拖鉤輥鍛制坯工藝模擬

喻建軍，陳文琳，沙奔，張袁，李之文

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009;2.合肥汽車鍛件有限責(zé)任公司，合肥 230031)

汽車拖鉤是汽車發(fā)生故障后，用以借助外力拖動汽車的重要安全部件。在使用過程中，為防止其發(fā)生斷裂或磨損，對拖鉤的強度、硬度及沖擊韌性都有一定要求[1]。

汽車拖鉤屬于長軸類的彎曲件，原生產(chǎn)工藝采用滾擠制坯－預(yù)鍛－終鍛的模鍛成形或熔模鑄造成形[2－3]。由于拖鉤件截面變化劇烈，因而要求在制坯過程中有較大的伸長率，而滾擠制坯過程中毛坯延伸較少，采用熔模鑄造成形，零件表面質(zhì)量較好，但零件強度、韌性等機械性能均較低，長期使用容易出現(xiàn)問題。為提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品使用性能，文中采用輥鍛制坯－彎曲－模鍛成形的生產(chǎn)工藝，并對輥鍛制坯過程進行理論分析及有限元模擬。

1 輥鍛制坯工藝

1.1 輥鍛毛坯圖

拖鉤鍛件的平面圖及三維示意圖如圖1所示。輥鍛制坯為模鍛提供合理的毛坯，其設(shè)計的首要任務(wù)是輥鍛毛坯圖的制定。模鍛前合理的毛坯形狀應(yīng)接近計算毛坯的形狀。由此，輥鍛毛坯圖的制定應(yīng)依據(jù)計算毛坯的形狀和尺寸。

計算毛坯的橫截面積可按下式計算[4]:

式中:Fa——鍛件橫截面積;

圖1 拖鉤鍛件Fig.1 Forging drawing of hook

Ff——飛邊橫截面積;

K——飛邊槽充滿系數(shù)，在摩擦壓力機上模鍛時K取0.4～0.6，由于輥鍛時所得到的毛坯尺寸比較穩(wěn)定，K值可以取得略低些。

繪制拖鉤截面圖時，首先根據(jù)鍛件圖將拖鉤彎曲部分沿中性層展開，截取若干特征截面，計算得截面和計算毛坯，如圖2所示。依據(jù)計算的毛坯最大截面尺寸，可選取原始毛坯直徑為φ47.3 mm，由此按照標準鋼材型號選擇φ48 mm圓鋼坯，并由式(2)計算原始毛坯長度:

圖2 拖鉤截面圖及計算毛坯Fig.2 Section map and blank map of hook

式中:V0——原始毛坯體積，由鍛件截面圖計算得到;

Ky——燒損系數(shù)，中頻加熱取 0.5% ～0.8%。

由截面圖和計算毛坯圖得到輥鍛毛坯圖時，應(yīng)根據(jù)截面積大小的不同，在鍛件長度方向劃分出幾個變形區(qū)，并將截面圖中的曲線用相應(yīng)的直線代替。同時，由于拖鉤大頭部原始棒料和計算毛坯圖相差不大，在輥鍛制坯過程中并不成形，而作為機械手夾持的料頭部分，小頭部截面積是漸變的，且尺寸較小，若輥鍛制坯完全成形，在增加輥鍛道次的同時還會因為變形量過大而導(dǎo)致坯料在輥鍛過程中失穩(wěn)，因此可取平均尺寸作為輥鍛毛坯尺寸。根據(jù)以上原則，所得輥鍛毛坯如圖3所示。

圖3 輥鍛毛坯Fig.3 Blank drawing of roll forging

1.2 輥鍛道次的確定及型槽系的選擇

根據(jù)圖3得到輥鍛毛坯的最大截面面積:Fmax=1749.6 mm2，最小截面面積:Fmin=530.9 mm2;計算得輥鍛制坯過程中的總延伸系數(shù):

輥鍛道次Z可由式(4)確定:

式中:λp為平均延伸系數(shù)，通常取 1.4 ～1.6，計算可得拖鉤的輥鍛制坯道次為2。

輥鍛過程中，型槽系的選擇受諸多因素的影響，考慮輥鍛后模鍛成形對毛坯截面形狀的要求，針對拖鉤件，選擇橢圓-圓型槽系，并利用相應(yīng)矩形法計算中間毛坯截面尺寸，即確定第1道輥鍛后各特征截面對應(yīng)尺寸，所得各部分尺寸如圖4所示。

圖4 輥鍛型槽系及對應(yīng)截面尺寸Fig.4 System of groove of roll forging and corresponding crosssection size

