汽車轉向臂成形工藝模擬優化（上）

肖來斌，陶善虎，陳國強，陳文琳

汽車轉向彎臂是汽車轉向系統中的重要零件，起連接車輪與車身的作用，在汽車行駛過程中，轉向彎臂要承受頻繁而復雜的多變應力的作用，一旦零件損壞可能造成重大的事故，是重要的安全構件，為此對其工藝性能及使用要求都比較高。該零件主要通過鍛造成形獲得，而國內生產此類鍛件仍然存在加工余量大、成形不易充滿及模具設計困難等問題，通過有限元數值模擬技術探索該類鍛件的合理鍛造方法，對我國汽車產業發展具有重要意義。

1.轉向臂的研究現狀

轉向彎臂是輕型載貨汽車轉向系統中的重要零件。由于轉向彎臂屬于變截面彎軸類鍛件，其成形過程需要滾擠拔長、彎曲等制坯工序，在工作過程中受力也比較復雜，對其質量的要求比較高。該類鍛件原常采用錘上模鍛工藝，但質量難以保證。近年來，隨著汽車行業的迅速發展，對輕型車轉向彎臂這種形狀復雜的鍛件在尺寸精度、內在和表面質量等方面的要求越來越嚴格，合理的設計轉向彎臂成形工藝及模具結構成為解決這類問題的關鍵。我們結合合肥汽車鍛件有限責任公司的生產需要，制定出輥鍛制坯—摩擦壓力機模鍛的復合工藝，整個工藝流程為：下料→中頻感應加熱→輥鍛制坯→彎曲→鍛造→切邊→校正→熱處理，針對不同轉向彎臂設計出合理的輥鍛工藝和終鍛模具。

2.輕型載貨轉向彎臂的結構特點

輕型載貨汽車轉向彎臂零件（見圖1）屬于長軸類彎曲件，其特點是軸線呈空間曲線形，多向彎曲，沿長度方向界面差與落差變化較大，外形較復雜。

圖2為某輕型載貨汽車轉向彎臂的鍛件圖，材料為40Cr，截面形狀由圓形和矩形組成，圓形最大直徑為51m m，最小直徑為32m m，在彎曲區的矩形截面由60mm×27mm漸變到39mm×26mm。

3.輥鍛數值模擬

采用DEFORM模擬軟件對輥鍛過程進行數值模擬，分析輥鍛過程中金屬流動規律、應力場、應變場、溫度場及模具載荷分布等，從而考察輥鍛過程的設計參數對金屬變形規律的影響，并為優化模具設計參數提供依據。

圖1 汽車轉向彎臂零件

圖2 汽車轉向彎臂鍛件

（1）模擬存在問題及解決方案 DEFORM-3D軟件操作環境比較簡單，前處理模擬開始時模具與坯料的接觸問題并沒有提供幾何模型參數的設計功能，需通過其他通用CAD軟件來完成參數建模。采用IGES、STL等數據接口實現DEFORM前處理模型輸入。在DEFORM中只能對模具和坯料進行簡單旋轉和移動，不能對模具與坯料進行精確定位。針對這樣的情況，可以利用UG裝配系統，在UG開發環境內，將模具與坯料接觸位置找好，然后再分別導出為STL文件，然后再分別導入到DEFORM中，這樣既可以避免采用繁瑣的試探法尋找接觸點，也可以避免出現接觸過多或模具與工件相交的情況，從而使模擬過程順利進行下去。

（2）坯料輥鍛時的彎曲問題 輥鍛過程由于存在坯料各部分變形不均等情況，導致模擬過程中坯料沿著輥鍛模下模彎曲，坯料發生彎曲將嚴重影響坯料進入下一道次輥鍛。變形中發生錯位則會導致坯料得不到規定的形狀要求，發生變形不均。對于這種現象一般可以采用限制坯料的運動狀態方法。

（3）輥鍛模間隙的合理選擇 模具間隙是影響制坯質量的重要因素，也會導致坯料彎曲。模具間隙過大，坯料不能得到較好限位，輥鍛過程中會發生坯料與模具不接觸的狀況，從而影響坯料成形質量；模具間隙過小，則坯料所受變形力不均勻性也會增大，從而使坯料金屬變形時流動不均，這些都會導致輥鍛時彎曲現象的發生，輥鍛模間隙越小，坯料彎曲的程度越大。

因此，選擇合理的模具間隙是得到截面滿足生產要求的輥鍛件的重要保證，也是防止坯料在輥鍛過程中出現彎曲現象的重要因素，本文中轉向彎臂輥鍛制坯經過多次反復模擬和試驗后最終確定出合理的模具間隙為4mm。

