算方式如下:
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(摩擦壓力機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)。
計算毛坯圖如圖3所示。根據計算毛坯圖最大截面尺寸,可選取φ60mm的原始棒料,原始棒料長度為229.3mm,取整后可得原始坯料規格為φ60mm×230mm。k越大,金屬在制坯型腔中變形時作用在金屬上的水平分力就越大。
圖4 輥鍛毛坯圖
對上述問題進行分析可知,飛邊分布不均勻,部分區域飛邊過大、過厚,主要是沒有制坯工序,金屬分配不合理造成的。因此,結合現有設備情況,采用輥鍛制坯工藝。根據毛坯圖,考慮輥鍛毛坯在彎曲、終鍛模腔中的擺放,彎曲時產生拉伸作用等情況,輥鍛毛坯采用圓形且短于計算毛坯長度。根據輥鍛毛坯設計原則,得到輥鍛毛坯圖,如圖4所示。
輥鍛道次及型槽系
輥鍛道次根據最小截面處選取,根據輥鍛毛坯圖,首先計算出該區段總延伸系數,隨后根據公式計算得出,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
第一道輥鍛件設計
根據第二道輥鍛件形狀與第一道各截面形狀,通過相應計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
有限元模型的建立
隨著有限元技術的發展,數值模擬技術在塑性加工領域應用越來越廣泛,有限元軟件能準確模擬金屬在模具型腔中的流動與受力等。將幾何模型導入有限元軟件中,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段應考慮前滑作用,為準確模擬機械手的夾持作用,對坯料夾持端添加垂直于運動方向的速度約束。上下輥中心距為460mm,轉速為3.14rad/s。坯料模具間采用剪切摩擦模型,摩擦系數為0.4,建立的有限元模型如圖7所示。
第一道次輥鍛結束后,將坯料旋轉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。第一道輥鍛件設計長度為245mm,模擬結果為242.4mm,誤差為1.3%;第二道輥鍛件設計長度為285mm,模擬結果為282mm,誤差為0.84%,誤差較小,模擬結果驗證了計算過程的正確性,為輥鍛模具的設計提供了有效依據。輥鍛毛坯圖上沒有產生飛邊和折疊,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重要。坯料定位不準確,將會在終鍛過程中出現一邊充不滿,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為彎曲過程的數值模擬,直觀地展示了金屬在彎曲型腔中的流動情況,該彎曲型腔有兩個彎角,除了彎曲成形外,還具有拉伸效果。圖9a為第一個彎角的成形,此時坯料一端為自由端,向上彎曲到接觸上模型腔后,第二個彎角開始成形,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所示彎曲結束。
圖8 輥鍛模擬結果
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,容易導致坯料擺放不穩定,因此終鍛坯料的擺放也十分關鍵。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,因此在設計毛坯時應充分考慮在相應位置適當增大截面。
終鍛成形結果如圖10b所示,與原有工藝(圖10a)相比較,經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,而原有工藝極限載荷為1240t,需在1600t壓力機上進行終鍛。經輥鍛制坯后減小了設備噸位,減少了能耗,降低了金屬與模具型腔的接觸應力,減少了對模具的損害。終鍛時,金屬坯料在終鍛型腔中的速度分布如圖12所示,改進前飛邊槽處金屬流動速度明顯大于改進后,改進后降低了金屬在飛邊槽處對型腔的磨損,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
以某汽車轉向臂為研究對象,通過對鍛件結構和原有鍛造工藝過程的分析,設計了輥鍛制坯→彎曲→終鍛的鍛造工藝。采用有限元數值模擬軟件對改進后的工藝進行分析,同時對比分析了改進前后飛邊分布、成形載荷、終鍛金屬流動速度分布,結果表明改進后工藝在以下三方面具有優勢:
⑴通過對轉向臂現有工藝的分析,提出了輥鍛制坯的工藝方案,對輥鍛制坯進行工藝設計,得到了符合制坯要求的輥鍛毛坯,通過數值模擬驗證了該方案的可行性。
⑵材料利用率由71%提高到86%,成形設備噸位顯著減小,提高了材料利用率,降低了設備能耗,提高了模具壽命。
⑶為轉向臂輥鍛制坯工藝設計提供了理論依據,也可為其他類似轉向臂類輥鍛件制坯過程提供參考。
李偉,主要研究方向為塑性成形與模具CAD/CAE。