王道勇，葉桂宗，張文燦，李學(xué)軍

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣東佛山528225）

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，汽車輕量化成為汽車發(fā)展的趨勢(shì)。近幾年來(lái)，鋁合金零部件被大量應(yīng)用到汽車系統(tǒng)中，例如懸架、底盤、副車架、車身等。這些零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般都采用鍛造工藝完成，然而在鍛造過(guò)程中鍛件會(huì)出現(xiàn)一定程度的損傷，同時(shí)，模具也會(huì)磨損。模具磨損累積會(huì)影響后續(xù)的鍛件質(zhì)量，因此提高鍛件質(zhì)量和降低鍛造中模具的磨損是急需要解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)研究人員通過(guò)仿真軟件分析了鍛造、擠壓、軋制等金屬體積成形及成形中微觀組織變化，探討了模具磨損及疲勞壽命等問(wèn)題。王道勇［1］采用Deform-3D分析了6082鋁合金控制臂的制造工藝方案，以及不同摩擦系數(shù)對(duì)模具載荷和鍛件損傷及等效應(yīng)力的影響，研究了不同應(yīng)變速率對(duì)鍛件等效應(yīng)力的影響，探討了固溶時(shí)間對(duì)控制臂強(qiáng)度的影響，為汽車不同種類控制臂的實(shí)際工藝方案制定、模具設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)和分析方法。苗培壯［2］從模具材料改性和成形工藝參數(shù)優(yōu)化兩個(gè)角度，闡述了提高模具耐磨性、減少模具磨損及延長(zhǎng)模具使用壽命的一些措施。姬金金［3］以某曲軸為例，采用有限元模擬軟件，分析了預(yù)熱溫度對(duì)材料成形及模具磨損的影響。周杰［4］采用Archard磨損模型模擬分析了模具硬度、初始溫度及潤(rùn)滑條件在一次成形后對(duì)模具磨損的影響規(guī)律。李偉偉［5］基于修正Archard磨損模型，采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)分析了GH4169合金反擠壓成形過(guò)程中各擠壓工藝參數(shù)對(duì)模具磨損的影響規(guī)律。李寶聚［6］針對(duì)某差速器蓋熱鍛模制造，基于修正的Archard磨損模型，應(yīng)用有限元模擬軟件Deform分析了坯料和模具預(yù)熱溫度以及成形速度對(duì)終鍛模磨損的影響規(guī)律。宋宇［7］通過(guò)高溫硬度試驗(yàn)、高溫高速摩擦磨損試驗(yàn)獲得H13熱作模具鋼磨損量與磨損因子預(yù)測(cè)模型，建立了摩擦因子隨溫度變化的預(yù)測(cè)模型，獲得了磨損量與磨損因子、模具硬度的關(guān)聯(lián)模型，為H13熱作模具鋼擠壓過(guò)程的模具磨損精確預(yù)測(cè)提供了數(shù)據(jù)支撐。謝暉［8］基于Archard理論，運(yùn)用有限元軟件對(duì)熱沖壓過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，通過(guò)改變熱沖壓工藝參數(shù)，獲取模具磨損量隨沖壓速度及板料初始成形溫度變化的規(guī)律。黃炳林［9］基于磨損試驗(yàn)的狀況建立微觀尺度下磨損行為的有限元分析模型，研究熱成形模具滑動(dòng)磨損行為及關(guān)鍵參數(shù)對(duì)磨損行為的影響規(guī)律。通過(guò)建立宏觀尺度下模具磨損預(yù)測(cè)的有限元模型，模擬服役過(guò)程模具的磨損歷程，并估算模具壽命，研究成形工藝參數(shù)對(duì)模具磨損及壽命的影響規(guī)律。

