楊棟，陳文琳，張金鵬，周瑞

(合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009)

轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車底盤上的關(guān)鍵件，力學(xué)性能要求高，形狀復(fù)雜，成形難度大[1-4]。在鍛造工藝設(shè)計(jì)中，如制坯過(guò)程設(shè)計(jì)與制坯操作得當(dāng)，得到的制坯件體積分配合理，表面光順平滑，不僅有利于鍛件順利成形，避免缺陷，還可以節(jié)省材料，飛邊相對(duì)較小，提高模具壽命，將優(yōu)質(zhì)與低耗統(tǒng)一起來(lái)[5-8]。文中針對(duì)某轎車左轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)工藝分析與工藝計(jì)算，借助三維有限元軟件對(duì)鍛件的成形工藝過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲取金屬流動(dòng)規(guī)律以及載荷、應(yīng)力、應(yīng)變等信息，對(duì)于縮短模具設(shè)計(jì)時(shí)間，指導(dǎo)設(shè)備選型，避免零件缺陷，降低生產(chǎn)成本都有重要意義[9-11]。

1 工藝設(shè)計(jì)

汽車左轉(zhuǎn)向節(jié)是控制汽車前輪轉(zhuǎn)向的安保件[1，6]，其鍛件如圖1所示?？梢钥闯觯宿I車左轉(zhuǎn)向節(jié)是帶細(xì)桿的叉形件，同時(shí)兼有叉類、盤類和桿類零件的特點(diǎn)。中間一段異形法蘭高而窄，寬度較大，截面沿軸向的變化很劇烈，頭部?jī)啥朔殖?個(gè)枝杈，而且其中一個(gè)枝杈細(xì)長(zhǎng)，另外一個(gè)枝杈薄而長(zhǎng)，在末端又變厚，形狀復(fù)雜，成形難度大。在成形過(guò)程中，頭部及其枝杈處金屬流動(dòng)復(fù)雜，頭部?jī)蓚?cè)的枝杈長(zhǎng)而窄，不易充滿，桿部較長(zhǎng)且截面積較小，桿部不易充滿，飛邊較厚，在鍛件周圍分布不均勻，材料利用率低，因此，鍛件成形的關(guān)鍵在于保證終鍛前坯料的合理分配。材料為40Cr，鍛件質(zhì)量為6.5 kg。生產(chǎn)廠家的鍛造設(shè)備為1 t自由鍛錘和16000 kN摩擦壓力機(jī)，要求一次成形。

圖1 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件Fig.1 Forging of knuckle

轉(zhuǎn)向節(jié)為形狀復(fù)雜的帶頭部的長(zhǎng)軸類零件，汽車轉(zhuǎn)向節(jié)鍛件毛坯直徑的計(jì)算如圖3所示[2]。

根據(jù)繁重系數(shù)選擇制坯工藝，繁重系數(shù)α，β的計(jì)算公式為[3]:

圖2 轉(zhuǎn)向節(jié)三維圖Fig.2 3D Forging of knuckle

圖3 計(jì)算毛坯直徑Fig.3 Preform diameter calculation

式中:dmax為計(jì)算毛坯最大直徑;Lj為計(jì)算毛坯長(zhǎng)度;Lg為桿部長(zhǎng)度;dg，dm分別為頭部、桿部分界處的拐點(diǎn)直徑和計(jì)算毛坯平均直徑;K為毛坯錐度。

α越大，流入頭部的金屬越多;β越大，金屬沿軸向流動(dòng)越大。根據(jù)上述計(jì)算值查經(jīng)驗(yàn)工藝表[4]，以及現(xiàn)有的生產(chǎn)鍛件條件，采用自由鍛制坯，摩擦壓力機(jī)終鍛成形的工藝。選擇的工藝流程為:頭部鐓粗—桿部拔長(zhǎng)—預(yù)鍛—終鍛。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)。

1)頭部鐓粗是為了滿足轉(zhuǎn)向節(jié)頭部2個(gè)耳朵的用料，得到合理的材料分配。

2)桿部拔長(zhǎng)是為了滿足細(xì)長(zhǎng)桿部的用料，避免終鍛時(shí)桿部缺料。

3)預(yù)鍛型腔設(shè)計(jì)是為了使頭部聚料效果明顯，使其在終鍛時(shí)頭部的2個(gè)耳朵能夠充滿型腔。

2 有限元分析

2.1 建立有限元模型

有限元模型中，工件定義為塑性材料模型40Cr，模具定義為剛性材料，設(shè)定坯料初始溫度為1180℃，模具初始溫度為250℃[5]，取剪切摩擦因子為0.3。建立的有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型Fig.4 FEM Model

