韓 樂

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

在汽車懸架系統(tǒng)中，控制承擔(dān)的任務(wù)是導(dǎo)向和傳力，把作用于車輪上的力傳輸?shù)杰嚿砩?，并確保車輪能夠按照既定軌跡運(yùn)轉(zhuǎn)，所以，控制臂應(yīng)具備充足的剛度、強(qiáng)度、使用壽命。但是在具體模鍛生產(chǎn)制造時(shí)很容易出現(xiàn)兩大問題，即零件裂紋，最終報(bào)廢；材料利用率過低。所以，進(jìn)一步探究能夠大量生產(chǎn)制造，并且可以大大降低生產(chǎn)成本，提高成形效率與水平，以及材料利用率的成形工藝已經(jīng)成為必然趨勢[1]。

1 鋁合金材料參數(shù)

6082 鋁合金的流動(dòng)性比較差，而且鍛造的溫度范圍比較窄。在鍛造溫度過高的時(shí)候，鍛件將會(huì)產(chǎn)生粗晶組織。如果鍛造的溫度太低，那么鍛件的表面將會(huì)發(fā)生加工硬化現(xiàn)象，因?yàn)榧庸び不膮^(qū)域內(nèi)激活性能非常大，在后續(xù)熱處理時(shí)，部分晶粒會(huì)出現(xiàn)快速增長，然后演變成粗晶，從而使得鍛件性能大大下降。鋁合金主要元素是Mg 與Si，以Mg2Si 為主要的強(qiáng)化相輕質(zhì)合金[2]。通過擠壓工藝能夠獲取鋁棒處于常溫狀態(tài)的力學(xué)性能指標(biāo)，具體如表1所示。

表1 6082鋁合金常溫狀態(tài)的力學(xué)性能

2 控制臂鍛造有限元模擬

6082 鋁合金控制臂鍛造成型是三維非穩(wěn)態(tài)大塑性變形過程，主要包含材料、幾何非線性與邊界接觸條件非線性，彈性變形可以忽略，所以，鍛造成型過程模擬會(huì)選用剛塑性模型。在金屬塑性成形時(shí)，材料塑性變形的物理過程十分繁雜，為了便于進(jìn)一步計(jì)算，將變形的部分過程進(jìn)行理想化，有助于后續(xù)數(shù)學(xué)處理?？刂票刍拘螤顬殚L條形，各個(gè)部分的金屬體積分布并不均勻。所以，可以通過輥鍛制坯、彎曲預(yù)鍛、終鍛模鍛成型等環(huán)節(jié)加以完成。根據(jù)鍛模設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)知識(shí)設(shè)計(jì)模具，并以觀察有限元模擬結(jié)果的方式實(shí)現(xiàn)模具優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)鍛造經(jīng)驗(yàn)，毛坯的初始溫度選定為510 ℃，輥鍛與終鍛的模具溫度分別是120 ℃與250 ℃。處于熱邊界條件下，模具材料都選用H13 模具鋼[3-4]。6082鋁合金在有限元模擬過程中的邊界條件具體如表2所示。

表2 6082鋁合金材料參數(shù)

2.1 確定摩擦系數(shù)

在金屬塑性成形有限元模擬過程中，利用庫侖摩擦與剪切摩擦。庫侖摩擦模型模擬板料成形，剪切摩擦模型模擬體積成形，所以，輥鍛、折彎、模鍛模擬則選擇剪切摩擦模型。摩擦系數(shù)代表接觸面潤滑條件的特性，直接影響著其金屬流動(dòng)，一般會(huì)就成形工藝條件為依據(jù)加以決定。摩擦系數(shù)具體如表3所示。

表3 不同工藝的摩擦系數(shù)

輥鍛成形與壓扁折彎屬于局部變形，對(duì)于潤滑條件要求較低，摩擦系數(shù)可以設(shè)置成0.7。在模鍛成形的時(shí)候，材料的變形變化比較大，為了促使材料流動(dòng)性保持均衡狀態(tài)，避免折疊與充型不滿，潤滑應(yīng)保持良好態(tài)勢，摩擦系數(shù)設(shè)定成0.3。

