改进转向臂锻造成形工艺

文/李伟，陈文琳，吴跃·合肥工业大学材料科学与工程学院何庆伟，郑明玉·合肥汽车锻件有限责任公司

改进转向臂锻造成形工艺

文/李伟，陈文琳，吴跃·合肥工业大学材料科学与工程学院何庆伟，郑明玉·合肥汽车锻件有限责任公司

随着能源与材料价格的不断上涨，如何降低能耗、提高材料利用率成为锻造企业最关心的问题之一。转向臂是汽车转向系统中最重要的承力零件之一，市场对其强度与精度要求越来越高。选择合理的锻造工艺不仅可以提高产品质量，还会提高材料利用率、延长模具寿命。本文对原有锻造工艺进行分析，针对存在的问题并结合现有生产条件，对工艺进行改进，提出辊锻制坯→弯曲→终锻工艺流程，并通过有限元分析软件验证了新流程的可行性。

转向臂原有锻造工艺

图1 转向臂锻件图

转向臂锻件如图1所示，锻件质量4.4kg，材料为42CrMo。转向臂整体呈多向弯曲状态，截面变化较为剧烈，锻件两端头部与中部截面较大，两端颈部截面较小。原锻造工艺下料（尺寸φ60mm×280mm）→中频加热→弯曲→终锻（1600t摩擦压力机）已经不能满足市场对产品质量的要求。原工艺的特点是下料后不经过辊挤制坯，而是直接弯曲、终锻，其存在以下问题：

⑴材料利用率较低，仅为71%。

⑵飞边分布不均匀（图2）。

图2 转向臂终锻件图

⑶多余金属积存在飞边槽，终锻时金属流动剧烈，严重增大了模具的磨损，降低了模具寿命，也增大了模锻的终锻力。

⑷在弯曲处，容易造成材料汇流而形成折叠。

⑸需要充分考虑弯曲时引起的拉伸现象、坯料弯曲和终锻定位等问题。

问题分析

该锻件带有弯曲，绘制截面图时应先将锻件沿中性面处展开，如图3所示。

图3 计算毛坯图

毛坯横截面积的计算方式如下：

式中 Ad—锻件横截面积（mm2）；

Af—飞边横截面积（mm2）；

k—飞边槽充满系数（摩擦压力机k取0.4～0.6，辊锻制坯可取较小值，弯曲处为0.6，其余取0.4）。

计算毛坯图如图3所示。根据计算毛坯图最大截面尺寸，可选取φ60mm的原始棒料，原始棒料长度为229.3mm，取整后可得原始坯料规格为φ60mm×230mm。k越大，金属在制坯型腔中变形时作用在金属上的水平分力就越大。

辊锻制坯设计

图4 辊锻毛坯图

对上述问题进行分析可知，飞边分布不均匀，部分区域飞边过大、过厚，主要是没有制坯工序，金属分配不合理造成的。因此，结合现有设备情况，采用辊锻制坯工艺。根据毛坯图，考虑辊锻毛坯在弯曲、终锻模腔中的摆放，弯曲时产生拉伸作用等情况，辊锻毛坯采用圆形且短于计算毛坯长度。根据辊锻毛坯设计原则，得到辊锻毛坯图，如图4所示。

辊锻道次及型槽系

辊锻道次根据最小截面处选取，根据辊锻毛坯图，首先计算出该区段总延伸系数，随后根据公式计算得出，采用两道次辊锻，且第二道次型槽截面为圆形，因此选用椭圆—圆形槽系。根据查表可确定型槽截面尺寸，如图5所示。

图5 型槽截面尺寸

第一道辊锻件设计

根据第二道辊锻件形状与第一道各截面形状，通过相应计算确定第一道次的辊锻件形状，如图6所示。

图6 第一道次辊锻毛坯图

有限元验证

有限元模型的建立

随着有限元技术的发展，数值模拟技术在塑性加工领域应用越来越广泛，有限元软件能准确模拟金属在模具型腔中的流动与受力等。将几何模型导入有限元软件中，采用刚塑性有限元模型，模具作为刚性体，坯料为塑性体。坯料材料为42CrMo，初始加热温度为1180℃，模具材料为H13，初始加热温度为200℃。

