卡車轉向節臥式鍛造一火成形新工藝

0交通道路、汽車轉向節和汽車半軸套管成形工藝的模擬優化應用及結果圖1顯示了公交車的轉向關節。由于結構的特殊性，只能通過傾斜法形成。傳統的鍛造成形工藝是錘上模鍛,一般需要2次以上的加熱,自由鍛制坯,錘上或摩擦壓力機成形。在加熱時只能用火焰加熱或電爐加熱,而不能采用中頻加熱,不符合節能減排的要求,且鍛件質量較差。為適應市場發展,實現中頻加熱,必須一火成形鍛件,改進成形工藝是市場的迫切要求。近年來,三維有限元軟件發展迅速,在實際生產過程中應用也越來越多,起到了良好的效果。參考文獻采用數值模擬軟件分別對汽車轉向節和汽車半軸套管成形過程進行模擬優化,改進了模鍛工藝,達到了預期效果,并應用于實際生產中。針對卡車轉向節的形狀特點,提出一火成形的工藝,建立有限元模型優化工藝中各個工序的尺寸和形狀,減少了試驗成本和修模的次數,取得了較好的效果,對指導實際生產具有現實的意義。1生成轉向節的工藝特點卡車轉向節形狀基本相同,大小不一樣,屬于系列產品。本文以JAC輕卡汽車轉向節為例,鍛件圖如圖2所示。材料為40Cr,鍛件質量約8.8kg。鍛件長261.5mm,桿部細而長,小端直徑33mm,長150mm。頭部形成叉形,叉口部分寬194mm,叉口不對稱,且與桿部中心線偏離,在其中一個叉的中間有凸臺,這決定此類轉向節只能采用臥式鍛造。法蘭部分型腔深而窄(深119mm,寬度僅有16mm)。鍛件成形的關鍵在于如何保證金屬料的合理分配及型腔的充滿。用圓棒料直接鍛造成形是很困難的,需從鍛模設計上充分考慮原材料的預分配、預鍛型腔和終鍛型腔的金屬流動。在工藝上要考慮毛坯的形狀尺寸、坯料在型腔的放置位置、鍛造操作時打擊力的輕重等。根據所合作公司的條件,改進工藝,在摩擦壓力機上實現一火成形,現采用的鍛造工藝為:下料→中頻加熱→制坯→預鍛→終鍛。2狀與尺寸、制坯在本文擬定的鍛造成形工藝中,制坯與預鍛的形狀與尺寸是關鍵,制坯是在自由鍛上進行的,操作比較方便。本文只介紹下料尺寸和通過模擬得出的形狀、尺寸,重點介紹預、終鍛成形過程。2.1速度場的描述材料在一定條件下變形的應力應變曲線是應變速率的函數,符合粘性變形性質。在碳鋼的熱態體積成形過程中,彈性變形量相對于總變形量來說非常小,一般情況下可以忽略不計。因此,本文將材料視為剛粘塑性材料進行研究。剛粘塑性有限元法是用來研究忽略彈性變形的粘塑性變形過程的一種數值計算方法,其基礎理論是等效積分形式的虛功原理和Markov變分原理。虛功原理方程為:∫v=δg?ijσij∫v=δ?gijσijdV+∫vδuipidV+∫StδuiqidS=0(1)式中:∫v-δg?ijσij∫v?δ?gijσijdV——變形體內應力在虛應變上所作的功,即內力功∫vδuipidV——體積力所作的功∫stδuiqidS——面積力所作的功g?ij、δg?ij——應變速率場、應變速率增量場σij——應力場V、dV——物體、微單元體積ui、δui——附加虛位移、附加虛位移增量S、St——物體表面積、物體邊界表面積pi——微單元體上外力qi——邊界St上給定的表面力Markov變分原理表述為在所有滿足動可容條件和速度容許條件的速度場中,真實的速度場使下列泛函取極小值。Π=∫vˉσgˉ?dV-∫SppvdS+∫SvτfVvdS(2)引入材料的不可壓縮條件后,該泛函的一階變分為:δΠ=∫vˉσδgˉ?dV+K∫Vg?Vgδ?VdV-∫SPpδvdS+∫SvτfδVvdS(3)式中:p——邊界Sp上給定外力τf——工件與模具邊界上的摩擦力v、Vv——模具速度、工件與模具邊界上的相對滑動速度ˉσ——等效應力ˉ?、gˉ?——等效應變、等效應變速率K——罰因子,通常取105～1072.2“溫度場”的影響材料變形過程中的溫度變化會引起材料力學性能的改變,材料力學性能的改變又會影響到材料變形過程的分析。