余世浩，徐祥

（1.武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院，湖北武漢430223；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070）

基于數(shù)值模擬的重汽前梁終鍛坯料的優(yōu)化研究

余世浩1,2，徐祥2

（1.武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院，湖北武漢430223；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070）

為進(jìn)一步優(yōu)化車軸模鍛成形工藝，選取某一型號(hào)載重汽車前軸作為研究對(duì)象，對(duì)滾拔-彎曲后的模鍛坯料進(jìn)行終鍛成形工藝數(shù)值模擬。本文主要分析了某載重汽車前軸整體熱模鍛成形過程中影響成形質(zhì)量的主要工藝參數(shù)，應(yīng)用三維實(shí)體建模軟件UG設(shè)計(jì)模鍛模具，導(dǎo)入有限元分析軟件DEFORM-3D中，建立模鍛有限元模型，對(duì)彎曲成形后的坯料進(jìn)行仿真模擬，得出變形區(qū)應(yīng)力應(yīng)變分布以及金屬流動(dòng)規(guī)律，最終獲得最佳終鍛成形方案，為后續(xù)終鍛坯料結(jié)構(gòu)改進(jìn)、各工序工藝參數(shù)優(yōu)化及模具設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

鍛造成形；車軸；數(shù)值模擬；坯料；終鍛

載重汽車前軸是其關(guān)鍵零部件之一，在行駛過程中，承載著汽車的絕大部分重量，尤其在汽車下坡急剎過程中，承受汽車總負(fù)荷的70％以上[1]。因此，對(duì)前梁的剛度、強(qiáng)度及其疲勞壽命具有較高的質(zhì)量要求。目前，國(guó)內(nèi)使用125MN熱模鍛壓力機(jī)整體模鍛汽車前軸的生產(chǎn)工藝較為普遍，但在成形工藝上大部分依舊采用輥鍛制坯-模鍛成形方式，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)模鍛設(shè)備要求低，投資少，但是在工藝以及最終成形質(zhì)量方面仍然存在不少問題，相比之下，滾拔制坯-彎曲-終鍛工藝可有效減少加工工步，提高生產(chǎn)效率。實(shí)踐證明，直接終鍛工藝下，坯料表面質(zhì)量高，在通過后序切邊、校正后，即完成整個(gè)鍛造流程。國(guó)外在二十世紀(jì)中葉至今，部分國(guó)內(nèi)工廠如一汽從德國(guó)引進(jìn)125MN模鍛壓力機(jī)，應(yīng)用于整體直接模鍛制造工藝的生產(chǎn)，最終成形鍛件具有表面質(zhì)量好、材料利用率高、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。然而在熱模鍛工藝上，尤其是對(duì)于單件質(zhì)量超過100kg以上的重型汽車前梁，模鍛后坯料存在“缺肉”現(xiàn)象普遍，與國(guó)外依舊存在較大差距。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外在該工藝上的差距，本文應(yīng)用DEFORM有限元軟件對(duì)前軸終鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬，致力于優(yōu)化汽車前軸的整體模鍛工藝參數(shù)。就目前而言，整體直接模鍛工藝因其設(shè)備昂貴、投資高的特性，僅為國(guó)內(nèi)部分大型前軸制造類廠商所采用，同樣因前軸直接模鍛成形對(duì)設(shè)備要求具有較高的模鍛力和對(duì)模鍛模具要求高硬度的客觀條件，制約著國(guó)內(nèi)該項(xiàng)工藝的使用以及推廣，因此，通過改善模具的結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)以降低模鍛力。

圖1 前梁三維模型及其二維示意圖

本文將就前軸的整體終鍛過程進(jìn)行模擬，通過有限元模擬直接終鍛成形過程，獲取其金屬流動(dòng)規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，確定影響成形載荷的因素；其后，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用B曲線表示終鍛坯料（滾拔-彎曲后工件）模型，通過截面等面積換算成圓形截面，得出滾拔-彎曲-終鍛這一工藝的終鍛最佳坯料的結(jié)構(gòu)模型。為解決國(guó)內(nèi)這一實(shí)際問題提供必要的理論指導(dǎo)依據(jù)。圖1所示為三環(huán)集團(tuán)谷城車橋有限公司生產(chǎn)某典型重卡前梁三維模型及二維圖，A、B、C三處分別為拳頭部位、彈簧板和中間工字形部位。