4.輥鍛模擬結果及分析

（1）各道次坯料應力應變分析 第一道次輥鍛制坯應力應變分析。如圖3、圖4所示，由于第一道次輥鍛模型槽為橢圓形，在輥鍛過程中，與兩輥鍛模接觸的坯料在徑向（高度）方向上的變形屬于鐓粗變形，在軸向方向上被伸長，橫向方向上則被展寬。在輥鍛變形過程中，由于存在著截面改變，即圓形向橢圓形過渡，坯料存在著一定的后滑現象，在輥鍛模設計時就應注意到這一點，進行有效控制和彌補。

第二道次輥鍛制坯應力應變分析。如圖5、圖6所示，第二道次輥鍛模型槽為圓形，變形區內金屬坯料在整個輥鍛過程處于三向壓應力狀態，坯料在徑向上被壓扁，在軸向上被伸長，在橫向上展寬幅度很小。

圖3 第一道次輥鍛時應力變化

圖4 第一道次輥鍛時應變變化

圖5 第二道次輥鍛時應力變化

在兩道次輥鍛變形過程中，處于變形區坯料內部應力應變在三維方向均呈不均勻分布狀態。第一道次輥鍛過程中變形區坯料內部等效應變分布如圖7a所示，從圖中可以看出由于坯料與輥鍛模之間摩擦的影響，與工具接觸的坯料由于流動受到模具影響，變形程度較小，而坯料中間部分的變形最大，側面鼓形區的變形程度處于二者之間。圖7b表明在與輥鍛模接觸部分的坯料內部等效應力值較大，與輥鍛模型槽不接觸的坯料側面等效應力值則較小。而從圖8可以看出，在坯料表面上，與輥鍛模接觸部分的等效應力值最大，在沿坯料軸向和周向方向上，離接觸點越遠，等效應力值越小。

將坯料翻轉90°后進行第二道次輥鍛，變形區坯料內部等效應變場如圖8a所示。可以看出，經過第二次輥鍛之后，坯料內部等效應變值都比較大，尤其是坯料心部的十字形區域，該區域應變值是兩道次大變形疊加的結果，而坯料側面及坯料與輥鍛模接觸處應變值較小。從圖8b坯料斷面等效應力場可以看出，與第一道輥鍛相比，此時坯料內部應力場已比較均勻，只有坯料表面存在著較大應力。

（2）各道次坯料速度場模擬結果及分析 圓形坯料經由橢圓——圓型槽兩道次軋制成圓形輥鍛件, 在實際生產中其變形過程經過了咬入、穩定輥鍛和拋鋼三個階段。圖9、圖10分別給出了坯料在兩道次輥鍛變形區內，坯料表面沿輥鍛方向的速度場。在初始咬入階段, 輥鍛過程處于不穩定狀態, 坯料在輥鍛模帶動下完成咬入，隨著壓下量增加,金屬縱向延伸, 橫向展寬。輥鍛初期，如圖9a所示，坯料上在輥鍛模咬口兩端的速度分布梯度存在著較大差異，這是因為坯料兩端變形不一樣，輥鍛模作用在坯料表層金屬上作用力也不一樣。該變形區段輥鍛模的壓下量是逐漸增加的，初始壓下量較小，造成坯料上各節點的流動速度差別不大。在前滑區，靠近輥鍛模兩側的金屬變形速度高, 向內逐漸降低, 與輥鍛模接觸的中心部分速度最低。在后滑區, 情況則相反。如圖9b所示，隨著穩態輥鍛過程的進行，壓下量不斷增加，坯料上截面上流動速度差別不斷增大，最后壓下量不再增加，坯料上速度場也趨于穩定。

兩道次輥鍛使得坯料截面由圓形轉變為橢圓形，再軋制成圓形，比較兩道次的變形過程，第一道次變形量較大。從圖9、圖10兩道次輥鍛變形過程中材料流動速度場可看出，第二道次輥鍛后滑區中，坯料中部與兩端節點流動速度差別雖然比較大，但坯料與輥鍛模接觸的大部分范圍內速度差別很小，幾乎相等。坯料前滑區與輥鍛模接觸部分金屬流動速度較慢，兩側金屬流動速度則很快。（待續）

圖6 第二道次輥鍛時應變變化

圖7 第一道次輥鍛變形區坯料內部應力應變

圖8 第二道次輥鍛變形區坯料內部應力應變

圖9 第一道次輥鍛變形過程中速度場變化

圖10 第二道次輥鍛變形過程中速度場的變化

20140701