基于數值模擬和正交試驗的卡車前軸輥鍛工藝優化

余世浩，尚 帥

（1.武漢理工大學 華夏學院，湖北 武漢 430223；2.武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

基于數值模擬和正交試驗的卡車前軸輥鍛工藝優化

余世浩1，2，尚 帥2

（1.武漢理工大學 華夏學院，湖北 武漢 430223；2.武漢理工大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430070）

卡車前軸形狀復雜，截面起伏大，僅用鍛造成形難度很高，一般采用制坯輥鍛+成形模鍛工藝生產。以某卡車前軸為例，確定了輥鍛道次，完成了輥鍛型槽設計，并以第三道次輥鍛成形為例，基于Deform－3D成形模擬，采用正交試驗方法，將咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和坯料初始溫度T為初始模擬參數，在3種不同水平下對前軸輥鍛成形過程進行模擬，揭示了前軸輥鍛成形載荷和坯料展寬的變化規律，進而優化了前軸輥鍛成形工藝與輥鍛模具設計，為后續成形模鍛提供了最佳毛坯。

輥鍛成形；工藝優化；正交試驗；數值模擬；卡車前軸

前軸是卡車上承受載荷的部件，在使用時要求有較高的強度和剛度。因其形狀復雜、截面起伏大，難以直接利用鍛造成形，一般采用制坯輥鍛+成形模鍛工藝生產[1－4]。輥鍛成形工藝及模具型槽設計不單對成形載荷、模具壽命和鍛件質量，而且對后續成形模鍛工序的模鍛力、鍛模壽命以及工件形狀都有重要影響。下面以某卡車前軸（以下簡稱“前軸”）為例，在確定輥鍛道次和完成輥鍛型槽設計的基礎上，把第三道成形過程作為研究對象，利用Deform－3D進行成形模擬，采取正交試驗方法，以輥鍛時的咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和金屬坯料的初始溫度T等4個因素為初始模擬參數，通過3種不同水平下的成形過程模擬結果，揭示前軸輥鍛成形載荷及坯料展寬的變化規律，對前軸輥鍛成形工藝進行優化[5]。

1 前軸輥鍛工藝分析

某前軸鍛件如圖1所示。為達到以最小的質量滿足垂直方向的強度和剛度要求，將前軸的截面設計為“工”字形；為達到增強抗扭能力的目的，將前軸的兩端部位設計成“拳形”。

圖1 某卡車前軸鍛件圖

由于中部工字梁難以成形，安裝彈簧部位難以展寬，因此采用三道次輥鍛成形[6－7]，第一道次為分料階段，主要解決坯料的金屬體積分配，使主要成形部位的材料分開；第二道次為預成形，進一步分配金屬，使坯料各部位接近第三道次形狀；第三道次為終成形，使前軸各部位獲得基本形狀和足夠的寬展量，為最終成形模鍛提供最佳鍛造毛坯。3個道次的輥鍛件如圖2所示。

圖2 三道次輥鍛件圖

2 輥鍛成形正交試驗設計

2.1 影響因素分析

由圖3所示的輥鍛成形示意圖可知，影響輥鍛成形過程的因素很多，這里選取輥鍛時的咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和金屬坯料的初始溫度T等4個主要因素進行分析。

2.1.1 咬入角α

當坯料與輥輪接觸時，重合部分的弧線稱為咬入弧，對應的圓心角為咬入角。在輥鍛過程中，輥輪對坯料的徑向壓力為P，切向摩擦力為F，二者互相垂直。將P、F分解為Px、Fx和Py、Fy。其中，Py、Fy對坯料施加壓力，使其產生變形；Px、Fx對坯料實現順利咬入有決定性的影響：當Px＜Fx時，坯料向輥縫中心運動，實現咬入；當Px＞Fx時，坯料被推出輥縫，不能實現咬入。因為Fx=F·cosα、Px=P·sinα所以工件能否順利咬入與咬入角的大小直接相關，而工件的順利咬入是實現輥鍛的必要條件。

圖3 輥鍛成形示意圖

2.1.2 輥鍛角速度ω

輥鍛成形時，坯料的徑向金屬被壓縮，發生橫向流動，使坯料展寬增加；另一部分產生縱向流動，使工件延伸，其以中性面為界向前、后方向流動。當坯料進入輥輪時，其速度小于輥輪圓周線速度（與ω和R有關）的水平分量，形成后滑；當坯料輥出時，其速度超前于該處圓周線速度的水平分量，形成前滑。角速度不同，對前滑值和展寬有較大的影響，進而引起成形載荷的改變。

2.1.3 摩擦因子μ

輥鍛摩擦不同于一般機械摩擦，當摩擦因子過小時，坯料在輥鍛模中會出現打滑現象，不能產生連續的塑性變形，影響最終的成形質量。此外，輥鍛成形是在高溫、高壓下進行的，摩擦因子也會發生變化，從而影響成形載荷，所以摩擦對輥鍛成形的影響至關重要。

2.1.4 坯料初始溫度T

溫度的變化會引起金屬力學性能的改變，工件內部不均勻的變形使溫度分布呈現不均勻的狀態，工件與外界環境的熱交換、摩擦熱量等又進一步改變了工件的溫度。由于以上因素的存在，輥鍛成形時工件溫度會發生很大的變化，從而影響成形載荷和成形質量。

