王淮欣

控制臂模鍛成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

王淮欣

(河南省黃泛區(qū)農(nóng)場(chǎng) 河南西華 466632)

控制臂現(xiàn)階段成形工藝多、生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且材料的利用率低于50%。通過(guò)對(duì)控制臂三維幾何模型的建立，采用輥鍛制坯工藝，結(jié)合控制臂的形狀特點(diǎn)，合理的設(shè)計(jì)彎曲模。利用有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D對(duì)模鍛成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)終鍛模進(jìn)行了優(yōu)化，提出了帶阻力墻終鍛模，通過(guò)數(shù)值模擬分析得出合格的鍛件，并且材料利用率提高至70%。

控制臂 開(kāi)式模鍛 阻力墻 數(shù)值模擬

控制臂作為汽車(chē)懸架系統(tǒng)的導(dǎo)向和傳力元件，將作用在車(chē)輪上的各種力傳遞給車(chē)身，同時(shí)保證車(chē)輪按一定軌跡運(yùn)動(dòng)，因此控制臂應(yīng)有足夠的剛度、強(qiáng)度和使用壽命。而在實(shí)際開(kāi)式模鍛生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)兩個(gè)主要的問(wèn)題：一是零件容易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致零件報(bào)廢；二是材料的利用率太低，低于50%[1-3]。因此研究既能大批量生產(chǎn)又能降低生產(chǎn)成本、提高成形質(zhì)量、材料利用率和生產(chǎn)效率的成形工藝是十分必要的，如圖1所示。

通過(guò)對(duì)控制臂彎曲和開(kāi)式模鍛成形過(guò)程分別進(jìn)行了數(shù)值分析，分析成形過(guò)程金屬流動(dòng)情況，對(duì)終鍛模進(jìn)行了優(yōu)化，提出了帶阻力墻終鍛模的方案并對(duì)其成形過(guò)程進(jìn)行了分析。

圖1 控制臂零件

1 汽車(chē)控制臂成形工藝設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)控制臂結(jié)構(gòu)分析制訂生產(chǎn)工藝流程為：下料-加熱-輥鍛制坯-彎曲-模鍛-鍛件質(zhì)量檢測(cè)。按變形情況不同，彎曲分為自由彎曲式和夾緊彎曲式[4]；根據(jù)鋁合金鍛件的彎曲特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)彎曲型腔；根據(jù)計(jì)算的毛坯截面圖[5,6]來(lái)選取合適的坯料，對(duì)彎曲、終鍛過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬，對(duì)終鍛成形過(guò)程進(jìn)行分析。

2 有限元模型

在控制臂模鍛成形過(guò)程中，彈性變形部分遠(yuǎn)小于塑性變形部分，因此可以忽略彈性變形來(lái)建立剛-塑性材料模型[7]。模具材料定義為剛性體，工件材料選取ALUMINUM-6061，坯料與模具的摩擦方式為剪切摩擦，摩擦因子定義為0.4。因鋁合金控制臂尺寸大、形狀復(fù)雜和模擬周期長(zhǎng)，為了節(jié)省模擬時(shí)間，采用40 000個(gè)四面體網(wǎng)格對(duì)坯料進(jìn)行了劃分。

3 普通終鍛模的模擬分析結(jié)果

根據(jù)鍛件的三維模型建立簡(jiǎn)易的終鍛型腔的三維模型(如圖2所示)，針對(duì)零件自身及中間彎曲部分在圓柱形有一枝芽的特點(diǎn)，將枝芽與臂的垂直拐角處設(shè)置成飛邊槽的橋部來(lái)增大金屬流向倉(cāng)部的阻力，增加摩擦力以促使金屬流向圓柱形枝芽，模鍛成形后對(duì)其進(jìn)行切邊處理。

圖2 終鍛模具

從圖3所示的速度場(chǎng)分布可知，當(dāng)材料利用率為50%時(shí)，采用常規(guī)飛邊槽的終鍛模進(jìn)行終鍛成形，圓柱形枝芽部分并沒(méi)有充滿(mǎn)并出現(xiàn)了折疊現(xiàn)象。鍛件成形終了階段，圓柱形枝芽部分坯料流向混亂，存在速度方向相交現(xiàn)象，極易產(chǎn)生缺陷。綜上可知，采用常規(guī)的飛邊槽時(shí)材料充型能力較差，需對(duì)終鍛模具型腔進(jìn)行改進(jìn)。

圖3 速度場(chǎng)分布圖

4 采用阻力墻的模擬分析結(jié)果

4.1 阻力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

從前面的模擬結(jié)果可以看出，如果將坯料各部分的直徑減小，材料利用率提高到70%時(shí)，如采用常規(guī)的飛邊槽，圓柱形枝芽較難充填。為了提高材料的充填性能，提高材料的利用率，在模具型腔的難充填部分設(shè)計(jì)阻力墻，圖4所示為阻力墻相關(guān)參數(shù)。

圖4 阻力墻結(jié)構(gòu)圖

4.2 成形過(guò)程數(shù)值模擬與分析

當(dāng)材料利用率為70%時(shí)采用彎曲型腔，彎曲后的坯料形狀如圖5所示，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)將中間部分拍平，以便在模鍛過(guò)程中的定位及成形開(kāi)始階段與模具的平面接觸。

(a)彎曲后坯料 (b)平壓后坯料

從圖6所示的速度分布可知，終鍛階段完成后，鍛件各個(gè)部分充填較好，內(nèi)部沒(méi)有折疊現(xiàn)象的產(chǎn)生，速度方向較均勻，并未出現(xiàn)坯料流動(dòng)交匯現(xiàn)象。鍛件本體等效應(yīng)力比較均勻，而等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在阻力墻橋部，如圖7所示。

當(dāng)型腔中間部分已基本充填完好時(shí)，金屬處在三向壓應(yīng)力的狀態(tài)，而此時(shí)部分金屬流向阻力墻的橋部，因?yàn)闃虿康哪Σ磷枇Φ拇笮?s(設(shè)摩擦力達(dá)到最大值，等于s)。橋部寬度越大，則所受到的摩擦阻力就越大，加劇了流動(dòng)金屬與靜止金屬之間的剪應(yīng)力，則此時(shí)的拉應(yīng)力相對(duì)較大。隨著模具的不斷下行，型腔不斷地充填，自由表面不斷地減小，最大壓應(yīng)力值不斷地增加，而最大拉應(yīng)力值在不斷地減小。當(dāng)橋部充填滿(mǎn)足，由于阻力墻的阻礙作用，橋部金屬處于三向壓應(yīng)力作用，型腔未充滿(mǎn)部分因自由表面的存在，等效應(yīng)力較阻力墻橋部小。

由圖8所示的等效應(yīng)變可知，鍛件本體等效應(yīng)變值較均勻，可以獲得較均勻的組織性能。

圖6 鍛件圖

圖7 等效應(yīng)力

圖8 等效應(yīng)變

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)控制臂結(jié)構(gòu)的分析，合理的設(shè)計(jì)了成形工藝生產(chǎn)流程。

(2)對(duì)常規(guī)飛邊槽的終鍛模進(jìn)行終鍛成形模擬，分析了出現(xiàn)的缺陷并指出了易形成折疊區(qū)。

(3)對(duì)終鍛模進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)了阻力墻，使材料利用率提高至70%，獲得合格的鍛件。

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