王淮欣

控制臂模鍛成形工藝優(yōu)化設計

王淮欣

(河南省黃泛區(qū)農(nóng)場 河南西華 466632)

控制臂現(xiàn)階段成形工藝多、生產(chǎn)效率低、勞動強度大，并且材料的利用率低于50%。通過對控制臂三維幾何模型的建立，采用輥鍛制坯工藝，結合控制臂的形狀特點，合理的設計彎曲模。利用有限元數(shù)值模擬軟件DEFORM-3D對模鍛成形過程進行數(shù)值模擬，對終鍛模進行了優(yōu)化，提出了帶阻力墻終鍛模，通過數(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 開式模鍛 阻力墻 數(shù)值模擬

控制臂作為汽車懸架系統(tǒng)的導向和傳力元件，將作用在車輪上的各種力傳遞給車身，同時保證車輪按一定軌跡運動，因此控制臂應有足夠的剛度、強度和使用壽命。而在實際開式模鍛生產(chǎn)過程中出現(xiàn)兩個主要的問題：一是零件容易出現(xiàn)裂紋，導致零件報廢；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。

通過對控制臂彎曲和開式模鍛成形過程分別進行了數(shù)值分析，分析成形過程金屬流動情況，對終鍛模進行了優(yōu)化，提出了帶阻力墻終鍛模的方案并對其成形過程進行了分析。

圖1 控制臂零件

1 汽車控制臂成形工藝設計

通過對控制臂結構分析制訂生產(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。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來設計彎曲型腔；根據(jù)計算的毛坯截面圖[5,6]來選取合適的坯料，對彎曲、終鍛過程進行相應的數(shù)值模擬，對終鍛成形過程進行分析。

2 有限元模型

在控制臂模鍛成形過程中，彈性變形部分遠小于塑性變形部分，因此可以忽略彈性變形來建立剛-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、形狀復雜和模擬周期長，為了節(jié)省模擬時間，采用40 000個四面體網(wǎng)格對坯料進行了劃分。

3 普通終鍛模的模擬分析結果

根據(jù)鍛件的三維模型建立簡易的終鍛型腔的三維模型(如圖2所示)，針對零件自身及中間彎曲部分在圓柱形有一枝芽的特點，將枝芽與臂的垂直拐角處設置成飛邊槽的橋部來增大金屬流向倉部的阻力，增加摩擦力以促使金屬流向圓柱形枝芽，模鍛成形后對其進行切邊處理。

圖2 終鍛模具

從圖3所示的速度場分布可知，當材料利用率為50%時，采用常規(guī)飛邊槽的終鍛模進行終鍛成形，圓柱形枝芽部分并沒有充滿并出現(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)的飛邊槽時材料充型能力較差，需對終鍛模具型腔進行改進。

圖3 速度場分布圖

4 采用阻力墻的模擬分析結果

4.1 阻力墻結構設計

從前面的模擬結果可以看出，如果將坯料各部分的直徑減小，材料利用率提高到70%時，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計阻力墻，圖4所示為阻力墻相關參數(shù)。

圖4 阻力墻結構圖

4.2 成形過程數(shù)值模擬與分析

當材料利用率為70%時采用彎曲型腔，彎曲后的坯料形狀如圖5所示，在此基礎上，通過將中間部分拍平，以便在模鍛過程中的定位及成形開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，鍛件各個部分充填較好，內(nèi)部沒有折疊現(xiàn)象的產(chǎn)生，速度方向較均勻，并未出現(xiàn)坯料流動交匯現(xiàn)象。鍛件本體等效應力比較均勻，而等效應力最大值出現(xiàn)在阻力墻橋部，如圖7所示。

當型腔中間部分已基本充填完好時，金屬處在三向壓應力的狀態(tài)，而此時部分金屬流向阻力墻的橋部，因為橋部的摩擦阻力的大小為2s(設摩擦力達到最大值，等于s)。橋部寬度越大，則所受到的摩擦阻力就越大，加劇了流動金屬與靜止金屬之間的剪應力，則此時的拉應力相對較大。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，最大壓應力值不斷地增加，而最大拉應力值在不斷地減小。當橋部充填滿足，由于阻力墻的阻礙作用，橋部金屬處于三向壓應力作用，型腔未充滿部分因自由表面的存在，等效應力較阻力墻橋部小。

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

圖6 鍛件圖

圖7 等效應力

圖8 等效應變

5 結語

(1)通過對控制臂結構的分析，合理的設計了成形工藝生產(chǎn)流程。

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

(3)對終鍛模進行了優(yōu)化。設計了阻力墻，使材料利用率提高至70%，獲得合格的鍛件。

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