丁祖宏，李紀(jì)龍，喬碩，薛克敏

(1.合肥汽車(chē)鍛件有限責(zé)任公司，合肥 230009;2.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

汽車(chē)彎臂是汽車(chē)零部件中的一個(gè)關(guān)鍵連接件，在汽車(chē)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中承受復(fù)雜的多應(yīng)力應(yīng)變作用，其質(zhì)量的可靠性嚴(yán)重影響著汽車(chē)的使用性能[1－2]。隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，彎臂的產(chǎn)量逐年增加，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高材料利用率和降低成本成為彎臂生產(chǎn)中迫切需要解決的問(wèn)題[3－4]。轉(zhuǎn)向彎臂傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝為錘上模鍛工藝，質(zhì)量和尺寸精度都難以保證。國(guó)外在20世紀(jì)50年代末開(kāi)始采用輥鍛工藝進(jìn)行制坯，在熱模鍛壓力機(jī)上進(jìn)行彎曲和終鍛成形，這種方法使生產(chǎn)效率得到大幅提升[5]。國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)彎臂成形工藝研究起步較晚，湖北谷城車(chē)橋股份有限公司發(fā)明了“汽車(chē)前軸成形輥鍛工藝專(zhuān)利”，屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)[6]。1999年吉林工業(yè)大學(xué)針對(duì)輕轎車(chē)復(fù)雜彎軸類(lèi)鍛件分析了現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的諸多問(wèn)題及該類(lèi)鍛件自身的技術(shù)特點(diǎn)，提出了輥鍛-摩擦壓力機(jī)模鍛復(fù)合工藝方案[7]。吉林大學(xué)的鄧春萍等[8]研究了汽車(chē)轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件生產(chǎn)過(guò)程中存在的錯(cuò)模現(xiàn)象，對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)。有限元技術(shù)的飛速發(fā)展極大地縮短了新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)時(shí)間，可以在模具的虛擬制造階段預(yù)測(cè)金屬流動(dòng)趨勢(shì)，檢驗(yàn)?zāi)＞咴O(shè)計(jì)的合理性，減少模具費(fèi)用，提高整體經(jīng)濟(jì)效益[9－10]。北京機(jī)電研究所的蔣鵬等[11]利用Deform軟件對(duì)前軸鍛造成形過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。河南科技大學(xué)唐六丁和張學(xué)賓[12]運(yùn)用MSC.Superform對(duì)連桿熱鍛成形過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，得到熱鍛模具關(guān)鍵部位的溫度場(chǎng)、等效應(yīng)力場(chǎng)和等效應(yīng)變場(chǎng)在時(shí)間和空間上的分布規(guī)律，并通過(guò)理論解析法預(yù)測(cè)熱鍛模具壽命。文中以合肥汽車(chē)鍛件有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HF6700汽車(chē)轉(zhuǎn)向彎臂為研究對(duì)象，對(duì)其原有的輥鍛工藝進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)修改輥鍛制坯工藝，合理分配金屬，減少飛邊尺寸，提高材料利用率，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 汽車(chē)彎臂結(jié)構(gòu)分析

汽車(chē)彎臂鍛件屬于彎曲軸類(lèi)件，外形較復(fù)雜，其特點(diǎn)是軸線空間分布為曲線形，多向彎曲，沿長(zhǎng)度方向截面差與落差變化較大。其零件如圖1所示。

圖1 彎臂零件Fig.1 The curved arm

彎臂件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其現(xiàn)有成形工藝為:下料加熱—三道次輥鍛制坯—彎曲—模鍛成形—切邊—校正—熱處理。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，終鍛后飛邊較大，造成較大的材料浪費(fèi)，因此有必要對(duì)其坯料形狀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，控制金屬流動(dòng)，以期達(dá)到減小飛邊，提高材料利用率的目的。工藝流程如圖2所示。

圖2 各工步有限元模型Fig.2 FE model of each process

該工藝過(guò)程中將原有的兩道次輥鍛制坯工藝改成三道次輥鍛，使得金屬的分布更加合理，終成形飛邊較小，提高材料利用率，不僅降低成本，還提高了模具的壽命。

2 彎臂成形數(shù)值模擬

2.1 原有工藝數(shù)值模擬研究

原生產(chǎn)工藝為:下料—中頻加熱—兩道次輥鍛制坯—彎曲—模鍛成形。分別對(duì)輥鍛制坯、彎曲、模鍛成形工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，利用Deform-3D有限元軟件對(duì)彎臂成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。彎臂的材料為40Cr，軟件中對(duì)應(yīng)的牌號(hào)為AISI-5140，采用剛塑性有限元模型，坯料視為塑性體，模具視為剛性體。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，模具初始溫度設(shè)置為300℃，坯料初始溫度為1100℃，初始坯料為φ50 mm×454 mm的圓柱棒料。建立的有限元模型如圖2所示。

