轉向節預鍛下模熱鍛過程中的磨損研究

劉琥珀，黃昌文，吳玉國，時禮平,4，章亦聰,4

(1.安徽工業大學機械工程學院，安徽馬鞍山243032；2.安徽安簧機械股份有限公司，安徽安慶246005；3.特殊服役環境的智能裝備制造國際科技合作基地，安徽馬鞍山243032；4.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽馬鞍山243032）

隨著我國汽車制造業的迅速發展，汽車零部件中高精度、高質量、結構復雜的鍛件需求量增大，對于鍛件結構形狀、機械性能和精度的要求也越來越高。轉向節是汽車轉向系統中傳遞和承受載荷的鍛件，對于汽車穩定行使及靈活轉向具有極其重要的作用。在轉向節的預鍛過程中，熱鍛成形不僅可以減少金屬的變形抗力，而且能夠提高金屬的機械性能，因此轉向節多采用熱鍛[1]。一般情況下，熱鍛模具的失效形式為磨損、斷裂、塑性變形等，其中超過70%的模具失效是由磨損導致[2-3]。

針對模具表面的磨損問題,國內學者開展了大量研究。林高用等[4]以鋁合金擠壓過程中模具表面磨損最嚴重的部位為研究對象，建立該部位最大磨損深度與擠壓次數之間的確切關系，并提出最大磨損深度的計算公式；楊秀琴[5]以降低某型號曲軸在輥鍛制坯階段模具磨損深度為目標，給出幾何參數的最優值，當過渡斜度為40°、過渡圓角半徑為25 mm、入模圓角半徑為20 mm時，模具最大磨損深度最小。胡洋[6]通過有限元分析方法研究了鍛造工藝對成形載荷、模具磨損的影響，并給出了有利于減少最大磨損深度的模具設計；周杰等[7]分析了轉向節閉式鍛造典型失效模具的斷口形貌和模具結構，研究了模具工作應力與表層溫度分布對模具磨損深度的影響，發現模具結構及制坯形狀設計的不合理是模具早期失效的主要原因；朱小兵[8]以預、終鍛模具為研究對象，通過有限元模擬軟件對模具型腔的磨損深度進行仿真分析，獲得模具磨損深度的變化規律，并根據最大模具磨損深度對模具的使用壽命進行了預測；李寶聚[9]研究某款汽車連桿模具磨損特性，對模具表面的幾何結構參數進行優選，結果表明飛邊厚度4.5 mm和?？趫A角半徑4 mm時，模具最大磨損深度由原始模具的5.52×10-5mm降低為4.49×10-5mm，最大磨損深度下降18.66%，該參數組合有利于提高模具使用壽命。

綜上所述，合理的模具結構及鍛造工藝有利于減少模具的摩擦磨損，但鍛造工況參數的優選同樣對模具的使用壽命具有重要影響。在轉向節的熱鍛過程中，預鍛下模的磨損最為嚴重。鑒于此，筆者采用數值模擬的方法對轉向節預鍛下模在熱鍛過程中的磨損特性進行研究，探究下模預熱溫度、上模運行速度對下模最大磨損深度的影響，為后續轉向節鍛造工況參數的合理選擇提供指導。

1 預鍛有限元模型的建立

1.1 Archard磨損模型

Archard磨損模型被廣泛應用于計算金屬塑性成形過程中模具的磨損深度，公式為

式中：w，p，l分別為磨損深度、模具表面所受的法向壓力、坯料與模具接觸面間切向相對滑移距離；H為模具硬度；K為磨損系數。其中，K和H為常數，但在高溫熱鍛過程中，兩者均會隨著模具溫度的改變而發生變化，對式(1)進行等量替換及積分變形，可得到修正后的Archard磨損模型[10]，為

式中：w(θ)，K(θ)，H(θ)分別為磨損深度、磨損系數、模具硬度隨溫度變化的函數，K(θ)，H(θ)可通過高溫高速摩擦磨損試驗和高溫硬度試驗獲得；v、θ、t 分別為坯料相對模具切向滑移速度、模具溫度、時間；a、b、c 為標準常數，在塑性變形中a=1，b=1，c=2。

1.2 預鍛有限元模型

通過三維UG 軟件對J11 型轉向節預鍛上下模建模，并將文件另存為STL 格式，以便于導入Deform-3D軟件中，結果如圖1。在轉向節預鍛過程中，鍛造工具主要由上模和下模組成，上模與下模承擊面相距136mm。