2.2 有限元模擬結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)計(jì)算，所選原始毛坯尺寸為φ90 mm×170 mm，用圖4所示的有限元模型模擬的預(yù)鍛件坯料形狀如圖5所示，終鍛成形如圖6所示。

圖5 制坯工藝模擬成形Fig.5 Preform simulation

圖6 終鍛成形結(jié)果Fig.6 Finish forging results

2.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

模擬結(jié)果如圖7所示。應(yīng)力場(chǎng)分析可作為選擇成形設(shè)備、校核模具強(qiáng)度的依據(jù)[3，7]。從圖 7中可以看出，終鍛時(shí)應(yīng)力分布相對(duì)比較均勻，應(yīng)力較大的地方為頭部的2個(gè)耳朵處和桿部截面尺寸變化劇烈處，最大應(yīng)力達(dá)120 MPa。由于頭部尺寸較大，而且在制坯時(shí)已經(jīng)基本成形，所以終鍛時(shí)應(yīng)力最小只有50 MPa左右。從應(yīng)變分布可知，在桿部飛邊處應(yīng)變最大，這是由于閉模階段桿部的飛邊較大，導(dǎo)致多余金屬向外的流動(dòng)變形都集中在飛邊處。

圖7 等效應(yīng)力應(yīng)變分布Fig.7 Effective stress and strain

2.2.2 載荷分析

終鍛變形曲線如圖8所示，初期比較平緩，由于這時(shí)金屬處于充填模膛階段，因此變形力較小。當(dāng)模膛充填逐漸完成后，金屬主要向飛邊橋部流出。此時(shí)，由于飛邊厚度進(jìn)一步減薄，多余金屬由橋部流出的阻力很大，使得變形抗力急劇增大。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到變形結(jié)束，最終壓力最大值達(dá)到14000 kN。

圖8 終鍛力-時(shí)間曲線Fig.8 Load-stroke curve of finish forging

3 結(jié)語(yǔ)

1)從等效應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析，各工序變形較為均勻，應(yīng)力變化正常，沒(méi)有出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

2)從成形效果上看，最終鍛件完全充滿終鍛模膛，沒(méi)有出現(xiàn)缺料、折疊等缺陷，而且飛邊均勻。

[1]ZHAO D，SUN H，SU S.Application of Numerical Simulation in Obliterated Extrusion Forming for Car Steering Knuckle[J].Hot Working Technology，2007(13):29.

[2]KCHAOU M，ELLEUCH R，DESPLANQUES Y，et al.Failure Mechanisms of H13 Die on Relation to the Forging Process-A Case Study of Brass Gas Valves[J].Engineering Failure Analysis，2010，17(2):403-415.

[3]楊棟，陳文琳，王少陽(yáng)，等.刮板鍛造成形工藝的模擬研究[J].精密成形工程，2012，4(4):27-30.YANG Dong，CHEN Wen-lin，WANG Shao-yang，et al.Simulation Research on Forging Process of Scraper[J].Journal of Netshape Forming Engineering，2012，4(4):27-30.

[4]PING X U.Application of Standing Extrusion Technology with Slanting Ejector in Automobile Knuckle Forging[J].Journal of Shiyan Technical Institute，2010，23(3):30.

[5]CHEN W，ZHU X，XIAO L，et al.FE Analysis of the Forging Process of the Automobile Steering Knuckle[J].Journal of Hefei University of Technology(Natural Science)，2009(7):15.

[6]AN Z G，ZHANG Y，LI L.Numerical Simulation and Process Optimization of the Die Forging for the Center Wedge of the Railway Freight Car Buffers[J].Advanced Materials Research，2011，228:412-415.

[7]LüCKE M，KRAUSE A，BEHRENS B A.Forging Complex Parts without Flash[C].AIP Conference Proceedings，2011:386.

[8]SHAN L，YAN B.Forging Process and Design of Die for the Steering Knuckle of Truck[J].Die ＆ Mould Industry，2008(1):17.

[9]CHENG L J，ZHANG T Z，ZHANG H X.The New Preforging Method of Closed-die Forging with Controlledflash for Steering Knuckles[J].Advanced Materials Research，2012，482:2409-2413.

[10]ZHANG L W，ZHANG J L，YANG Y，et al.Simulation and Optimization of Die Forging Process for High Pressure Valve Bonnet[J].Advanced Materials Research，2013，652:2053-2056.

[11]XIAO L，ZHU X.Forging Process and Design of Die for Steering Knuckle of Light Truck[J].Die ＆ Mould Industry，2009(4):21.