汽车转向节锻造成形工艺模拟分析

汽车转向节锻造成形工艺模拟分析汽车转向节是汽车底盘系统里不折不扣的核心安全件，一边连着车轮，一边连着悬挂摆臂，行驶过程中不仅要承受整个车身的重量，还要承受转向、颠簸带来的交变冲击载荷，一旦出问题后果不堪想象。我在锻造行业做了快十年，前前后后跟进过几十款转向节的开发，最深刻的感受就是，转向节的锻造成形真的是“差一点都不行”——结构复杂、截面变化大，很容易出现填充不满、折叠这些致命缺陷，放在十几年前，全靠经验试模，改个三五次模具都是常事，费钱费时间还不一定能做好。最近这些年有限元模拟技术普及之后，我们开发新产品之前都会先做成形工艺模拟分析，提前把问题找出来改好，省心太多。本文我就结合实际跟进的一款乘用车转向节开发项目，完整梳理汽车转向节锻造成形工艺模拟分析的全过程，给同行做个参考。1研究对象与模拟前期准备要做模拟分析，首先得把基础工作做扎实，参数设不对、模型建错了，模拟结果肯定不准，白忙活不说还会误导方向。1.1研究对象的结构与性能要求本次分析的对象是某国产乘用车的前轴转向节，整体结构是“杆部+叉形架”的组合结构，一端是带安装法兰的长杆，另一端是两个平行的叉头，用来安装转向节主销，整个锻件不同位置的厚度差最大超过三倍，叉头和杆部连接的过渡区截面变化特别剧烈，后续还要做调质处理，最终要求锻件本体不能有任何折叠、裂纹、疏松缺陷，屈服强度要达到五百兆帕以上，冲击韧性也要符合整车厂的安全标准。说句实在话，这种结构的转向节本身就是锻造的难点，我之前碰过好几个同类型的转向节，都是在过渡区出了折叠缺陷，批量生产后废了好几百件，损失不小，所以这次开发我们从一开始就下定决心要把问题扼杀在设计阶段。1.2初始锻造成形工艺方案结合我们厂现有的设备条件，一开始设计的初始工艺是常规的开式模锻工艺路线，具体是：下料→中频感应加热→预锻→终锻→切边→热处理。预锻用平锻工艺预出形状，终锻在千吨级摩擦压力机上成形，初始预锻模膛是按照经验设计的，模膛形状基本和终锻成比例缩小，飞边槽按照常规设计参数留了尺寸，下料重量也按照锻件重量加常规飞边余量算出来，整个方案看起来没什么问题，但毕竟是经验设计，到底行不行没人敢打包票，这也是我们要做模拟的核心原因。1.3模拟模型与参数设置我们用的是业内常用的商用锻造有限元模拟软件，建模的时候先把三维的锻件和模具模型导进去，简化掉一些不影响变形的小结构，然后划分网格，为了保证变形细节的精度，我们在叉头端部、过渡圆角这些容易出问题的位置做了网格加密，要是网格太粗，小缺陷根本模拟不出来，我们之前吃过这个亏，所以这次特意做了加密处理。材料用的是转向节最常用的40Cr调质钢，材料的高温流动应力曲线都是软件里自带的成熟参数，符合实际生产情况。工艺参数按照我们实际生产的条件设置：坯料加热温度设定在1180℃左右，模具预热温度设定在250℃，摩擦条件选用适合热锻的剪切摩擦模型，摩擦系数设为0.3，压机的下压速度也按照设备实际参数设置，所有参数都和实际生产对齐，这样模拟出来的结果才靠谱。2成形过程模拟结果与缺陷分析做好前期准备之后，我们就开始跑模拟计算，计算完成后从材料变形规律、缺陷位置和成因几个层面做分析，这也是模拟分析最核心的环节。2.1整体成形过程变形规律分析从模拟结果我们能清晰看到整个成形过程分三个明显的阶段：第一个阶段是墩粗接触阶段，上模刚开始下压，坯料首先被压扁，整体向模膛四周扩张，这个阶段材料流动阻力很小，流动很顺畅，没有什么异常。第二个阶段是模膛填充阶段，上下模继续靠近，材料开始分别向杆部的法兰位置和叉头的端部流动，这个阶段就是最容易出问题的阶段，不同位置的材料流速不一样，很容易出现汇合对挤或者供料不足的情况。第三个阶段是打靠成形阶段，上下模快要完全闭合，多余的材料被挤入飞边槽，整个模膛填充完成。整个过程我们可以随时停下来看任意位置的材料流动方向，比以前靠经验猜真的清楚太多，说句开玩笑的话，以前老师傅猜材料流向，猜不对的时候还互相争论，现在看云图一眼就能看明白，省了好多口水仗。2.2典型缺陷的模拟结果与成因分析初始方案的模拟结果出来，我们很快就发现了两个典型缺陷，和我们以前实际生产中遇到的问题一模一样，也验证了模拟的准确性。2.2.1叉头端部填充不满缺陷我们观察终锻成形后的模膛填充情况，发现两个叉头的顶端尖角位置都没有完全充满，出现了明显的缺料。分析成因不难发现，初始方案里预锻模膛给叉头部位预留的材料不够，大部分材料在预锻的时候都流到杆部去了，到终锻的时候，叉头部位没有足够的材料补充；另外初始飞边槽的桥部宽度设计得太窄，终锻的时候飞边很早就形成了，飞边形成后会产生很大的流动阻力，模膛内部的压力不够，没办法把材料最后挤到顶端的尖角位置，自然就填不满。