1.3 坯料幾何參數的選擇

圖1 預鍛有限元模型Fig.1 Finite element model of pre-forging

通過Deform-3D 軟件模擬坯料鐓粗、拔長工序。鐓粗前坯料名義尺寸為Φ90 mm×175 mm，鐓粗工序后，坯料軸向尺寸由175 mm 鐓到135 mm。坯料拔長過程中，每次拔長時坯料必須翻轉90°，以防止坯料出現折疊現象。拔長工序后，坯料大端呈現以底面半徑R=47 mm、高H大=90 mm、且中間突出的鼓形結構，坯料小端是以底面邊長b=50 mm 的正四邊形，高h=125 mm 的長方體，大端與小端中間由r=35 mm 過渡圓弧連接，且坯料軸向高度H軸=225 mm，如圖2。坯料材質采用40Cr合金結構鋼，其力學性能為斷后伸長率δ5≥15%，抗拉強度σb≥735 MPa，屈服點σs≥540 MPa，斷面收縮率ψ ≥39%。

圖2 坯料零件圖和三維圖Fig.2 Part drawing and 3D drawing of Blank

1.4 初始條件和邊界條件的設置

1)初始條件

坯料材料為40Cr，定義為剛塑體，溫度為1 200 ℃，網格數量為60 000個；上下模具材料為5CrMnMo，定義為剛性體，預熱溫度250 ℃，網格數量為80 000個，模具硬度H=45，上模運行速度v上=150 mm/s。上下模與坯料接觸面間的摩擦為剪切摩擦，摩擦系數定義為m=0.3。

2)邊界條件

熱鍛過程中，坯料表面存在與上下模的熱傳導、與周圍環境的熱對流和熱輻射在內的三類熱邊界條件，坯料與上下模的熱傳導系數定義為11 N·(s·mm·℃)-1，坯料與環境的對流因子定義為0.2 N·(s·mm·℃)-1，坯料向四周的輻射系數定義為0.4 kW·(m2·K)-1；轉向節是由上下模不斷擠壓坯料而成形的，本文定義模擬步長為0.5 mm，步數為284，當上模運行136 mm時停止運行。

2 數值模擬結果與分析

2.1 下模磨損深度的變化規律

在坯料溫度1 200 ℃、下模預熱溫度250 ℃、鍛錘工作速度150 mm/s、下模硬度45、摩擦系數0.3的條件下，實際熱鍛生產后的下模磨損深度如圖3。通過深度游標卡尺測出下模最大磨損深度為0.5 mm，實際生產的轉向節約600件。由圖3可看出：轉向節預鍛下模的磨損主要分布在標注的方框區域，以此區域為考察對象，研究轉向節在熱鍛成形過程中下模磨損深度的變化規律。利用Deform-3D軟件對此轉向節預鍛下模進行數值仿真，結果如圖4。

圖3 實際熱鍛生產后下模磨損深度分布Fig.3 Distribution of wear depth of lower die after actual hot forging production

圖4 下模磨損深度分布Fig.4 Distribution of wear depth of lower die

從圖4可知，下模磨損主要集中在飛邊槽、下模凹凸角及轉向節各部位的過渡圓角區域，而下模中心部位及轉向節下球銷磨損深度均較小。為進一步研究下模磨損深度的變化規律，在預鍛下模表面選取7 點(P1～P7)進行數值跟蹤，下模追蹤點位置分布如圖5，模擬結果如圖6。由圖6可看出：在轉向節成形的初始時期，下模7 個追蹤點磨損深度為0，這是由于上模與坯料剛接觸時，坯料的變形區域主要集中在與上模接觸的位置，坯料在下模的塑性流動很小，摩擦幾乎為零，如圖7。隨著上模不斷運行，坯料在下模內開始發生變形，P4點周圍區域最先發生磨損，即側臂與減震器部位間的過渡圓角區域。上模運行至上下模全部接觸，追蹤點P1、P2、P6三點周圍區域的磨損深度相比P3、P4、P5、P7四點周圍區域，其磨損深度較大。這是由于P1、P2兩點分別處于飛邊槽及飛邊槽與減震器的過渡圓角區域，飛邊槽附近金屬材料的等效應變較大，如圖8。而P6點處于三向壓應力區域，使坯料與模具間的變形抗力增大，加大模具的磨損深度。根據下模最大磨損深度達到0.5 mm，實際生產的轉向節約600 件，即可近似得出生產一件轉向節時，下模最大磨損深度為0.833×10-3mm，其實際下模最大磨損深度與此模擬結果相似，另外P1、P2、P6三點周圍區域磨損深度較大，最易導致模具失效，影響模具的使用壽命。

