右轉向節臂鍛造工藝的設計及數值模擬

文/吳躍，陳文琳，郭震·合肥工業大學材料科學與工程學院

右轉向節臂鍛造工藝的設計及數值模擬

文/吳躍，陳文琳，郭震·合肥工業大學材料科學與工程學院

節能、安全、舒適和環保是當今世界發展的主題，而輕里化是實現上述目標最有效的途徑。鋁合金鍛件具有密度小、比強度高和比剛度高等一系列優點，已在航空航天、交通運輸、船舶、兵器等各個領域廣泛應用 。汽車轉向節臂在汽車的轉向系統中起著非常重要的作用，其對結構及力學性能有著較高的要求。傳統的銑削加工效率低，且破壞了金屬內部的流線，因此采用鍛造方式生產汽車轉向節臂。

本文以某汽車右轉向節臂為例，通過對鍛件結構和工藝進行分析，確定坯料尺寸。根據生產實際設計了拔長→終鍛的鍛造工藝。對制坯和終鍛過程進行了有限元建模和數值模擬，根據終鍛充填情況調整了拔長坯料的尺寸，并分析了終鍛過程中坯料的充填、等效應變、溫度等的分布情況，為汽車轉向節臂的工藝設計和實際生產提供了可靠依據。

鍛件工藝設計

工藝分析

圖1 右轉向節臂鍛件二維圖

圖2 右轉向節臂鍛件三維圖

右轉向節臂鍛件圖如圖1所示，屬于長軸類鍛件，總長度為231.5mm。其桿部的一端有兩節截面面積變化不大的臺階，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。鍛件上下對稱，分型面取在中間，拔模斜度為7°。鍛件整體上形狀較為簡單，頭部有伸出的枝芽，制坯時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。該右轉向節臂所選用的材料是7075鋁合金，鍛件質里為0.675kg。

飛邊槽的確定

由于鍛件整體形狀較為簡單，沒有十分難以充填的部分，飛邊槽選擇單倉的形式。壓力機的噸位選擇的是6300kN，根據壓力機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

計算毛坯圖、制坯工步及坯料尺寸

右轉向節臂毛坯圖如圖4所示。此右轉向節鍛件的整體形狀較為簡單，考慮到采用摩擦壓力機終鍛，整個過程是一火成形，為減小制坯時間，故選用空氣錘拔長制坯，以最大直徑下料并拔長。故該鍛件采用拔長→終鍛兩工步成形。

圖4 右轉向節臂毛坯圖

經計算，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，則下料長度L坯=155.3mm，取L坯=156mm。

右轉向節臂成形數值模擬與結果分析

有限元模型的建立

右轉向節臂的鍛造工藝有限元模擬分為自由鍛拔長制坯和壓力機終鍛兩個階段。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定義為0.4，制坯溫度設置為350℃。為使模型計算容易收斂且節約時間，每步的長度一般選為最小單元體長度的1/3～1/10，設置每步計算步長為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，進行終鍛設置。模具溫度設置為250℃。上模的壓下速度設置為100mm/s，以上下模具接觸為上模運動的停止條件，其余參數設置與制坯階段一致。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，并將桿部拔長為35mm×35mm的矩形截面，拔長后的坯料形狀和尺寸如圖6a所示。將拔長后坯料放入終鍛型腔，以頭部的直邊進行定位并終鍛，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，實際生產時，頭部可能無法成形。因此，制坯時在頭部需要聚更多的料，下料尺寸取為φ52mm×146mm，拔長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 初始鍛件成形質量

圖7 調整坯料后的鍛件成形質量

終鍛過程速度場分析

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

圖8 金屬的速度場分布

終鍛過程等效應變分析

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

終鍛過程溫度場分析

右轉向節臂終鍛過程溫度場分布如圖10所示，總的分布情況是外表溫度小于內部溫度，內部溫度較飛邊略小。鍛件的內部相當于鐓粗的小變形區，變形產生的熱里向外圍金屬傳遞，溫度形成了由內向外的負梯度。由于坯料頭部在整個終鍛中一直與模具相接觸，和模具進行了長時間的換熱，其溫度相比桿部較低。P3點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℃。其他三點處的金屬在變形中產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發生了劇烈的變形，產生了很大的熱里，而這一過程在極短時間內完成，飛邊金屬與模具的換熱不充分，進而溫度上升較高。

圖9 鍛件等效應變分布圖

圖10 鍛件溫度分布圖

結束語

右轉向節臂零件并不復雜，但有長軸類零件的顯著特點。本文對右轉向節臂制坯和終鍛過程進行了有限元建模和數值模擬，根據終鍛充填情況調整了拔長坯料的尺寸，并分析了終鍛過程中坯料的充填、等效應變、溫度等的分布情況，對汽車轉向節臂的工藝設計和實際生產具有一定的指導意義。