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        鍛造過程中汽車懸架控制臂與模具的傳熱分析

        2020-12-31 04:11:20
        中國金屬通報 2020年8期
        關(guān)鍵詞:熱傳導鍛件熱量

        李 展

        (九江金鷺硬質(zhì)合金有限公司,江西 九江 332000)

        國內(nèi)研究人員通過仿真軟件分析了各種工藝參數(shù)對鍛造鍛件的影響,探討了鍛件溫度及模具預熱對模具磨損及疲勞壽命的影響等問題。在國內(nèi),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,分析了不同摩擦系數(shù)對模具載荷和鍛件損傷及等效應力的影響。姬金金[2]采用有限元模擬軟件,分析了預熱溫度對材料成形及模具磨損的影響。唐睿[3]采用DEFORM-3D有限元模擬軟件,分析了鍛件初始溫度、模具預熱溫度、接觸界面?zhèn)鳠嵝葘釘D壓模具的磨損量影響。

        本文以一款汽車鋁合金控制臂為研究對象,在之前研究的基礎上[1],基于有限元DEFORM-3D分析方法,對工藝方案中最后的鍛造過程進行模擬,研究模具預熱溫度對鍛造過程中控制臂溫度與模具溫度的影響。

        1 控制臂鍛造的有限元分析

        在該鍛造工藝中,以JA55-2500T壓力機為鍛造設備,鍛件材料為6082鋁合金,模具皆選用H13模具鋼。

        在DEFORM-3D中,將折彎后的鍛件導入到終鍛模具中,并對鍛件和模具進行網(wǎng)格劃分,鍛件劃分為83247個單元,最小單元尺寸為1.8mm,上模和下模劃分為200000個單元,最小單元尺寸為1.8mm。

        設定鍛件溫度選擇為490℃,終鍛模具溫度分別設置為150℃、200℃、250℃、300℃。在熱邊界條件中,坯料與模具的熱傳導系數(shù)為11N/(s·mm·℃),坯料與環(huán)境的熱對流系數(shù)為0.02N/(s·mm·℃),熱傳導系數(shù)為0.02W/m2。設定摩擦類型為剪切摩擦,摩擦系數(shù)為0.3。設置鍛壓速率為230mm/s,根據(jù)模具運動行程,設定模具步距和步數(shù)。

        根據(jù)DEFORM-3D有限元計算分析方法,對控制臂成形過程進行模擬,并對計算結(jié)果進行分析后,對控制臂和模具分別設置3點追蹤,如圖1~圖3所示。

        圖1 控制臂

        圖2 模具上模

        圖3 模具下模

        1.1 鍛造過程中控制臂溫度變化分析

        一般模具預熱溫度在150℃~350℃之間,現(xiàn)主要分析當模具溫度分別為150℃、200℃、250℃和300℃時,控制臂在鍛造過程中,P1~P3處溫度變化如圖4~圖6所示。

        由圖4~圖6可知,在上模下壓過程中,控制臂與空氣進行換熱,控制臂溫度有微小下降。

        由圖4可知,當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,控制臂P1處溫度快速上升,當控制臂P1處變形程度減少時,控制臂P1處溫度上升較慢,當控制臂P1處變形程度增加時,此時控制臂P1處溫度相對較高,潤滑環(huán)境受到一定破壞,控制臂P1處與上模具之間的摩擦系數(shù)增大,摩擦更加劇烈,所以控制臂P1處溫度上升較快。隨著模具預熱溫度的增大,控制臂P1處溫度上升較快,鍛造后控制臂P1最終溫度增大。

        圖4 控制臂P1點

        由圖5可知,在控制臂與上模剛接觸時,控制臂P2處被上模具擠壓,由于摩擦產(chǎn)生大量的熱量,導致控制臂P2處溫度快速升高,鍛造后期,控制臂P2處溫度上升速率降低,最后溫度下降,是由于P2處在鍛造后期,形變量逐漸減少,此時控制臂與模具摩擦產(chǎn)生的熱量較小,控制臂與模具接觸傳遞熱量,此時控制臂溫度比模具溫度高,因此控制臂P2處溫度下降;隨著模具預熱溫度的升高,控制臂P2處溫度上升較快,鍛造后期控制臂P2處溫度降低較少,鍛造后控制臂P2處最終溫度增大。

        圖5 控制臂P2點

        由圖6可知,當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,控制臂P3處溫度快速上升,隨著控制臂P3處的溫度上升,潤滑環(huán)境受到一定破壞,控制臂P1處與上模具之間的摩擦系數(shù)增大,摩擦產(chǎn)生的熱量增大,所以控制臂P3處溫度上升較快。在鍛造后期,控制臂P3處變形程度減少,控制臂P3處溫度上升較慢。隨著模具預熱溫度的增大,控制臂P3處溫度上升較快,鍛造后控制臂P3最終溫度增大。

