EQ153汽车转向节多向模锻模具磨损的数值模拟

周志明，胡洋，宋小放，唐丽文，张宝亮

(1.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆 400054; 2.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054; 3.四川宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003)

EQ153汽车转向节多向模锻模具磨损的数值模拟

周志明1，2，胡洋2，3，宋小放2，唐丽文2，张宝亮2

(1.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆 400054; 2.重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054; 3.四川宜宾职业技术学院，四川宜宾 644003)

采用DEFORM－3D软件建立了有限元模型，根据锻件成形过程中模具应力、应变及其载荷分布情况数值模拟了EQ153汽车转向节多向模锻的模具寿命。结果表明:采用多向模锻成形EQ153汽车转向节可以显著降低成形过程模具应力、应变及其设备成形载荷，从而显著提高模具工作寿命。

EQ153汽车转向节;多向模锻;模具磨损;模具应力

近年来，随着汽车工业的飞速发展与国际竞争的加剧，汽车零部件中对高精度、形状复杂锻件的需求量越来越大，传统的加工工艺已经不能满足汽车零件产品的需求。在这种情况下，锻造新工艺、省材节能工艺的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要。因此，以近净成形(near－netshape，生产尽量接近最终形状的产品)和净成形(net－shape，完全提供成品零件)为目标已成为塑性加工技术变革的必然趋势和发展方向［1－2］。汽车转向节是汽车前桥总成上的零件，是汽车上十分重要的安全件。它既支撑车体质量，又传递转向力矩并承受前轮刹车制动力矩，因此对其机械性能和形状结构要求非常严格，制造难度大。如何采用高效、节能的方法生产出优质的转向节零件成为生产中亟需解决的问题［3－5］。多向模锻因具有多个分模面，可以锻出形状更为复杂、尺寸更加精确的锻件，从而显著提高材料的利用率，减少机加工工时，降低成本。此外，零件在封闭模腔内成形，处于三向压应力状态，可使金属塑性大为提高，因此该技术在航空、汽车等工业部门中得到广泛的应用［6－7］。然而由于多向模锻挤压锻造过程的温度高，锻造成形的时间长，导致模具寿命不高，影响了多向模锻技术的进一步发展。本文通过建立有限元模型对EQ153汽车转向节多向模锻成形进行了数值模拟，研究了EQ153汽车转向节多向模锻的模具寿命，为汽车转向节的多向模锻生产提供有力的参考和指导。

1 EQ153汽车转向节多向模锻成形模具结构

图1为EQ153汽车转向节多向模锻成形模具结构示意图。将上模设计为活动的弹性结构，通过弹簧使得上模4与上模凸模镶块具有相对独立的运动，从而实现在上模4与下模闭合形成封闭的型腔，之后上液压缸继续下行压缩弹簧，从而带动上模凸模镶块下行镦挤坯料，实现劈料工序，直到镦挤出合理的盘部高度。左右侧凸模对称分布且都是镶块结构，上模停止运动后，沿水平方向对称分布的左右侧凸模在侧向液压缸的作用下逐步压入，实现多向模锻终锻成形。

图1 EQ153汽车转向节多向模锻终锻成形模具结构

2 模具磨损分析

由于多向模锻精密成形相对成形时间长，模具磨损比普通的锤上模锻严重，故模具的寿命受到限制。本文模具钢选用H26，根据图1所示模具结构建立Deform－3D有限元模拟模型，多向模锻终锻成形模具磨损数值模拟的结果如图2所示。可以看到:由于该成形模具中上模4的作用是与下模形成封闭型腔，在终锻成形时，虽然由于最后成形部位坯料与圆弧段存在较大的摩擦作用而导致该部位出现模具磨损，但由于该部位模具磨损量较低，为10－4mm，因此上模4对模具磨损影响不大。下模5工作时，对该部位的尺寸要求不高，因此该部位的模具磨损对模具寿命影响不大。模具的其他成型部分模具磨损量较上模4及下模5大，且根据零件的工作条件可知:位于上模镶块及其左右侧凸模部位的尺寸要求较高，因而模具磨损对产品质量要求较高。从图2中模具的磨损量可知:在磨损是主要影响模具寿命因素的状况下，上模镶块及其左右侧凸模模具至少能生产近千件产品。根据图1模具结构所示，将侧模易磨损部位设计为镶块结构便于更换，有利于提高企业效益，降低材料浪费以及模具更换难度等。