1 終鍛坯料優(yōu)化的逆向設(shè)計(jì)方案

重汽前梁是由鋼材鍛造而成，其橫截面普遍采用工字形結(jié)構(gòu)，靠近兩端部位的截面略似方形，中間部位，由圖1前梁示意圖可以看出，兩塊用于支承鋼板彈簧的加寬面即彈簧座，前梁的兩端各有一個(gè)加粗部分，呈拳形。

1.1 坯料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 坯料計(jì)算

坯料形狀已經(jīng)由Esa Ervasti[2]確定，采用圓柱形坯料，按車軸最大截面彈簧座的橫截面積S來選定坯料直徑，直徑計(jì)算公式[3]為：

對(duì)于多膛模鍛，一火成形，系數(shù)K=1.1～1.15[4]。經(jīng)計(jì)算，彈簧座坯料直徑尺寸為D=80mm。

一汽集團(tuán)鍛造廠的吳順達(dá)通過實(shí)踐試驗(yàn)，得出經(jīng)驗(yàn)下料總重的公式如下：

式中：a——重量系數(shù)，其數(shù)值按照表1選擇確定；

表1 重量系數(shù)a的選擇

通過計(jì)算，本次所用坯料總重W=200kg。

1.1.2 坯料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

早在20世紀(jì)初，英國(guó)學(xué)者Lapovok對(duì)預(yù)制件的優(yōu)化方法進(jìn)行了概述[5]：①首先，通過設(shè)置主要的幾何參數(shù)來定義終鍛坯料的形狀，再確定其各參數(shù)的范圍；②對(duì)終鍛坯料優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行選擇確定，本文將基于整個(gè)工件應(yīng)變差值最小化作為目標(biāo)函數(shù)；③利用主要的幾何參數(shù)定義判別方程，本文終鍛坯料幾何參數(shù)方程為工件的應(yīng)變差值；④利用迭代計(jì)算方式最終得到終鍛坯料的優(yōu)化形狀。

本文以工件上隨意某個(gè)單元的等效應(yīng)變與整體單元的平均等效應(yīng)變的差值的平方和設(shè)置為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化的最終目標(biāo)就是通過設(shè)計(jì)滾拔-彎曲后坯料使得目標(biāo)函數(shù)最小，也就是使終端件的變形均勻化，用B樣條曲線表示終鍛坯料的形狀，B樣條曲線的控制點(diǎn)的設(shè)計(jì)變量的目標(biāo)函數(shù)已由武漢學(xué)者王華君率先提出，公式如下[6]：

N——單元總數(shù)。

圖2 工字梁坯料截面模鍛圖

目標(biāo)函數(shù)φ的值越小，設(shè)計(jì)獲得的終鍛件的形狀和變形均勻性以及其綜合性能將越高。坯料優(yōu)化問題就定義為由最終總目標(biāo)函數(shù)取最小值的B曲線控制點(diǎn)坐標(biāo)所確定的最佳終鍛坯料形狀。終鍛坯料在模鍛過程中起始位置如圖2所示。

1.2 坯料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過有限元DEFORM-2D軟件中的Preform Optimization模塊，應(yīng)用剛塑形有限元理論逆向分析模型，以B樣條曲線表示坯料3處截面形狀，然后通過截面等面積計(jì)算方式，算出對(duì)應(yīng)通過滾拔出的坯料直徑,最后得出最佳坯料形狀。

如圖3所示，滾拔后坯料總長(zhǎng)L1=12mm，F(xiàn)3部位為彈簧座，其尺寸已由式（1）計(jì)算得出，以其為基準(zhǔn)，再對(duì)F1、F2和F4尺寸按比例確定。