同樣,材料的變形過程在很大程度上影響了材料的溫度分布。在變形過程分析中,溫度場通過改變材料的本構關系以及熱應變來實現和傳熱過程的耦合。從能量的角度來看,材料成形過程的熱力耦合問題其實是能量的耦合問題,其中變形體內能的變化率gE可表示為:gE=σijg?ij+qi,i+ωi(4)式中:σij——材料變形應力張量g?ij——材料變形應變速率張量qi,i——變形體與外界熱交換的熱流密度ωi——變形體內熱源的熱流密度2.3坯料尺寸確定毛坯尺寸的計算:鍛件體積Vd=1125477mm3,飛邊體積按飛邊槽容積的70%計算,取氧化燒損率δ為0.75%,取坯料高徑比m=2,則坯料直徑為94.5mm,按標準規格選擇坯料直徑dp=100mm。下料長度為173mm,考慮到下料誤差,取Lp=177mm,則坯料尺寸為:100mm×177mm。根據體積相等的原則,制坯工序的形狀與需要控制的尺寸如圖3所示,圖4為模擬成形的最終制坯形狀。2.4預鍛模擬參數利用三維造型軟件對預鍛和終鍛的模具進行三維造型,以STL文件格式導入有限元分析軟件中,進行網格劃分。通過定義材料參數、模具與毛坯的接觸關系、摩擦系數、模擬參數等,建立模擬所用的數據文件。在預鍛模擬時,以制坯工序的最后一步作為預鍛工序的初始毛坯,預鍛的最后一步作為終鍛工序的初始毛坯,這樣更加真實地反映出成形過程中的溫度變化及變形材料性能產生的變化。本次模擬的鍛件材料為AISI5140,制坯的初始溫度為1100℃,摩擦壓力機的下行速度為400mm/s,材料的流動應力參數如圖5所示,鍛件與模具之間定義為剪切摩擦,摩擦系數為0.3。圖6為預鍛模具與制坯坯料的初始關系。3結果與分析3.1預應力施加量的模擬及模擬結果預鍛在轉向節成形中是一個關鍵的工序,在該工序中,鍛件材料在模腔中的分配關系被確定,該工步設計的優劣影響后續鍛造工步的成敗。在本次模擬中,主要考察了鍛件形狀變化、充滿情況、應變分布和成形載荷。圖7顯示了材料在預鍛型腔中的流動狀況,預鍛的主要作用是利用預鍛型腔的劈料臺成形出鍛件頭部上的叉形和對中間法蘭的聚料,合理分配金屬、減少終鍛的金屬流動壓力。從模擬的金屬材料流動情況看,已經基本形成了這樣的形狀。應該指出的是,在預鍛工步中,中間法蘭部位是成形的難點,本鍛件的頭部叉形不對稱也給預鍛劈料臺的設計帶來困難,經過多次模擬,改變了傳統的對稱設計劈料臺的方法,提出不對稱的劈料臺設計及偏移的合理距離。圖8顯示了預鍛后鍛件內的等效應變分布情況,隨著模具的不斷打靠,飛邊部分處金屬流動劇烈。劈料臺是起分料的作用,所以材料在此部分流動也比較劇烈。模具型腔的角部變形也很大,其他部分材料的等效應變較小。圖9列出了預鍛力的變化,預鍛力隨形成的分布與參考文獻中給出的模鍛成形力的分布非常相似,具有明顯的3個階段。為了提高模具的壽命,在預鍛時,有少量的飛邊可以提高終鍛時的橫向阻力,而過大的飛邊,會使終鍛時多余的金屬無法向橫向流出,或增加終鍛成形力,降低模具壽命。3.2材料流動情況對比終鍛是轉向節鍛造工藝的最后一個工步,鍛件在該工步中完成最終成形,預鍛工步沒有充滿的材料在這里也要得到補充。從圖10中可以看到預鍛后的材料在終鍛型腔中的流動情況。圖11顯示了鍛件在上、下模中的充滿情況,從圖中可以看到,上、下模都已經充滿,達到了工藝要求。鍛件的等效應變分布在圖12中列出,在飛邊槽的倉部附近出現較大應變,而在預鍛時形成的飛邊只是產生了偏移而未變形,這與圖13的真實照片吻合。圖14為切邊拋丸后的鍛件圖。4實驗結果與模擬計算結果對比(1)只能臥式鍛造的汽車轉向節,實現一火成形是必然的發展趨勢,本文提出的工藝方案經實驗證明是可行的。(2)建立的數值