本文以一款汽車鋁合金控制臂為研究對(duì)象，控制臂樣件的外形輪廓如圖1所示。在文獻(xiàn)［1］的基礎(chǔ)上，針對(duì)鍛造過(guò)程中出現(xiàn)的鍛件損傷及模具磨損等問(wèn)題，基于有限元Deform-3D分析方法［10-11］，對(duì)工藝方案中最后鍛造過(guò)程進(jìn)行模擬，分析不同模具起始溫度對(duì)鍛件損傷和上模磨損的影響，研究不同的鍛壓速率對(duì)鍛件損傷和上模磨損的影響，探討不同的摩擦系數(shù)對(duì)上模磨損的影響。

圖1 控制臂輪廓

1 控制臂鍛造的有限元分析

在該鍛造工藝中，以JA55-2500T壓力機(jī)為鍛造設(shè)備，鍛件材料為6082鋁合金，鍛件溫度選擇為490℃，輥鍛、終鍛模具溫度分別為120℃和250℃。在熱邊界條件中，坯料與模具的熱傳導(dǎo)系數(shù)為11 N/（s·mm·℃），坯料與環(huán)境的熱對(duì)流系數(shù)為0.02 N/（s·mm·℃），熱傳導(dǎo)系數(shù)為 0.02 W/m2，模具皆選用 H13模具鋼。將折彎后的鍛件導(dǎo)入終鍛模具中，并對(duì)上模網(wǎng)格劃分，上模劃分為200 000個(gè)單元，最小單元尺寸為1.7653 4 mm，如圖2所示。

在Deform-3D中，設(shè)定摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數(shù)為0.3。設(shè)置鍛壓速率為230 mm/s，根據(jù)模具運(yùn)動(dòng)行程，設(shè)定模具步距和步數(shù)。根據(jù)DeformM-3D有限元計(jì)算分析方法，對(duì)控制臂成形過(guò)程進(jìn)行模擬。在Deform-3D中，采用共軛梯度法求解器進(jìn)行計(jì)算模擬，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 鍛造上模

1.1 鍛件損傷分析

損傷是衡量鍛件成形質(zhì)量的重要因素，在實(shí)際的鍛造過(guò)程中，諸多因素會(huì)影響鍛件的損傷。本文從模具起始溫度和鍛壓速度著手，分析鍛件損傷的影響。磨損深度可表示為

其中，W為磨損深度；P為模具表面正壓力；v為滑動(dòng)速度；H為模具材料的洛氏硬度；t為時(shí)間；a、b、c均為修正因數(shù)，對(duì)于模具鋼而言，一般取a=1，b=1，c=2；k為與材料性質(zhì)相關(guān)的磨損因數(shù)，其值為2×10-6。

1.1.1 模具溫度對(duì)鍛件損傷的影響

在鍛造過(guò)程中，模具溫度和鍛造鍛件的溫度差會(huì)影響鍛件質(zhì)量。因此，在鍛造前，一般會(huì)先對(duì)鍛造模具進(jìn)行預(yù)熱。一般模具預(yù)熱溫度在150～350℃之間，現(xiàn)主要分析當(dāng)模具溫度分別為150、200、250和300℃時(shí)，鍛件等效應(yīng)力和鍛件損傷。

模具溫度與鍛件等效應(yīng)力的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，在鍛造過(guò)程中，隨著模具溫度升高，鍛件等效應(yīng)力逐漸減少。這是由于隨著模具溫度升高，模具與鍛件溫度差減少，減少了鍛壓過(guò)程中上模具與鍛件接觸導(dǎo)致鍛件表面溫度下降，鋁合金流動(dòng)均勻，鋁合金變形抗力減少。當(dāng)溫度為300℃時(shí)，鍛壓時(shí)潤(rùn)滑條件由于局部溫度過(guò)高而變差。同時(shí)，變形過(guò)程中摩擦力也隨之增加，等效應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。當(dāng)模具溫度為250℃時(shí)，等效應(yīng)力最小。