2.2 輥鍛成形

在成形時(shí)，模具和坯料的接觸范圍一直在演變，屬于局部變形積累演變成整體變形、多道次小變形疊加成為大變形的過程，目的是切實(shí)解決材料沿著軸向的分配。輥鍛成形是制坯的重要工藝，成形質(zhì)量與工藝、鍛件質(zhì)量有著直接性影響。其中，小變形區(qū)域處于控制臂的兩側(cè)，而大變形區(qū)域位于中間?；谌S造型軟件獲得控制臂最大界面面積為1 569 mm2，體積為784 928 mm3，所以，坯料長度是體積和最大截面的比值，通過圓整取坯料長度498 mm。兩端平均截面的半徑是48 mm，所以毛坯尺寸選擇48 mm×498 mm。為了保證材料加工的流動(dòng)性，有效改善材料能夠局部成形。多道次輥鍛制坯可以切實(shí)解決鍛件截面偏差過大的現(xiàn)象，促使制坯形狀與鍛件展開形狀接近，避免鍛件發(fā)生飛邊現(xiàn)象，節(jié)約了成本與材料。輥鍛道次的明確直接影響著輥鍛件成形與生產(chǎn)率的提升。通過截面截取方式，采取兩道次輥鍛制坯。利用CAD 軟件，構(gòu)建模具三維模型，通過布爾運(yùn)算，以及各種方法支撐半閉式箱式孔型輥鍛模型腔，并對(duì)過渡交線倒圓角，以此獲取輥鍛模具。

在3D 有限元模型中，毛坯選擇四面體網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)格最小的尺寸設(shè)定成1.51 mm，比例因子是3，模擬步長大約是0.21 mm。選擇剛體模型為模具，剛塑性模型為毛坯。輥鍛模具則選擇H13模具鋼，輥鍛模擬參數(shù)具體如表4所示。

表4 輥鍛工藝參數(shù)

鋁合金毛坯在經(jīng)過兩道次輥鍛模擬之后，可以發(fā)現(xiàn)輥鍛件不存在飛邊與折疊等相關(guān)缺陷，毛坯材料沿著軸向流動(dòng)比較均衡。

2.3 彎曲成形

輥鍛之后，坯料彎曲成形的過程開始的時(shí)候由于右側(cè)坯料的直徑最小，和中間直徑存在較大落差，那么此時(shí)就會(huì)先出現(xiàn)彎曲。在增量步逐漸增加的趨勢下，坯料開始進(jìn)入彎曲型膛，右側(cè)坯料和彎曲上模相互接觸。然后，在上模和下模的垂直距離會(huì)漸漸縮減，在厚度方向上慢慢鐓粗，而且坯料朝著彎曲底的部分開始聚集。彎曲是局部成形，彎曲模具的形狀受控制臂形狀所影響。基于給定控制臂3D數(shù)模，獲得折彎模。彎曲過程的有限元模型中，輥鍛毛坯廚房到折彎的下模。在上模朝下運(yùn)動(dòng)時(shí)，輥鍛毛坯上表面受到擠壓，下表面被拉動(dòng)，受局部擠壓的影響會(huì)慢慢成形。彎曲模擬工藝參數(shù)具體如表5所示。

表5 彎曲模擬工藝參數(shù)

通過彎曲模擬結(jié)果可知，彎曲件不存在皺褶和折疊等缺陷。

2.4 終鍛成形

終鍛是最終成形的環(huán)節(jié)，是大變形范圍。上模和下模是把已修整終鍛件增加1%熱膨脹系數(shù)之后，放到上模塊和下模塊中，通過各種方法進(jìn)行飛邊橋和鎖口修整，然后進(jìn)行局部細(xì)化修正之后形成。進(jìn)行彎曲處理以后，采取螺旋壓力機(jī)終鍛模擬，具體工藝參數(shù)如表6所示。

表6 終鍛工藝參數(shù)

在終鍛的時(shí)候，上模受外力與邊界條件影響，開始向下方運(yùn)動(dòng)，材料出現(xiàn)塑性變形，上模和下模型腔、最終閉合程度、外力條件、材料變形抗力等各種因素直接決定了鍛件的最終形態(tài)。終鍛模擬結(jié)果中可以看出，控制臂的成形比較良好，不存在折疊與縮孔等不足[5-6]。