圖3 最佳滾拔坯料理論計(jì)算簡(jiǎn)圖

1.3 前軸網(wǎng)格劃分方案

坯料為圓柱形材料，為降低對(duì)模鍛力要求，選用開式模鍛方式，設(shè)計(jì)飛邊厚度分型面面積。采用加熱前切下料方式，根據(jù)前軸結(jié)構(gòu)，在彎曲模兩頭部位進(jìn)行彎曲成形，再將坯料翻轉(zhuǎn)90°后，置于終鍛模具中。原始坯料規(guī)格為?80mm× 100mm，將坯料劃分為300000個(gè)網(wǎng)格單元。彎曲后的最佳坯料網(wǎng)格劃分模型如圖4所示。

圖4 模鍛坯料的網(wǎng)格劃分模型

1.4 工藝參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬的模鍛條件為模鍛錘多次捶打，工序依次為彎曲-終鍛，模鍛上模壓下率εh設(shè)定為坯料高度的8％，坯料直徑通過式（1）計(jì)算得出D=80mm；考慮到因模鍛成形過程中摩擦系數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響，在熱模鍛成形過程中，庫(kù)倫摩擦系數(shù)取f=0.25。本文主要討論整體終鍛成形，因此，為簡(jiǎn)化模擬實(shí)驗(yàn)，不考慮彎曲過后的熱量損失，模擬設(shè)置溫度設(shè)定為1150℃。

2 優(yōu)化結(jié)果分析

2.1 坯料溫度分析

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)盡量使金屬坯料在較高溫度下進(jìn)行塑性變形，并要減少各工序間隔時(shí)間，以使坯料在充滿型腔的同時(shí)有效降低對(duì)模鍛力要求。本文基于這一點(diǎn)，對(duì)滾拔-彎曲后的坯料終鍛模擬，相對(duì)其他前梁成形方式，減少了工序步驟，使得終鍛時(shí)坯料仍然保持在較高溫度條件下，以獲得最好的模鍛成形效果，為生產(chǎn)實(shí)際中出現(xiàn)的填充不滿（即所謂“缺肉”現(xiàn)象）問題提供理論指導(dǎo)。圖5為坯料在終鍛成形時(shí)的溫度場(chǎng)變化情況。

從坯料與模具之間的熱傳導(dǎo)以及與空氣對(duì)流散熱，坯料整體溫度成形過程中會(huì)逐漸下降，坯料表面溫度比心部溫度低，是因?yàn)榕髁媳砻嬷苯优c模具及空氣接觸，存在一定溫差。其中，為有效保護(hù)模具，提高模具壽命，降低成形難度，模具預(yù)熱溫度設(shè)定為上模200℃，下模預(yù)熱溫度設(shè)置為300℃。

由溫度場(chǎng)變化（圖5）可以看出，成形過程坯料的溫度從開始的鍛造溫度1200℃降低到951℃，較初始溫度降低了約200℃，對(duì)于45號(hào)鋼鍛造溫度應(yīng)大于850℃，故理論推斷，實(shí)際生產(chǎn)中，坯料能夠很好地完成終鍛過程，這一點(diǎn)從后面的載荷曲線圖也可以看出。

2.2 坯料等效應(yīng)變分析

圖6為直接模鍛成形過程中坯料的等效應(yīng)變場(chǎng)分布圖，由圖可見，坯料模鍛過程中，由于彈簧座部位受到模具結(jié)構(gòu)的強(qiáng)制寬展，所以彈簧座部位的等效應(yīng)變最大；中間工字梁、懸臂工字梁、方塊是由圓形坯料彎曲后直接模鍛而成，飛邊相對(duì)較多，變形量大，所以這些部位的等效應(yīng)變較大；而拳頭部位變形小，下料量滿足成形要求，因此這一部位等效應(yīng)變小。

