改進轉向臂鍛造成形工藝

文/李偉，陳文琳，吳躍·合肥工業大學材料科學與工程學院何慶偉，鄭明玉·合肥汽車鍛件有限責任公司

改進轉向臂鍛造成形工藝

文/李偉，陳文琳，吳躍·合肥工業大學材料科學與工程學院何慶偉，鄭明玉·合肥汽車鍛件有限責任公司

隨著能源與材料價格的不斷上漲，如何降低能耗、提高材料利用率成為鍛造企業最關心的問題之一。轉向臂是汽車轉向系統中最重要的承力零件之一，市場對其強度與精度要求越來越高。選擇合理的鍛造工藝不僅可以提高產品質量，還會提高材料利用率、延長模具壽命。本文對原有鍛造工藝進行分析，針對存在的問題并結合現有生產條件，對工藝進行改進，提出輥鍛制坯→彎曲→終鍛工藝流程，并通過有限元分析軟件驗證了新流程的可行性。

轉向臂原有鍛造工藝

圖1 轉向臂鍛件圖

轉向臂鍛件如圖1所示，鍛件質量4.4kg，材料為42CrMo。轉向臂整體呈多向彎曲狀態，截面變化較為劇烈，鍛件兩端頭部與中部截面較大，兩端頸部截面較小。原鍛造工藝下料（尺寸φ60mm×280mm）→中頻加熱→彎曲→終鍛（1600t摩擦壓力機）已經不能滿足市場對產品質量的要求。原工藝的特點是下料后不經過輥擠制坯，而是直接彎曲、終鍛，其存在以下問題：

⑴材料利用率較低，僅為71%。

⑵飛邊分布不均勻（圖2）。

圖2 轉向臂終鍛件圖

⑶多余金屬積存在飛邊槽，終鍛時金屬流動劇烈，嚴重增大了模具的磨損，降低了模具壽命，也增大了模鍛的終鍛力。

⑷在彎曲處，容易造成材料匯流而形成折疊。

⑸需要充分考慮彎曲時引起的拉伸現象、坯料彎曲和終鍛定位等問題。

問題分析

該鍛件帶有彎曲，繪制截面圖時應先將鍛件沿中性面處展開，如圖3所示。

圖3 計算毛坯圖

毛坯橫截面積的計算方式如下：

式中 Ad—鍛件橫截面積（mm2）；

Af—飛邊橫截面積（mm2）；

k—飛邊槽充滿系數（摩擦壓力機k取0.4～0.6，輥鍛制坯可取較小值，彎曲處為0.6，其余取0.4）。

計算毛坯圖如圖3所示。根據計算毛坯圖最大截面尺寸，可選取φ60mm的原始棒料，原始棒料長度為229.3mm，取整后可得原始坯料規格為φ60mm×230mm。k越大，金屬在制坯型腔中變形時作用在金屬上的水平分力就越大。

輥鍛制坯設計

圖4 輥鍛毛坯圖

對上述問題進行分析可知，飛邊分布不均勻，部分區域飛邊過大、過厚，主要是沒有制坯工序，金屬分配不合理造成的。因此，結合現有設備情況，采用輥鍛制坯工藝。根據毛坯圖，考慮輥鍛毛坯在彎曲、終鍛模腔中的擺放，彎曲時產生拉伸作用等情況，輥鍛毛坯采用圓形且短于計算毛坯長度。根據輥鍛毛坯設計原則，得到輥鍛毛坯圖，如圖4所示。

輥鍛道次及型槽系

輥鍛道次根據最小截面處選取，根據輥鍛毛坯圖，首先計算出該區段總延伸系數，隨后根據公式計算得出，采用兩道次輥鍛，且第二道次型槽截面為圓形，因此選用橢圓—圓形槽系。根據查表可確定型槽截面尺寸，如圖5所示。

圖5 型槽截面尺寸

第一道輥鍛件設計

根據第二道輥鍛件形狀與第一道各截面形狀，通過相應計算確定第一道次的輥鍛件形狀，如圖6所示。

圖6 第一道次輥鍛毛坯圖

有限元驗證

有限元模型的建立

隨著有限元技術的發展，數值模擬技術在塑性加工領域應用越來越廣泛，有限元軟件能準確模擬金屬在模具型腔中的流動與受力等。將幾何模型導入有限元軟件中，采用剛塑性有限元模型，模具作為剛性體，坯料為塑性體。坯料材料為42CrMo，初始加熱溫度為1180℃，模具材料為H13，初始加熱溫度為200℃。