        圖6 控制臂P3點

        結(jié)合上述分析可知,隨著模具預熱溫度的增大,控制臂溫度上升較快,鍛造后控制臂最終溫度增大。

        1.2 鍛造過程中下模具溫度變化分析

        下模具在鍛造過程中,在上模下壓過程中,下模具與空氣發(fā)生熱交換,下模具P1、P2處溫度有微小下降,下模具P3處因為與控制臂接觸,與控制臂發(fā)生熱交換,溫度有微小上升。

        當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而模具材料熱傳導系數(shù)小于控制臂,因此下模具P1處溫度上升,但是上升速率小于控制臂。在鍛造后期,下模具P1處溫度上升速率增大,因為P1處形變量變大,控制臂與模具摩擦產(chǎn)生的熱量增多,導致模具溫度上升速率變大。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中下模具P1溫度上升較慢,鍛造后下模具P1溫度上升的幅度減少。

        當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而模具材料熱傳導系數(shù)小于控制臂,因此下模具P2處溫度上升,但是上升速率遠小于控制臂。在鍛造后期,下模具P2處溫度上升速率降低,P2處形變量逐漸減少直到?jīng)]有形變產(chǎn)生,此時控制臂與下模具摩擦產(chǎn)生的熱量很小,控制臂與下模具接觸傳遞熱量,此時控制臂溫度比下模具溫度高,因此下模具P2處溫度上升速率減小。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中下模具P2溫度上升較慢,鍛造后下模具P2溫度上升的幅度減少。

        當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而模具材料熱傳導系數(shù)小于控制臂,因此下模具P3處溫度上升,但是上升速率小于控制臂。鍛造過程中,下模具P3處溫度上升均勻。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中下模具P3處溫度上升較慢,鍛造后下模具P3處溫度上升的幅度減少。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中下模具溫度上升較慢,鍛造后下模具溫度上升的幅度減少。

        1.3 鍛造過程中上模具溫度變化分析

        上模具在鍛造過程中,在上模下壓過程中,由于上模具下壓速率很高,與空氣發(fā)生熱對流,上模具溫度下降幅度比下模高。

        當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而模具材料熱傳導系數(shù)小于控制臂,因此上模具P1處溫度上升,但是上升速率遠小于控制臂。在鍛造后期,上模具P1處溫度上升速率增大,因為P1處形變量變大,控制臂與模具摩擦產(chǎn)生的摩擦熱增多,導致模具溫度上升速率增大。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中上模具P1處溫度上升較慢,鍛造后上模具P1處溫度上升的幅度減少。

        當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而模具材料熱傳導系數(shù)小于控制臂,因此上模具P2處溫度上升,但是上升速率遠小于控制臂。在鍛造后期,上模具P2處溫度上升速率降低,P2處形變量逐漸減少直到?jīng)]有形變產(chǎn)生,此時控制臂與模具摩擦產(chǎn)生的熱量很小,控制臂與模具接觸傳遞熱量,此時控制臂溫度比模具溫度高,因此上模具P2處溫度上升速率減小。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中上模具P2處溫度上升較慢,鍛造后上模具P2處溫度上升的幅度減少。

        當上模接觸控制臂時,控制臂被模具擠壓產(chǎn)生形變,擠壓過程與模具發(fā)生摩擦產(chǎn)生大量的熱量,而模具材料熱傳導系數(shù)小于控制臂,因此上模具P3處溫度上升,但是上升速率遠小于控制臂。鍛造過程中,上模具P3處溫度上升均勻。隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中上模具P3處溫度上升較慢,鍛造后上模具P3處溫度上升的幅度減少。

        結(jié)合上述分析可知,隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中上模具溫度上升較慢,鍛造后上模具溫度上升的幅度減少。

        2 結(jié)論

        以一款新型的6082鋁合金控制臂為研究對象,采用DEFORM-3D對控制臂鍛造過程進行了模擬,通過模擬計算分析可知:過高的模具預熱溫度會惡化鍛造中的潤滑環(huán)境,導致控制臂與模具之間的摩擦系數(shù)增大,使控制臂溫度過高;隨著模具預熱溫度的增大,鍛造過程中控制臂溫度上升較快,模具溫度上升較慢,因此鍛造后控制臂最終溫度增大,模具溫度上升的幅度減少;當模具預熱溫度在150℃~300℃之間時,鍛造后下模溫度比上模高。

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