基于Deform-3D的汽车摆臂辊锻制坯模拟优化研究

赵翔，李萍

(1.安徽工程大学现代教育技术中心，安徽 芜湖 241000;2.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009)

汽车摆臂通过球形铰链或衬套把车轮与车身进行弹性连接，是汽车悬架系统中非常重要的导向和传力元件。由于结构比较复杂，铝合金汽车摆臂锻件多采用自由锻制坯，存在劳动条件差、生产效率低和废品率高等缺点，很难满足大规模生产的需求。由于辊锻工艺具有生产效率高、省力和劳动环境好等优点，因而不少生产商和研究者将汽车摆臂制坯工艺改进的目光投射到了辊锻工艺上。

1 汽车摆臂的结构特点及工艺分析

如图1所示，汽车摆臂件具有弯曲轴线的非对称工字型截面，腹板较薄，类似最长边被弯曲的三角形[1]，材料为6061铝合金。左端和中部各有一圆柱形凸台，横截面最大部分位于锻件中部凸台处，最小部分位于锻件右柄。三角形的2条短边长分别约为360 mm和335 mm，锻件最大跨度约为560 mm，中间凸台高约为45 mm。该件尺寸较大，属于扁平件，其工艺流程为:下料—中频感应加热—辊锻制坯—弯曲—压平—开式模锻—切边。计算毛坯如图2所示。

图1 汽车摆臂锻件Fig.1 Automobile swing arm forging diagram

图2 计算毛坯Fig.2 Preform configuration drawing

原始棒料的直径按公式(1)确定[2]:

式中:F0=1.1 ×Fmax，Fmax为最大截面积。

原始毛坯长度按公式(2)确定[2]:

式中:V为锻件(含飞边)体积。

考虑到夹钳料头的长度不得小于坯料直径的1/2[3]，结合该锻件的结构特点，夹料头部分可为左凸台段，原始坯料尺寸选定为φ80 mm×276 mm。辊锻道次数按公式(3)确定[3]:

式中:λz为总延伸系数，λz=F0/Fmin，F0为原始毛坯截面积，Fmin为辊锻毛坯中最小横截面积;λp为平均延伸系数。取 λp=1.67，λz=4.65，则 N≈3，即按 3个道次进行辊锻。考虑到各型槽系对坯料的延伸能力以及坯料在型槽中的稳定性，选取椭圆-方-箱型槽系[4]，采用逆向送料、中间咬入的方法进行辊锻制坯[5]。第1道次后，坯料翻转90°进入第2道次，第2道次后，坯料翻转45°进入第3道次。

2 辊锻制坯模拟结果及优化

2.1 模拟试验方案

利用Deform-3D软件，对辊锻制坯过程进行有限元模拟试验[6]。考虑模具预热温度、坯料温度和模具转速等3个因素对模具径向载荷峰值的影响。为减少试验次数，采用正交试验方法[7]，每个因素取3个水平，具体见表1。

表1 试验因素水平Table1 Table of experimental factors and levels

2.2 试验结果及优化[7]

2.2.1 第1 道次

表2数据表明:在将圆形坯料辊锻成椭圆形坯料的过程中，模具温度、坯料温度和模具转速这3个因素对模具径向载荷影响的大小顺序依次为模具温度、模具转速和坯料温度，其中，坯料温度和模具转速的影响显著。从9个正交试验点可得出较为优化的工艺参数组合:模具温度为20℃，坯料温度为480℃，模具转速为0.75 rad/s。即在生产条件允许的情况下，模具在室温状态下，提高坯料的温度，降低模具的转速，有利于降低模具径向载荷，优化后的模具径向载荷如图3a所示。

表2 第1道次模拟正交试验直观分析Table2 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in first pass

2.2.2 第 2 道次

表3数据表明:在将椭圆形坯料辊锻成方形坯料的过程中，模具温度、坯料温度和模具的转速这3个因素对于径向载荷的峰值都无突出的影响，影响的大小顺序依次为坯料温度、模具的转速、模具温度。从9个正交试验点可得出较为优化的工艺参数组合:模具温度为20℃，坯料温度为480℃，模具转速为1.25 rad/s。即在生产条件允许的情况下，模具在室温状态下，提高坯料的温度，合适的模具转速，对降低载荷有利，优化后模具径向载荷如图3b所示。

表3 第2道次模拟正交试验直观分析表Table3 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in second pass

2.2.3 第3 道次

表4数据表明:在将方形坯料辊锻成矩形坯料的过程中，模具温度、坯料温度和模具的转速这3个因素对于载荷的影响顺序依次为模具的转速、模具预热温度和坯料温度，没有特别突出的影响因素。从9个正交试验点可得出较为优化的工艺参数组合:模具温度为100℃，坯料温度为440℃，模具转速为0.75 rad/s。即在生产条件允许的情况下，合适的模具预热温度，降低坯料的温度，降低模具转速，有利于减小辊锻过程中的载荷，优化后模具径向载荷如图3c所示。

表4 第3道次模拟正交试验直观分析表Table4 The roll forging simulation orthogonal test visual analysis in third pass

2.2.4 各道次辊锻力矩分析[6]

辊锻力矩是选用辊锻机的重要依据，根据辊锻力矩可以确定电动机功率。优化后各道次力矩的变化曲线如图4所示，将之与模具径向载荷图对比分析可知，各道次型槽不同，力矩变化曲线也有较大变化，力矩曲线峰谷变化规律与模具径向载荷图相似，坯料中段的两侧是模具径向载荷和力矩变化最剧烈的地方。

图3 优化后各道次的模具径向载荷Fig.3 Rodial load on die in each pass after optimiscation

图4 各道次力矩Fig.4 Torque on die in each pass

3 摆臂辊锻后终锻模拟结果

从汽车摆臂模锻的损伤因子分布和等效应变分布(如图5所示)可以看出，模锻件总体充填饱满，但在三角形长边的中间部分飞边很少。从锻件的整体来看，飞边并不均匀。这说明在模锻成形时，飞边增加了金属外流阻力，迫使金属更好地充填型腔。锻件三角长边的中部是材料流动最难到达的地方，充型困难。

图5 终锻件损伤因子分布和等效应变分布Fig.5 Damage and strain-effective distribution of the finish forging

4 结语

通过对汽车摆臂的辊锻制坯过程进行有限元模拟，以探求降低辊锻过程中成形载荷的途径，对于延长模具使用寿命，降低设备能耗，提高经济效益，以及实际生产具有一定的借鉴意义。

[1]李晓东，李萍，薛克敏.汽车控制臂辊锻制坯开式模锻成形工艺研究[J].金属加工(热加工)，2011(7):44.

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