兩道次輥鍛件不同區段應考慮前滑作用，為準確模擬機械手的夾持作用，對坯料夾持端添加垂直于運動方向的速度約束。上下輥中心距為460mm，轉速為3.14rad/s。坯料模具間采用剪切摩擦模型，摩擦系數為0.4，建立的有限元模型如圖7所示。

模擬結果分析

第一道次輥鍛結束后，將坯料旋轉90°放入第二道輥鍛型腔中。各道次輥鍛完成后坯料形狀如圖8所示。第一道輥鍛件設計長度為245mm，模擬結果為242.4mm，誤差為1.3%；第二道輥鍛件設計長度為285mm，模擬結果為282mm，誤差為0.84%，誤差較小，模擬結果驗證了計算過程的正確性，為輥鍛模具的設計提供了有效依據。輥鍛毛坯圖上沒有產生飛邊和折疊，所得輥鍛件符合彎曲、終鍛要求。

圖7 有限元模型

在彎曲工序中，坯料的擺放位置至關重要。坯料定位不準確，將會在終鍛過程中出現一邊充不滿，另一邊飛邊過多的情況。坯料在彎曲型腔中擺放位置如圖7b所示。圖9為彎曲過程的數值模擬，直觀地展示了金屬在彎曲型腔中的流動情況，該彎曲型腔有兩個彎角，除了彎曲成形外，還具有拉伸效果。圖9a為第一個彎角的成形，此時坯料一端為自由端，向上彎曲到接觸上模型腔后，第二個彎角開始成形，如圖9b所示。此后坯料兩端均被夾緊，隨著上模下行，坯料逐漸被拉伸，直至圖9c所示彎曲結束。

圖8 輥鍛模擬結果

圖9 彎曲過程

由于該鍛件為多彎角形，終鍛型腔也帶有彎角，容易導致坯料擺放不穩定，因此終鍛坯料的擺放也十分關鍵。彎曲后毛坯在終鍛型腔中位置如圖7c所示。彎曲和終鍛過程中型腔都帶有彎角，具有拉伸作用，因此在設計毛坯時應充分考慮在相應位置適當增大截面。

終鍛成形結果如圖10b所示，與原有工藝（圖10a）相比較，經輥鍛制坯后所得終鍛件飛邊較小，分布較為均勻，材料利用率顯著提高，達到86%。

成形極限載荷如圖11所示，極限載荷為933t，可選用1000t壓力機，而原有工藝極限載荷為1240t，需在1600t壓力機上進行終鍛。經輥鍛制坯后減小了設備噸位，減少了能耗，降低了金屬與模具型腔的接觸應力，減少了對模具的損害。終鍛時，金屬坯料在終鍛型腔中的速度分布如圖12所示，改進前飛邊槽處金屬流動速度明顯大于改進后，改進后降低了金屬在飛邊槽處對型腔的磨損，從而提高了模具壽命。

圖10 終鍛件圖

圖11 成形極限載荷

圖12 終鍛速度分布圖

結束語

以某汽車轉向臂為研究對象，通過對鍛件結構和原有鍛造工藝過程的分析，設計了輥鍛制坯→彎曲→終鍛的鍛造工藝。采用有限元數值模擬軟件對改進后的工藝進行分析，同時對比分析了改進前后飛邊分布、成形載荷、終鍛金屬流動速度分布，結果表明改進后工藝在以下三方面具有優勢：

⑴通過對轉向臂現有工藝的分析，提出了輥鍛制坯的工藝方案，對輥鍛制坯進行工藝設計，得到了符合制坯要求的輥鍛毛坯，通過數值模擬驗證了該方案的可行性。

⑵材料利用率由71%提高到86%，成形設備噸位顯著減小，提高了材料利用率，降低了設備能耗，提高了模具壽命。

⑶為轉向臂輥鍛制坯工藝設計提供了理論依據，也可為其他類似轉向臂類輥鍛件制坯過程提供參考。

李偉，主要研究方向為塑性成形與模具CAD/CAE。