模具溫度與鍛件損傷的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，當(dāng)上模溫度為150℃時(shí)，上模溫度與鍛件的溫度差較大，在上模擠壓鍛件時(shí)，鍛件表面與上模熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致鍛件表面溫度下降，使得鋁合金流動(dòng)不均勻，鍛件不能很好地填充模具，出現(xiàn)裂紋。隨著溫度升高，鍛件損傷逐漸減少，上模溫度為250℃時(shí)，鍛件損傷達(dá)到最小值。當(dāng)上模溫度繼續(xù)上升，由于在鍛造過(guò)程中，模具與鍛件之間摩擦?xí)a(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致鍛造時(shí)模具與鍛件之間的溫度會(huì)不斷升高，潤(rùn)滑環(huán)境被破壞，鍛件與上模的磨損加劇，從而導(dǎo)致最終鍛件表面損傷增大。

圖3 模具溫度與鍛件等效應(yīng)力的關(guān)系

圖4 模具溫度與鍛件損傷的關(guān)系

1.1.2 鍛壓速率對(duì)鍛件損傷的影響

為分析鍛壓速率對(duì)鍛件質(zhì)量的影響規(guī)律，計(jì)算分析了當(dāng)鍛壓速率分別為110、140、170、200、230和260 mm/s時(shí)，鍛件的等效應(yīng)力和鍛件表面的損傷大小。

鍛件等效應(yīng)力與鍛壓速率的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，隨著鍛壓速率增加，鍛件的變形抗力增加。表明鍛壓速率越大，鍛件所受等效應(yīng)力也越大，當(dāng)鍛壓速率為230 mm/s時(shí)，加工硬化和動(dòng)態(tài)軟化相互平衡，等效應(yīng)力較小。

鍛壓速率與鍛件損傷的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)鍛造速率為110 mm/s時(shí)，由于鍛壓速率較低，材料的應(yīng)變速率較小，但較小的應(yīng)變速率會(huì)導(dǎo)致材料流動(dòng)慢，變形不均勻，鍛件表面損傷值增加。當(dāng)鍛壓速率增加時(shí)，材料應(yīng)變速率變大，鍛壓時(shí)間變短，加工硬化占據(jù)主導(dǎo)作用，鍛件所受等效應(yīng)力也會(huì)變大，導(dǎo)致鍛件表面損傷值增大。當(dāng)鍛壓速率介于170～230 mm/s時(shí)，鍛件表面損傷值有所下降，這是由于鍛壓速率的升高，材料的應(yīng)變速率變大，材料在該速率范圍內(nèi)流動(dòng)均勻。當(dāng)鍛壓速率大于230 mm/s時(shí)，由于鍛壓速率升高，鍛件的等效應(yīng)力升高，材料在局部區(qū)域出現(xiàn)變形不均勻，加之鍛造時(shí)間變短，鍛件的局部由于摩擦出現(xiàn)大量熱量使得鍛件表面出現(xiàn)燒傷，鍛件表面損傷值上升。

圖5 鍛壓速率與鍛件等效應(yīng)力關(guān)系

圖6 鍛壓速率與鍛件損傷的關(guān)系

1.2 上模模具磨損分析

1.2.1 模具溫度對(duì)上模磨損的影響

當(dāng)模具溫度分別為150、200、250和300℃時(shí)，上模載荷和上模磨損分別如圖7和8所示。

由圖7可知，上模載荷隨初始溫度升高而降低，當(dāng)溫度為250℃時(shí)上模載荷達(dá)到最小值，主要是由于此時(shí)模具與鍛件的溫度差減少，鍛壓過(guò)程中上模與鍛件接觸導(dǎo)致鍛件表面溫度下降不大，材料整體流動(dòng)均勻，上模載荷減小。當(dāng)溫度為300℃時(shí)，鍛壓時(shí)潤(rùn)滑條件變差，上模載荷有變大的趨勢(shì)。