模擬結(jié)果如圖3所示，可以看出，最終成形的零件充填飽滿，多余的金屬向飛邊槽流動(dòng)。型腔充滿和模具打靠過(guò)程中，在大頭端和彎臂的過(guò)渡錐體部分形成大量飛邊，造成大量的材料浪費(fèi)，因此需要對(duì)原有工藝進(jìn)行改進(jìn)，改變金屬的分布，提高材料利用率。

2.2 改進(jìn)后工藝數(shù)值模擬研究

圖3 模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results

在原有工藝的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)輥鍛工藝進(jìn)行改進(jìn)，初始管坯為φ50 mm×430 mm，將棒料小頭端φ35 mm×160 mm改為 φ35 mm×40 mm和 φ30 mm×130 mm，過(guò)渡椎體部分長(zhǎng)度由14 mm調(diào)整為130 mm，大頭端φ50 mm×265 mm不變，確?？傞L(zhǎng)度為565 mm，輥鍛制坯后坯料形狀如圖4所示。在UG軟件中利用布爾運(yùn)算和扇形模塊求和及求差運(yùn)算得到的三道次輥鍛模具造型如圖5所示，輥鍛模直徑、溫度等其他條件與改進(jìn)前完全相同。

圖4 改進(jìn)后的坯料形狀Fig.4 Improved billet

改進(jìn)后的工藝輥鍛成形后的坯料溫度場(chǎng)分布如圖6所示。可以看到，由于鍛件與模具接觸部分溫度擴(kuò)散較多，溫度較低。鍛造結(jié)束時(shí)飛邊橋部金屬產(chǎn)生大變形，短時(shí)間內(nèi)變形功轉(zhuǎn)化為熱能，溫度擴(kuò)散較溫度補(bǔ)償速率低，導(dǎo)致溫度不但沒(méi)有降低，反而略微上升。當(dāng)金屬流入倉(cāng)部后僅存在接觸溫度損失，溫度將下降。從圖6中還可以看出，經(jīng)過(guò)三道次輥鍛以后小頭部分溫度較低，最低溫度為1060℃，可以繼續(xù)進(jìn)行彎曲和模鍛。改進(jìn)后的模鍛效果如圖7所示，可以看到，鍛件整體均產(chǎn)生應(yīng)變且分布較均勻。坯料在經(jīng)過(guò)整個(gè)工藝過(guò)程后金屬材料發(fā)生了充分的變形，對(duì)改善鍛件內(nèi)部組織有重要意義。

圖5 各道次的輥鍛模具Fig.5 The roll forging dies of different steps

圖6 改進(jìn)后輥鍛制坯溫度場(chǎng)分布Fig.6 Distribution of the temperature of improved roll forging blanking

圖7 改進(jìn)后零件應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of improved part

比較圖3c和圖7可以看出，改進(jìn)后終成形零件的飛邊比改進(jìn)前小很多，驗(yàn)證了改進(jìn)工藝的可行性。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

該實(shí)驗(yàn)是在合肥汽車(chē)鍛件有限責(zé)任公司完成的，初始棒料的材料為40Cr，尺寸為φ50 mm×430 mm，中頻加熱到1150℃，模具材料為H13鋼，預(yù)熱溫度為200℃。輥鍛是在φ400 mm的輥鍛機(jī)上完成的，彎曲在6300 kN摩擦壓力機(jī)上完成，終成形模鍛在10000 kN摩擦壓力機(jī)上完成。設(shè)備如圖8所示。

圖8 工廠現(xiàn)有設(shè)備Fig.8 Existing plant equipments

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別對(duì)改進(jìn)前后的工藝進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以看出，改進(jìn)后的工藝最終成形件飛邊較少，與模擬結(jié)果相近，驗(yàn)證了該改進(jìn)方案的優(yōu)越性。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of experimental results

4 結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)HF6700汽車(chē)彎臂鍛造成形工藝進(jìn)行了分析，提出了成形方案，并對(duì)工藝方案進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論。

1)對(duì)原有的兩道次輥鍛制坯、彎曲、模鍛成形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果表明，原有工藝模鍛成形后大頭端部和彎臂的過(guò)渡錐體部分存在較大飛邊，造成了大量的材料浪費(fèi)。

2)對(duì)輥鍛工藝進(jìn)行優(yōu)化，將輥鍛工藝由兩道次改成三道次，在保持體積不變的原則下減少大頭端部和過(guò)渡錐體部分的體積。模擬結(jié)果顯示，采用改進(jìn)后的坯料終鍛成形后飛邊減小且分布均勻，提高了材料的利用率。

3)利用合肥汽車(chē)鍛件有限責(zé)任公司現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用改進(jìn)后的輥鍛制坯工藝，模鍛成形后飛邊明顯減小且分布均勻，與模擬結(jié)果吻合，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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