图3为多向模锻终锻成形过程中成形EQ153汽车转向节的设备加载曲线。通过对比图示成形EQ153汽车转向节多向模锻终锻成形载荷曲线及其最大成形力与传统锻造成形工艺可知:采用多向模锻成形显著降低了设备成形压力，从而使得通过模具作用于锻件上的成形压力也降低，有利于降低终锻成形坯料内部残留应力，提升锻件质量。

图2 EQ153汽车转向节多向模锻终锻成形模具磨损

图3 EQ153汽车转向节多向模锻终锻成形载荷曲线分布

对比图4中模具应力分布图可以发现:由于多向模锻成形有效降低了设备成形压力，从而使得在锻造过程作用于模具上的应力也显著降低，模具最大应力作用于上模镶块及其左右侧凸模镶块1、镶块2上。通过将应力较高部位设计为镶块结构有利于避免以上部位由于疲劳失效而更换模具。从侧模镶块上可以得出:在终锻成形过程中模具最大应力部位作用于镶块凸模上所标记的A、B边缘部位，上述部位由于成形过程中受到较大的应力作用导致该部位容易发生疲劳失效，这一缺陷可以通过机械加工解决。由于退刀槽具有避免应力集中的作用，因而在上图所标记部位设置退刀槽，避免该部位出现应力集中导致疲劳破坏。从应力分布图发现一个现象，模具磨损较严重的镶块部位其模具应力反而较低。从图4中模具应力数据中可以得出:其应力值远低于H－26钢的屈服极限，从而使得模具疲劳寿命得以提高，而模具磨损成为影响模具寿命的最主要因素。

图4 EQ153多向模锻模具应力分布

3 结束语

通过EQ153汽车转向节锻造成形模具的应力应变分析可知:本文的多向模锻成形模具结构设计将磨损量对产品质量影响不大的部位集成起来，设置于上模或下模上，将磨损对产品质量影响较大部位设置为镶块结构，减少了模具材料浪费，方便了模具的拆卸更换，而且镶块部位的模具磨损量也较小，因此镶块部位模具正常工作寿命大大提高。根据本文模具应力分析可知:通过多向模锻工艺，将锻件成形部位根据分模面合理分配到各成形部位，显著降低了锻件成形压力，大大降低了作用于模具上的应力，故模具的疲劳寿命得以提高。因此可得:采用本文设计的多向模锻模具生产EQ153汽车转向节可以克服多向模锻成形模具寿命较低的缺陷。

［1］朱小兵.轻卡汽车转向节锻造成形工艺的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2009.

［2］周志明，唐丽文，胡洋，等.汽车转向节多向模锻精密锻造成形模具［P］.中国:实用新型专利CN 202752523 U，2013，.02.27.

［3］程联军，赵国群，管延锦，等.有限元模拟在汽车转向节锻造设计中的应用［J］.锻压装备与制造技术，2008 (6):64－66.

［4］赵德颖，孙惠学，张春义.轿车转向节闭塞挤压成形新工艺研究［J］.锻压技术，2006，30(2):74－77.

［5］周康渠，李晓.面向成本设计技术在汽车转向机设计中的应用［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2013，27(4):13－17.

［6］毛厚军.汽车转向节的少飞边锻造技术［J］.锻压技术，1998，22(5):17－19.

［7］董之社.轿车转向节锻件半封闭挤压工艺［J］.锻压技术，2000，24(6):9－10.

(责任编辑 刘舸)

Numerical Simulation of ToolWear for Multi-Directional Forging of EQ153 Steering Knuckle

ZHOU Zhi－ming1，2，HU Yang2，3，SONG Xiao－fang2，TANG Li－wen2，ZHANG Bao－liang2
(1.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts，Ministry of Education，Chongqing 400054，China;2.School of Material Science and Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China; 3.Yibin Vocational and Technical College，Yibin 644003，China)

The finite elementmodel of EQ153 steering knucklewas established in this paper.To study the tool life the tool tress and tool wear during forming process was simulated by Deform－3D software.The result showed that the tool stress and tool wear could be reduced obviously by using the multi－directional forging process and the fatigue ofmulti－directional forging die could be improved significantly.

EQ153 steering knuckle;multi－directional precision forging;tool wear;tool stress

U463

A

1674－8425(2014)09－0015－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.09.004

2014－03－15

汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室基金资助项目(KLMT201112和KLMT201107)

周志明(1976—)，男，湖南双峰人，博士，副教授，主要从事材料精密成形研究。

周志明，胡洋，宋小放，等.EQ153汽车转向节多向模锻模具磨损的数值模拟［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(9):15－18.

format:ZHOU Zhi－ming，HU Yang，SONG Xiao－fang，et al.Numerical Simulation of Tool Wear for Multi－Directional Forging of EQ153 Steering Knuckle［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(9):15－18.