2.2 正交試驗方案確定

根據以上論述，分別取咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和金屬坯料的初始溫度T4個因素，在3種水平下進行試驗，取值如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表

確定的正交表為L9（34），獲得9組不同變量組合，如表2所示。

3 輥鍛成形數值模擬

圖4所示為前軸第三道次輥鍛成形有限元模型。利用Deform-3D將這9組變量組合依次設為初始參數，進行模擬分析，得到在不同因素水平下成形載荷和展寬變化規律，并將所得結果填入表2。

圖4 前軸輥鍛成形數值模擬模型

4 試驗結果及分析

4.1 試驗結果

4.2 試驗分析

為了更加直觀和形象地展示各因素對成形載荷和展寬的影響，根據表2繪制圖5、6所示的曲線。

由圖5可知，在選取的水平上：①咬入角與成形載荷不存在單調增減規律；②角速度增加，成形載荷也隨之變大；③成形載荷隨著摩擦系數的增大而增大；④隨著溫度的增加，成形載荷減小。

表2 正交試驗直觀分析表

圖5 各因素對最大成形載荷的影響

由圖6可知，在選取的水平上：①展寬量隨著咬入角的增大而增加；②角速度與展寬量成反比；③增大摩擦系數，寬展量增大；④溫度升高，寬展量增大。

4.3 最優方案

在試驗中，對于最大成形載荷和最大展寬兩個指標，其單個指標的最優工藝條件是不一致的，如表3所示。因此在制定最優工藝條件時，需要全面考慮各個因素對指標的影響，確定主次順序。

圖6 各因素對最大展寬的影響

由表3可以看出，因素D在取3水平時對兩指標的影響是一致的，所以最優工藝條件中取D3，同理，因素B在最優工藝條件中取B1。而對于因素A、C，由于其因素水平對兩指標的影響不一致，需要逐個考察，利用綜合平衡法來確定。對于因素A：由表2可知，對于最大成形載荷，A取A2比取A3時要小35.5%（有利）；對于最大展寬，A取A3時比取A2要大6.9%（有利）。因此，可確定因素A的選取水平為A2。同理，因素C所選取的水平為C1。最終確定的最優工藝方案為A2B1C1D3。

表3 單個指標的優方案

5 試驗驗證及結論

5.1 試驗驗證

將最優工藝方案確定的工藝參數輸入Deform-3D模擬軟件，進行數值模擬試驗，把得到的試驗數據與表2中的成形載荷最小值對應的試驗方案和展寬最大值對應的試驗方案進行對比，如表4所示。

表4 試驗結果對比

將采用最優工藝方案（A2B1C1D3）、方案 4（A1B1C1D1）、方案7（A3B1C3D2）的成形載荷繪制成圖7。綜合表4、圖7可知，采用最優工藝方案試驗得到的成形載荷最小，寬展較大，符合前軸生產中降低成形力、獲得展寬量的需要。

圖7 三種試驗方案載荷對比圖

5.2 結論

基于數值模擬和正交試驗，在不同因素水平下確定了前軸成形的最優工藝方案，并通過對比試驗得到如下結論：

（1）對于前軸輥鍛成形載荷，各因素影響程度為：金屬坯料的初始溫度>摩擦因子>輥鍛角速度>咬入角。

（2）對于前軸輥鍛成形展寬，各因素影響程度為：摩擦因子>金屬坯料的初始溫度>咬入角>輥鍛角速度。

（3）運用綜合平衡法對正交試驗得到的數據進行分析，確定前軸輥鍛成形最優工藝方案為A2B1C1D3，經試驗驗證成形載荷最小，獲得的展寬滿足設計需要，符合后續成形模鍛工藝要求。

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Optimization of roll forging process for truck front-axle based on numerical simulation and orthogonal experimental method

YU Shihao1,2，SHANG Shuai2
（1.Huaxia College,Wuhan University of Technology,Wuhan 430223,Hubei China; 2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of technology,Wuhan 430223,Hubei China）

The front-axle of truck has complicated shapes and variable cross section,which is difficult to be manufactured in just traditional forging process,but in combination of roll forging and die forging process.Taking the front axle of some truck as an example,the roll forging stands have been confirmed and the roll forging slot has been designed.Taking the third stand for instance,four influential factors including the bite angle of forging rollα, friction coefficient μ angular velocityωand the initial temperature of blankT have been adopted as the initial simulated parameters.The roll forging process of front axle for automobile has been simulated under three different levels by use of Deform-3D simulation and orthogonal experimental method.The changing laws of roll forging loads and blank width have been revealed in order to optimize the roll forging process and design of roll forging tool for front axle,which provides optimum blank for further die forging process.

Front-axle of truck;Roll forging;Optimization of process;Orthogonal test;Numerical simulation

TG316.3

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.028

1672－0121（2016）04－0093－04

2016－03－07；

2016－04－26

國家自然科學基金資助項目（51205298）

余世浩（1956－），男，教授，從事材料成形工藝、設備、控制及計算機應用技術研究。E－mail：yushihao＠whut.edu.cn