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

鄭明玉·合肥汽車鍛件有限公司

直拉桿臂鍛造工藝的分析與模擬

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

鄭明玉·合肥汽車鍛件有限公司

近年來(lái)，隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車零部件種類也在不斷增加。對(duì)于需要鍛造成形的零件來(lái)說，傳統(tǒng)的鍛造工藝設(shè)計(jì)方法，坯料計(jì)算不準(zhǔn)確，工藝參數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)確定，金屬充填型腔的過程不直觀等造成的鍛件質(zhì)量缺陷、鍛件成本難以控制，常常需要多次試模才能得到合理的毛坯和制坯工藝。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工藝過程的設(shè)計(jì)中。本文以某汽車傳動(dòng)零件直拉桿臂為例，通過工藝計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)合，確定鍛造工藝。結(jié)果顯示，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合，確定的工藝合理，給實(shí)際生產(chǎn)提供了可靠的依據(jù)。

工藝分析

零件參數(shù)設(shè)置

直拉桿臂鍛件質(zhì)量為5.3kg，材料為42CrMo。直拉桿臂總長(zhǎng)292.5mm，由大端部、小端部及細(xì)長(zhǎng)桿部組成，形狀為彎曲狀態(tài)，高度落差為83mm，小頭成球形，且直徑為64.8mm；鍛件沿長(zhǎng)度方向截面變化劇烈，大頭部難充滿，大頭部與桿部連接處容易產(chǎn)生折疊。確定分模面由圖1所示的三個(gè)平面組成，圖2為直拉桿臂的三維圖。

圖1 直拉桿臂鍛件圖

圖2 直拉桿臂三維圖

根據(jù)圖2計(jì)算得到如圖3所示的直拉桿臂毛坯圖。計(jì)算毛坯長(zhǎng)度取鍛件在分模面上的投影長(zhǎng)度Lj為330mm，桿部長(zhǎng)度Lg為265mm，毛坯平均截面積Am為2780mm2，毛坯平均直徑dm為59.6mm，毛坯的最大直徑dmax為89mm，毛坯的最小直徑dmin為48mm，桿部與頭部轉(zhuǎn)接處的直徑（又稱為拐點(diǎn)處直徑dg為59mm。

從計(jì)算毛坯圖可知大頭部金屬較多，桿部細(xì)長(zhǎng)，因此滾擠工步的作用是聚積大頭金屬，合理分配金屬。根據(jù)現(xiàn)有的鍛件生產(chǎn)條件，采用自由鍛制坯，摩擦壓力機(jī)終鍛成形工藝，即該零件采用的鍛造工藝為制坯→彎曲→終鍛，取截面面積與小頭部接近的坯料，利用頭部鐓粗聚積大頭端，拔長(zhǎng)工步鍛出相應(yīng)的桿部。

圖3 直拉桿臂毛坯圖

計(jì)算毛坯小頭部的最大直徑為62mm，考慮燒損和飛邊量的計(jì)算坯料體積為9.2×105mm3。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)格取坯料直徑為65mm，計(jì)算值經(jīng)過圓整后得到坯料規(guī)格為φ65mm×260mm，材料利用率為78.4%。

零件模型建立

本次模擬坯料的初始溫度為1200℃，定義材料參數(shù)、模具與毛坯的接觸關(guān)系、摩擦系數(shù)、模擬參數(shù)等。因本次模擬為多道次，為保證其真實(shí)性，在計(jì)算中采用前一道次的成形結(jié)果作為下一道次的毛坯，材料性能及變形尺寸自然繼承。圖4為直拉桿臂鐓頭部、拔長(zhǎng)桿部、彎曲、終鍛的有限元模型。

有限元結(jié)果分析

坯料尺寸分析

在鍛造過程中，選擇一個(gè)合適的坯料設(shè)計(jì)工藝是非常重要的，這樣就既保證坯料可以完全充滿型腔，又具有最小的鍛造力和材料損耗率，是汽車零部件制造商最為關(guān)心的問題。圖5a所示的是規(guī)格為φ65mm×260mm的毛坯終鍛充填情況。從圖5a中可以看出，上述坯料規(guī)格和工藝雖然可以充滿型腔，但是小頭端飛邊較大，飛邊分布不均勻，因此，材料利用率有待提高。下面分別選擇φ65mm×250mm和φ65mm×240mm兩種規(guī)格的坯料進(jìn)行有限元模擬，模擬后終鍛型腔的充填結(jié)果如圖5b、c所示。