两道次辊锻件不同区段应考虑前滑作用，为准确模拟机械手的夹持作用，对坯料夹持端添加垂直于运动方向的速度约束。上下辊中心距为460mm，转速为3.14rad/s。坯料模具间采用剪切摩擦模型，摩擦系数为0.4，建立的有限元模型如图7所示。

模拟结果分析

第一道次辊锻结束后，将坯料旋转90°放入第二道辊锻型腔中。各道次辊锻完成后坯料形状如图8所示。第一道辊锻件设计长度为245mm，模拟结果为242.4mm，误差为1.3%；第二道辊锻件设计长度为285mm，模拟结果为282mm，误差为0.84%，误差较小，模拟结果验证了计算过程的正确性，为辊锻模具的设计提供了有效依据。辊锻毛坯图上没有产生飞边和折叠，所得辊锻件符合弯曲、终锻要求。

图7 有限元模型

在弯曲工序中，坯料的摆放位置至关重要。坯料定位不准确，将会在终锻过程中出现一边充不满，另一边飞边过多的情况。坯料在弯曲型腔中摆放位置如图7b所示。图9为弯曲过程的数值模拟，直观地展示了金属在弯曲型腔中的流动情况，该弯曲型腔有两个弯角，除了弯曲成形外，还具有拉伸效果。图9a为第一个弯角的成形，此时坯料一端为自由端，向上弯曲到接触上模型腔后，第二个弯角开始成形，如图9b所示。此后坯料两端均被夹紧，随着上模下行，坯料逐渐被拉伸，直至图9c所示弯曲结束。

图8 辊锻模拟结果

图9 弯曲过程

由于该锻件为多弯角形，终锻型腔也带有弯角，容易导致坯料摆放不稳定，因此终锻坯料的摆放也十分关键。弯曲后毛坯在终锻型腔中位置如图7c所示。弯曲和终锻过程中型腔都带有弯角，具有拉伸作用，因此在设计毛坯时应充分考虑在相应位置适当增大截面。

终锻成形结果如图10b所示，与原有工艺（图10a）相比较，经辊锻制坯后所得终锻件飞边较小，分布较为均匀，材料利用率显著提高，达到86%。

成形极限载荷如图11所示，极限载荷为933t，可选用1000t压力机，而原有工艺极限载荷为1240t，需在1600t压力机上进行终锻。经辊锻制坯后减小了设备吨位，减少了能耗，降低了金属与模具型腔的接触应力，减少了对模具的损害。终锻时，金属坯料在终锻型腔中的速度分布如图12所示，改进前飞边槽处金属流动速度明显大于改进后，改进后降低了金属在飞边槽处对型腔的磨损，从而提高了模具寿命。

图10 终锻件图

图11 成形极限载荷

图12 终锻速度分布图

结束语

以某汽车转向臂为研究对象，通过对锻件结构和原有锻造工艺过程的分析，设计了辊锻制坯→弯曲→终锻的锻造工艺。采用有限元数值模拟软件对改进后的工艺进行分析，同时对比分析了改进前后飞边分布、成形载荷、终锻金属流动速度分布，结果表明改进后工艺在以下三方面具有优势：

⑴通过对转向臂现有工艺的分析，提出了辊锻制坯的工艺方案，对辊锻制坯进行工艺设计，得到了符合制坯要求的辊锻毛坯，通过数值模拟验证了该方案的可行性。

⑵材料利用率由71%提高到86%，成形设备吨位显著减小，提高了材料利用率，降低了设备能耗，提高了模具寿命。

⑶为转向臂辊锻制坯工艺设计提供了理论依据，也可为其他类似转向臂类辊锻件制坯过程提供参考。

李伟，主要研究方向为塑性成形与模具CAD/CAE。