这个缺陷要是不提前改，开模后试模第一件肯定就废了，我们以前就遇到过一模一样的情况，当时没做模拟，浪费了一块模具钢不说，还耽误了半个月的工期。2.2.2杆叉过渡区折叠缺陷除了填充不满，我们还在叉头和杆部连接的过渡区发现了明显的折叠缺陷。从模拟的材料流动轨迹能看到，这个位置有两股不同方向流动的材料，一股是从叉头位置流向过渡区的材料，另一股是从杆部位置流向过渡区的材料，因为原来的过渡圆角设计得太小，两股材料汇合的时候没有被顺利压入模膛，反而在表面形成了一个折痕，后续下压的时候这个折痕被压进了锻件内部，就形成了内部折叠。折叠这个缺陷真的是转向节的“头号杀手”，它是内部的隐形缺陷，有时候外观看不出来，做探伤才能发现，要是流到市场上，在交变载荷作用下很容易从折叠位置开裂，直接引发安全事故，所以这个缺陷不管怎么样都必须消除。3工艺方案优化与优化后的模拟验证找到了缺陷，也弄清楚了缺陷产生的原因，接下来就是针对性优化工艺方案，然后再做模拟验证优化效果，这也是模拟分析指导生产的关键一步。3.1初始工艺方案的针对性优化我们结合模拟分析出来的原因，从三个方面对原方案做了调整：3.1.1预锻模膛结构优化原来的预锻模膛叉头部位没有专门的储料结构，我们在预锻模膛的两个叉头端部增加了专门的储料槽，提前给终锻预留足够的材料，同时调整了预锻模膛过渡区的形状，让预锻件的过渡区形状更平滑，方便终锻的时候材料流动，不会出现突然变向的情况。另外我们调整了飞边槽的尺寸，把飞边桥部的宽度加宽了，推迟飞边形成的时间，保证模膛完全充满之后，多余的材料再流进飞边槽，解决了飞边过早形成导致压力不足的问题。3.1.2坯料参数与摆放位置优化原来的下料重量留的余量刚好，我们在不增加过多材料成本的前提下，把下料重量增加了2%左右，足够保证填充需要；同时我们调整了坯料的摆放位置，原来坯料是放在模膛的中心位置，现在我们根据材料流动规律，把坯料整体向叉头方向偏移了5毫米，这样一开始下压的时候，就有更多的材料流向叉头部位，不用等到终锻再往那边挤，这个小调整当时我们也是抱着试试的心态改的，没想到效果特别好。3.1.3模具圆角参数优化原来终锻模膛过渡区的圆角设计是R5，主要是担心圆角太大会增加机加工的余量，我们核算了一下，把圆角加大到R8，增加的机加工量很少，几乎不影响成本，但是能让材料流动的时候更顺畅，避免两股材料在小圆角位置对挤，从根源上减少折叠产生的可能。3.2优化后工艺的模拟验证改完参数之后我们重新做了模拟计算，这次的结果就让人放心多了。首先看填充情况，整个终锻模膛所有位置都完全充满了，原来缺料的叉头顶端尖角也填得实实在在，没有任何缺料的情况。然后看过渡区的材料流动轨迹，原来的两股材料现在顺着放大的圆角平滑汇合，没有出现对挤折痕，自然也就没有形成折叠。我们再看应力应变分布，整个锻件本体的应变分布很均匀，最大的应力都集中在飞边位置，锻件内部没有明显的应力集中，温度分布也正常，模具的最高温度也在允许范围内，不会影响模具的使用寿命。整体看下来，优化后的方案已经解决了原来所有的问题。4实际生产验证与模拟分析的应用价值模拟结果没问题之后，我们就按照优化后的方案开了模具，做实际试模，试模出来的锻件完全符合预期。4.1实际试模结果对比我们把试模出来的第一件锻件做了抛丸清理，检查外观，所有部位都填充完整，没有缺料，然后做了荧光探伤和超声波探伤，整个锻件从头到尾都没有发现折叠、裂纹等内部缺陷，尺寸检测也全部符合图纸要求，一次试模就成功了。放在以前，这样的转向节至少要试模两三次，改个一两次模具，这次一次就成了，不仅省了模具改修的费用，还提前了十几天完成开发交付，客户也特别满意。对比模拟结果和实际试模结果，我们发现缺陷的位置、形态都和模拟预测的几乎一样，优化后的效果也和模拟结果一致，说明只要参数设置合理，汽车转向节锻造成形的模拟分析精度完全可以满足实际生产的要求，靠谱得很。4.2模拟分析对行业的应用价值说句掏心窝子的话，模拟分析这项技术真的改变了我们锻造行业的开发模式，放在十几年前，我们开发新产品就是“经验画图→开模试模→改模再试”的循环，成本高周期长，还全靠老师傅的经验，新人很难上手，现在有了成形模拟，我们能直观看到材料怎么流，缺陷在哪里，为什么会产生缺陷，不光能降本增效，还能把经验量化，新人学起来也快得多。对转向节这类安全件来说，模拟分析还能大大提高产品的质量稳定性，减少批量生产的时候出现批量废品的风险，给产品的安全性能多上了一道保险。总的来说，汽车转向节因为结构复杂、性能要求高，锻造成形的难度很大，传统开发模式很难兼顾成本、周期和质量，通过锻造成形工艺模拟分析，我们可以从设计阶段就