圖4 有限元模型

圖5 不同規(guī)格坯料的終鍛成形

由圖5可知，φ65mm×250mm規(guī)格的坯料終鍛成形時(shí)，模腔基本充滿且飛邊較均勻。規(guī)格為φ65mm×240mm的坯料終鍛時(shí)飛邊較小，且大頭部有的地方?jīng)]有飛邊，但是極易出現(xiàn)充不滿的情況，生產(chǎn)過程難以控制。

等效應(yīng)力應(yīng)變分析

等效應(yīng)變圖是研究金屬塑性變形規(guī)律的基礎(chǔ)。終鍛完成后，工件的等效應(yīng)力分布如圖6所示，等效應(yīng)變分布如圖7所示。從圖6、7中可以看出，隨著坯料尺寸的減小，鍛件相應(yīng)部位的等效應(yīng)力、應(yīng)變均有降低。圖6a、b中小頭部飛邊等效應(yīng)力差別較大，這是因?yàn)閳D6a中小頭部飛邊充滿，應(yīng)力增大。兩者的等效應(yīng)力主要集中在桿部與頭部的過渡區(qū)。

圖6 等效應(yīng)力分布

根據(jù)終鍛成形時(shí)等效應(yīng)變的分布，大應(yīng)變區(qū)也集中在桿部與頭部過渡區(qū)及飛邊部分，模具型腔的圓角部分變形也很劇烈，其他部分的等效應(yīng)變較小。這是因?yàn)闂U部與頭部的過渡部分有頭部多余的金屬溢出，而過渡區(qū)所需金屬較少，當(dāng)金屬已完全充滿型腔時(shí)，多余金屬溢出到飛邊部位，金屬流動(dòng)加大，其應(yīng)變力變大。圖7a、b中等效應(yīng)變?cè)跅U部飛邊部分相差很大。這是因?yàn)閳D7a中金屬向桿部飛邊部分流動(dòng)較多，變形更為劇烈。

圖7 等效應(yīng)變分布

成形載荷分析

由有限元模型得到的終鍛成形載荷——時(shí)間曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，規(guī)格為φ65mm×250mm的坯料成形載荷約為13600kN，φ65mm×260mm的坯料成形載荷為19800kN。模具受到的載荷降低，設(shè)備的力能輸出也降低，節(jié)約了能源，同時(shí)也提高了模具壽命。開始時(shí)載荷較小且增長(zhǎng)緩慢，到后階段載荷上升的速度加快，這主要是由于金屬充滿模膛后，多余金屬由橋口流出，阻力急劇增大造成的。

圖8 終鍛載荷——時(shí)間曲線

綜上所述，采用φ65mm×250mm的坯料最優(yōu)，其材料利用率高達(dá)81.5%，同時(shí)終鍛力較低，為13600kN，模具受到的載荷降低，設(shè)備的力能輸出也降低，節(jié)約了能源，提高了模具壽命，應(yīng)力分布均勻。

模擬結(jié)果驗(yàn)證

取φ65mm×250mm規(guī)格的坯料，利用中頻感應(yīng)加熱爐加熱至1200℃，在自由鍛錘上鐓頭部、拔桿部，最后在摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行彎曲和終鍛成形，成形條件與數(shù)值模擬條件基本相同。最終得到的鍛件如圖9a所示，圖9b為終鍛件飛邊實(shí)物圖，與模擬結(jié)果（圖9c）基本吻合。經(jīng)檢驗(yàn)，鍛件符合產(chǎn)品質(zhì)量要求。

圖9 生產(chǎn)實(shí)踐與模擬結(jié)果的對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

直拉桿臂零件并不復(fù)雜，但有長(zhǎng)軸類零件的顯著特點(diǎn)，合理的坯料尺寸可以提高材料的利用率，減少材料消耗，同時(shí)降低模具負(fù)載，有利于延長(zhǎng)模具壽命。通過數(shù)值模擬與理論計(jì)算相結(jié)合，采用有限元方法對(duì)直拉桿臂鍛件鍛造工藝進(jìn)行分析，可以直觀地觀察金屬的成形過程，有效縮短工藝計(jì)算的時(shí)間，降低成本，減少試模次數(shù)，對(duì)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。