圖5 下模追蹤點的位置Fig.5 Position of tracking point of lower die

圖6 下模追蹤點的磨損深度變化Fig.6 Wear depth variation of tracking point of lower die

圖7 P1、P2、P6的速度Fig.7 Velocity of P1、P2 and P6

圖8 P1、P2、P6的等效應變Fig.8 Effective strain of P1、P2 and P6

2.2 工況參數對下模最大磨損深度的影響

2.2.1 下模預熱溫度

在坯料溫度1 200 ℃、上模運行速度150 mm/s、下模硬度45、摩擦系數0.3的條件下，數值模擬下模預熱溫度下下模磨損深度的分布情況，結果如圖9。由圖9可看出，下模磨損分布區域基本一致，主要集中在飛邊槽區域，這是由于飛邊槽區域塑性流動較大，加速模具磨損，但對于不同的下模預熱溫度，下模最大磨損深度存在明顯差異。下模預熱溫度對下模最大磨損深度影響的數值模擬結果如圖10。分析圖10可知：對于不同下模預熱溫度，下模最大磨損深度呈先減小后略微增大的變化規律，且存在一個最優的下模預熱溫度(250 ℃)使得下模度關系式如下

圖9 不同下模預熱溫度時下模磨損深度分布Fig.9 Distribution of wear depth of lower die at different preheating temperatures

2.2.2 上模運行速度

在坯料溫度1 200 ℃、下模預熱溫度250 ℃、下模硬度45、摩擦系數0.3的條件下，上模運行速度對下模最大磨損深度影響的模擬結果如圖11。分析圖11 可知：下模磨損區域基本一致，但對于不同上模運行速度，下模最大磨損深度存在明顯差異，上模運行速度為150 mm/s 時，下模最大磨損深度為8.22×10-4mm；上模運行速度為250 mm/s時，下模最大磨損深度為9.27×10-4mm，最大磨損深度增加約13%。

圖10 下模預熱溫度與下模最大磨損深度的關系Fig.10 Relationship between preheating temperature and maximum wear depth of lower die

圖11 不同上模運行速度時下模磨損深度分布Fig.11 Distribution of wear depth of lower die with different upper die running speeds

上模運行速度對下模最大磨損深度影響的數值模擬結果如圖12。分析圖12 可知：對于不同上模運行速度，下模最大磨損深度呈先略微減小后增大的變化規律，且存在一個最優的上模運行速度(150 mm/s)使得下模最大磨損深度達到最小。這是由于當上模運行速度在50～150 mm/s 時，坯料與下模間的熱效應更加顯著，致使坯料的可鍛性更好[11]，從而使下模最大磨損深度減少；當上模運行速度在150～250 mm/s 時，坯料與下模間的相對滑移增大，兩者間的摩擦加劇[12]，最終導致下模最大磨損深度增大。經Origin軟件線性擬合的上模運行速度與下模最大磨損深度值關系式為

圖12 上模運行速度與下模最大磨損深度的關系Fig.12 Relationship between running speed of upper die and the maximum wear depth of lower die

3 結 論

運用有限元軟件Deform-3D分析轉向節在熱鍛過程中下模磨損深度的變化規律，考察下模預熱溫度、上模運行速度對下模最大磨損深度的影響，主要結論如下：

1)下模的磨損主要分布在飛邊槽、下模圓角區域；

2)下模預熱溫度在150～400 ℃的范圍內，隨著下模預熱溫度的增大，下模最大磨損深度呈先減小后增大的變化規律，且存在一個最優的下模預熱溫度(250 ℃)使得下模最大磨損深度達到最??；

3)上模運行速度在50～250 mm/s的范圍內，隨著上模運行速度的增大，下模最大磨損深度呈先略微減小后增大的變化規律，且存在一個最優的上模運行速度即150 mm/s，使下模最大磨損深度達到最小。