3 結(jié)果討論

3.1 模鍛速度的影響

模鍛速度是非常關(guān)鍵的工藝參數(shù)，其與成型中的鍛件溫度、模鍛力密切相關(guān)。在輥鍛始鍛溫度狀態(tài)下，針對(duì)鍛件開展輥鍛制坯與彎曲預(yù)鍛，然后利用模鍛速度針對(duì)鋁合金控制臂模鍛進(jìn)行終鍛數(shù)值模擬。在模擬時(shí)，選擇的速度也各不一致。而且在模鍛速度不斷增大的趨勢下，鍛件表面和心部溫度都會(huì)逐漸上升，鍛件的高低溫都會(huì)明顯升高，鍛件溫度所占據(jù)的比例也會(huì)隨之增大。

隨著壓上模下逐漸增大，上模所提供的成形力會(huì)增加，成形力增加的速率逐漸提升。總之，在模鍛速度不同時(shí)，上模所提供成形力會(huì)在模鍛速度增加的趨勢下逐漸增大。在模鍛速度不斷增加的趨勢下，鋁合金變形抗力也顯著增大。所以，處于相同壓下量下模鍛的速度越大，成形力就會(huì)越大。然而，在模鍛速度增加的影響下，上模提供的成形力增加并不顯著。在熱塑性成形時(shí)，變形抗力會(huì)漸漸增加。合金化程度低的鋁合金處于合理溫度狀態(tài)時(shí)鍛造，變形速率增大會(huì)造成加工硬化速率，以此造成變形抗力的速度有所增加，并未超出再結(jié)晶，進(jìn)而使得變形抗力速度縮小。而6082 鋁合金的合金化程度較差，在合理鍛造溫度閾限之內(nèi)，變形速率在變形抗力方面的影響并不明顯。

3.2 摩擦系數(shù)的影響

在模鍛時(shí)，摩擦系數(shù)與模鍛重要參數(shù)之間密切相關(guān)。鋁合金的黏性比較大，在模鍛時(shí)，需要使用潤滑劑。變形溫度大約在420 ℃以上，添加潤滑劑，鋁合金摩擦系數(shù)處于0.37～0.424。在潤滑技術(shù)逐漸優(yōu)化，潤滑劑不斷改善的形勢下，潤滑劑的效果會(huì)越發(fā)突出，鋁合金與鍛模的摩擦系數(shù)則會(huì)顯著降低。

另外，因?yàn)槟＞唢w邊槽橋部，以及型腔的阻礙影響，金屬的流動(dòng)性抗力大大增加，鍛件和模具摩擦力逐漸增大。所以，模鍛力增長速率相對(duì)較快。在不同壓下量下，坯料的變形抗力相同，但摩擦系數(shù)卻存在差異。摩擦系數(shù)越來越大，在相同條件下，摩擦力逐漸增大，模鍛力也越來越大。在充型之后，鍛模的作用并非充型，而是把型槽中多余金屬擠壓到飛邊槽中，便可以看出模鍛力快速增加。在鋁合金模鍛下，應(yīng)利用更優(yōu)質(zhì)潤滑條件，模鍛力也顯著下降[7]。

4 結(jié) 論

總之，針對(duì)汽車懸架6082 鋁合金控制臂，選擇輥鍛-壓扁折彎-模鍛工藝及其相關(guān)參數(shù)，對(duì)鍛造成型過程進(jìn)行有限元分析，模擬結(jié)果表明充形良好，外形輪廓和3D 數(shù)模相一致。為了驗(yàn)證工藝的科學(xué)合理性，鍛造加工控制臂，通過試驗(yàn)可知，鍛件并未出現(xiàn)折疊或縮孔等不足。把鍛件試棒在材料拉伸試驗(yàn)機(jī)上測驗(yàn)其力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率都能夠滿足相關(guān)要求，通過數(shù)值模擬，可知工藝參數(shù)、流程、模具設(shè)計(jì)具備較高的科學(xué)合理性。