冲头速度对球销座热锻成形工艺研究

罗 若 ， 赵博宁 ， 李国坚

（1.柳州铁道职业技术学院装备制造学院，广西 柳州 545616；2.柳州五菱汽车工业公司，广西 柳州 545007）

转向球销座是焊接在下摆臂总成上，用于安装转向球销的零件，如图1所示。车辆通过下摆臂总成保持转向节和车架的刚性连接，车辆在转向的时候转向球销在球销座上多角度地旋转，使得转向机构得以平顺转向，保证在转向时车轮运动轨迹符合同向性要求，保证行驶和转向的稳定性和可靠性[1]。在车辆行驶过程中，车轮承受的车载重量和地面冲击通过转向节传递到转向球销，球销座承受着通过转向球销传递的垂直反力、纵向反力、侧向反力以及转向球销的运动摩擦，对球销座的抗冲击变形和抗磨能力有很高的要求，对球面精度要求较高[2]。

图1 球销座

1 球销座热锻工艺

1.1 球销座结构

本文所研究的球销座结构如图1所示。在实用热锻模设计与制造中查表热模锻压力机锻件分类得知，球销座属于圆形类零件，球销座头部直径为Φ41.5 mm，最大直径为Φ42.9 mm，整体高度为61 mm，内部中空空间的深度为30 mm，为轴对称零件，整体呈圆柱形状，适用于闭式锻模进行锻造[3]。

1.2 成形方案

球销座材料为调质处理的45号钢，该型号的钢属于优质碳素结构钢，具有一定的耐磨性，屈服强度为355 MPa，强度较高，冷塑性一般，在高温下锻造性较好[4]。常温下，球销座的质量m为1.23 kg，体积V为29 662.557 mm3。根据闭式锻模不产生飞边的特征可知，锻造后质量和体积不变，依据体积不变原则[5]，应控制毛坯高度h为25 mm，毛坯直径d为Φ44 mm。锻造球销座的毛坯为圆柱毛坯，采用两次模锻成形，如图2所示。本文主要研究第一道工序的热锻成形过程。

图2 成形方案

2 热锻过程分析

2.1 有限元模型建立

建立第一道工序锻模的凸模、凹模、毛坯。由于GB45钢与AISI-1045钢材料性能相似，在DEFORM中选用AISI-1045作为球销座闭式锻模毛坯和预锻后工件的材料，并定义锻造过程中发生形变的工件为塑性体，不发生形变的凹模和凸模为刚性体[6]。

热锻成形工艺：将加热后的坯料放置在模具中部，上冲头抵接于坯料端部，上冲头抵接于端部的外径处，锻压机对上冲头施加大小为V左的挤压速率。通过对锻造过程的分析，需要考虑锻件的尺寸以及锻造材质的特性[7]。本文拟定了热锻工艺参数：坯料直径为44 mm，长度为25 mm，拔模斜度为3°，坯料的加热温度为900 ℃~1 200 ℃，模具温度为常温，换热系数为2 400 W/(m2·℃)，冲头进给速率为5 mm/s~30 mm/s。

2.2 冲头速度对锻件成形质量的影响

为了探究冲头速度对锻件成形质量的影响，主要从锻造过程中金属的流速分布、温度分布、应力分布规律来分析[8]。

2.2.1温度分布

图3为不同速度下成形工艺的温度分布云图。从图3的温度场可以看出，在同样的始锻温度下进行锻造时，v=10 mm/s的锻件温度为最低，这说明冲头速度越慢对锻件温度降低的影响越小。坯料中间和飞边边缘具有较高的温度，坯料与上模和下模之间接触部分的温度较低。由于为热冲孔，金属流动主要是向上移动，温度越高，流动越快。从图3可以看到，随着速度的增加，坯料上端的温度越来越高。

图3 锻件的温度分布图

2.2.2流速分布

图4为不同速度下锻件的金属流速分布云图。从图4可以看见，金属的最大流动速度比冲头的设定速度都大，流动方向与预设方向相同，在冲头底部，金属流动速度最大，超过冲头流动的速度，但是此处的等效应力和应变值较小。这说明该部分金属主要发生刚性平移。随着冲头速度的增加，金属流动的速度增大[9]。

2.2.3最大主应力分布

图5为不同速度下锻件的最大主应力分布云图。图6为应变等效分布云图。对比三个图可以看到，v=20 mm/s时的平均主应力最大和应变最大，此时金属成形越好，v=10 mm/s和v=30 mm/s明显填充效果不充分，成形效果不好[10]。

图5 锻件的最大主应力分布图

图6 锻件的应变分布图

3 结论

本文对球销座锻造工艺进行数值模拟，建立了的模拟模型，分析了不同冲头速度下该成形过程中的金属流动情况，坯料变形时的应变场、应力场、温度场、最大主应力、速度场的变化情况。对比结果发现，并非冲头速度越大，成形效果越好。成形工艺方案的应力、应变、温度场分布都更均匀，载荷也更小，有利于延长模具寿命，为球销座的实际生产提供了参考。