2 輥鍛制坯有限元模擬

2.1 有限元模型的建立

建立幾何模型前，首先根據(jù)輥鍛毛坯，經(jīng)分模、中心角的計算，并考慮毛坯在輥鍛過程中伴隨的前后滑現(xiàn)象，依據(jù)經(jīng)驗確定前滑值，進而確定各特征區(qū)段在弧形輥鍛模上對應(yīng)的尺寸。然后在三維造型軟件中，建立三維實體模型，將其導(dǎo)入有限元模擬軟件。模擬過程中，工件采用剛塑性材料模型(40Cr，對應(yīng)牌號為AISI-5140)，模具采用剛性體，為了模擬實際機械手的夾持作用，對工件端部進行上下位移約束，工件初始單元為29944個，初始溫度為1180℃，上下輥中心距為400 mm，鍛輥的角速度為2.1 rad/s，工件與輥鍛模的摩擦采用剪切摩擦模型，輥鍛模采用水基石墨潤滑劑潤滑，摩擦系數(shù)為0.3，得到輥鍛制坯有限元模型如圖5所示。

圖5 輥鍛制坯有限元模型Fig.5 Finite element model of roll forging process

2.2 模擬結(jié)果與討論

輥鍛制坯過程模擬工步如圖6所示，可以看出，經(jīng)過兩道次輥鍛過程，工件的徑向尺寸變化較大，特別是端部，達到較大的伸長率，且最終得到的拖鉤坯料無飛邊、無毛刺，完全符合制坯工藝的要求，說明輥鍛制坯在拖鉤制坯工藝中的可行性。輥鍛時，工件在模具型腔中逐漸變形，整個變形過程是由各局部變形完成的，因此輥鍛工藝較一般模鍛工藝所需的力小得多。輥鍛力矩是選擇輥鍛設(shè)備的重要依據(jù)，在模擬過程中，可以通過各節(jié)點在變形過程中的節(jié)點力，計算得出輥鍛力矩，從而得到輥鍛力矩的變形規(guī)律，作為工藝設(shè)計和設(shè)備選擇的依據(jù)。制坯兩道次的輥鍛力矩如圖7所示，波峰的出現(xiàn)對應(yīng)模具型腔截面變化的階段，這與理論計算是符合的。

圖6 輥鍛制坯變形過程Fig.6 Blank deformation process of roll forging

圖7 輥鍛力矩變化Fig.7 Torque change of roll forging

制坯過程中不同時刻的應(yīng)力變化情況如圖8所示。第1道次變形過程中的應(yīng)力分布情況如圖8a所示，setp10所示工件中間被模具咬合，在咬合力的作用下形成應(yīng)力場，且與模具接觸部分應(yīng)力較大，其他部分基本未變形。隨著變形過程中壓下量增加到最大值，應(yīng)力達到最大值，為133 MPa。第2道次變形過程中的應(yīng)力分布情況如圖8b所示，由于坯料在第1道次結(jié)束后需翻轉(zhuǎn)90°進入第2道次型腔，此時第1道次末端大變形區(qū)域在第2道次變形過程中變形量大，當(dāng)模具與該區(qū)域開始接觸時，由于接觸面積較小而變形量大，該處應(yīng)力集中，應(yīng)力達到最大值145 MPa。比較兩道次制坯過程，第2道次變形過程中應(yīng)力較第1道次的大，這是由于第1道次形成的橢圓坯料旋轉(zhuǎn)進入第2道次形成一個窄而高的變形區(qū)域造成的。

圖8 制坯過程的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of blanking process

工件輥鍛制坯后，經(jīng)彎曲、終鍛成形得到的終鍛件如圖9所示，可以看出，工件充填良好，飛邊較為均勻，無折疊等鍛造缺陷，符合設(shè)計要求，說明輥鍛制坯的設(shè)計過程是合理有效的。終鍛過程的行程載荷曲線如圖10所示，最大載荷為7.88 MN，即788 t。

圖9 拖鉤終鍛件Fig.9 Finish forging of hook

圖10 終鍛過程載荷-行程曲線Fig.10 Load-stroke curve of finish forging process

3 結(jié)語

通過對拖鉤輥鍛制坯工藝進行設(shè)計，建立輥鍛過程有限元模型，利用三維剛塑性有限元分析技術(shù)對輥鍛制坯過程進行了數(shù)值模擬，分析了坯料在型槽中的變形過程及應(yīng)力分布情況，得到了制坯過程中輥鍛力矩的變化規(guī)律，所得坯料無飛邊、無毛刺，符合制坯要求，并經(jīng)終鍛成形得到良好的終鍛件，表明采用輥鍛工藝對拖鉤進行制坯是可行的，所得結(jié)果可作為指導(dǎo)拖鉤輥鍛工藝設(shè)計及相關(guān)參數(shù)選取的依據(jù)，也可為其它相關(guān)輥鍛制坯設(shè)計過程提供參考。

[1]傅薇，張影.轎車拖鉤強度分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，32(S1):101 －103.

[2]廉峰月.拖鉤類精鑄件的質(zhì)量控制[J].汽車工業(yè)與材料，2002(11):12 －13，31.

[3]趙宇，柳吉華.汽車拖鉤以鑄代鍛試制[J].吉林工學(xué)院學(xué)報，1999，20(4):22 －24.

[4]張承鑒.輥鍛技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1986:147－160.