由圖8可知，在鍛造過(guò)程中，上模溫度150℃時(shí)，隨著模具初始溫度增加，模具磨損逐漸增加。當(dāng)模具溫度為200℃時(shí)模具損傷逐漸減小，當(dāng)模具溫度為250℃時(shí)模具所受載荷達(dá)到最小值。模具溫度介于150～250℃時(shí)上模磨損變化不大。當(dāng)上模溫度大于250℃時(shí)，隨著溫度升高，模具磨損開(kāi)始逐漸變大，主要是當(dāng)模具溫度較高時(shí)，在鍛造過(guò)程中，模具與鍛件之間摩擦也會(huì)產(chǎn)生大量摩擦熱，導(dǎo)致模腔溫度將會(huì)不斷升高，模腔的潤(rùn)滑條件被破壞，導(dǎo)致摩擦系數(shù)變大，因此模具磨損也變大。

圖7 模具溫度與上模載荷的關(guān)系

圖8 模具溫度與上模磨損的關(guān)系

1.2.2 鍛壓速率對(duì)上模磨損的影響

鍛壓速率分別為110、140、170、200、230和260 mm/s時(shí)，上模具磨損如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)鍛壓速率在110 mm/s時(shí)，隨著鍛壓速率的增加，上模磨損也逐漸增大。主要是由于鍛壓速率變大，鍛件的應(yīng)變速率也增大，材料變形不均勻性增加，材料的抗變形力也逐漸上升，上模所受載荷也逐漸增加，導(dǎo)致上模磨損增大。當(dāng)鍛壓速率大于170 mm/s時(shí)，上模磨損逐漸下降，230 mm/s時(shí)達(dá)到低點(diǎn)，主要是材料在該速率范圍內(nèi)變形均勻，上模磨損逐漸減少。當(dāng)鍛壓速率超過(guò)230 mm/s時(shí)，模具磨損逐漸上升，是由于當(dāng)鍛壓速率變大時(shí)，材料應(yīng)變速率變大，鍛壓時(shí)間變短，鍛件加工硬化占據(jù)主導(dǎo)作用，等效應(yīng)力逐漸變大，上模所受等效應(yīng)力變大，導(dǎo)致上模磨損增大。綜上所述，當(dāng)鍛壓速率為110 mm/s時(shí)，上模磨損最小。

1.2.3 摩擦系數(shù)對(duì)上模磨損的影響

為分析上模磨損與摩擦系數(shù)的關(guān)系，設(shè)置摩擦系數(shù)0.3、0.5、0.7和0.9分別計(jì)算分析上模磨損的大小，如圖10所示。由圖10可知，摩擦系數(shù)越大時(shí)，上模磨損增加。當(dāng)摩擦系數(shù)變大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)材料局部流動(dòng)不均勻，導(dǎo)致鍛件變形不均勻。同時(shí)鍛造時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱使得潤(rùn)滑條件惡化，導(dǎo)致在整個(gè)鍛壓過(guò)程中工件與上模的摩擦系數(shù)增大，模具摩擦力和材料變形抗力增加，上模所受載荷逐漸增大，使上模的磨損也逐漸增大，造成模具疲勞損壞。因此為了減少模具磨損，鍛壓應(yīng)提供良好的潤(rùn)滑條件。

圖9 鍛壓速率與上模磨損的關(guān)系

圖10 摩擦系數(shù)與上模磨損關(guān)系

2 小結(jié)

以一款采取輥鍛-彎曲-模鍛（鍛造）的工藝方案的6082鋁合金控制臂為研究對(duì)象，采用DEFORM-3D對(duì)控制臂鍛造成形過(guò)程進(jìn)行了模擬，通過(guò)模擬計(jì)算分析可知：當(dāng)模具溫度為250℃時(shí)，鍛件及上模具的損傷最小，鍛件和上模所受的等效應(yīng)力最小。鍛壓速率分別為230和110 mm/s時(shí)，鍛件和上模具的磨損最小。當(dāng)摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，模具的損傷最小。