圖5 模鍛溫度分布圖

圖6 模鍛等效應(yīng)變圖

2.3 模鍛成形載荷分析

材料成形過程中，模鍛載荷隨行程增加而增加，實(shí)踐表明，通過改善模具結(jié)構(gòu)，調(diào)整模具內(nèi)部圓角、提高拔模角度等有助于降低最終載荷值。從最終模鍛成形載荷曲線（圖7）可以看出，成形載荷最大值為321MN。國(guó)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出8萬(wàn)噸的模鍛壓力機(jī)，因此，完全可以在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有條件下，完成這項(xiàng)工藝流程。

圖7 終鍛成形載荷曲線圖

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

（1）總結(jié)和提出了某重汽前軸鍛件的原材料（重量）的數(shù)值優(yōu)化方案,提高了材料利用率；

（2）首次將基于DEFORM對(duì)坯料逆向設(shè)計(jì)理念用于一復(fù)雜實(shí)例研究并通過數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證；

（3）針對(duì)前梁鍛件成形困難部位，就終鍛成形工藝參數(shù)設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化和分析，為實(shí)際生產(chǎn)有可能出現(xiàn)的問題提供理論指導(dǎo)；

（4）為進(jìn)一步有效提高產(chǎn)品質(zhì)量，仍需在探傷、表面強(qiáng)化、熱處理等后繼工序上做技術(shù)改善。

3.2 展望

（1）對(duì)于車軸整體直接模鍛，后繼學(xué)者可以考慮采用預(yù)鍛與終鍛造相結(jié)合即分布式模鍛方式進(jìn)行加工，從而達(dá)到降低對(duì)模鍛力的需求和提高模具壽命等優(yōu)勢(shì)；

（2）通過對(duì)模鍛的仿真測(cè)試，為國(guó)內(nèi)車軸精密輥鍛-模鍛這一復(fù)合加工工藝中，輥鍛最終坯料亦即模鍛初始坯料提供一定的結(jié)構(gòu)參考；

（3）由于研究條件的限制，本篇文章僅提供了主要的理論依據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，未進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，未來希望能夠?qū)⑵渑c實(shí)際相結(jié)合，對(duì)本文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行不斷完善。

[1]柳豪，周杰，萬(wàn)煦義，等.某重卡前軸成形輥鍛質(zhì)量因素分析[J].熱加工工藝，2010，39（21）：107-108.

[2]Esa Ervasti,Ulf Stahlberg.A quasi-3D method used for increasing the material yield in closed forging of a front axle beam[J]. Journal of Materials Processing Technology，2005,160：119-122.

[3]Lapovok R.Improvement of die life by minimization of damage accumulation and optimization[J].Journal of Materials Processing Technology.1998,80-81：608-612.

[4]許淑珍，田晨.重型卡車前軸模鍛設(shè)計(jì)[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù)，2006，41（1）：78-80.

[5]Johnson G R.Cook W H.A Constitutive model and data for metals subjected to large strains,high strain rates and high temperatures[A].Proceedings of the Seventh International Symposium on Ballistics,983,15(2)：541-547.

[6]王華君，張亞南，王華昌，等.基于DEFORM逆向運(yùn)算的預(yù)鍛件優(yōu)化[J].熱加工工藝，2009，38（7）：83-89.

Optim ization study on finish-forging billet of front axle beam for heavy truck based on numerical simulation

YU Shihao1,2，XU Xiang2
（1.Huaxia College,Wuhan University of Technology,Wuhan 430223,Hubei China; 2.School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

The main technical process parameters affecting the forming quality during overall hot die forging process for front axle of some heavy truck has been analyzed in the text.The forging die has been designed by use of 3D solid modeling software UG,then lead into finite element analysis software DEFORM-3D.Thus in this way,the finite element model of die forging has been established.The simulation has been conducted to billet after being bent.The stress and strain distribution and the law of metal flow have been obtained.The optimum finish-forging proposal has been obtained.It provides theoretical guide for structure improvement and each step parameter optimization of the finish-forging billet,as well as the follow-up die structure design.

Front beam;Finish-forging billet;Numerical simulation

TG316

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.023

1672-0121（2016）05-0079-04

2016-04-07；

2016-05-28

余世浩（1956-），男，教授，從事材料成形工藝、設(shè)備、控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。E-mail：yushihao@whut.edu.cn