基于數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)的卡車(chē)前軸輥鍛工藝優(yōu)化

余世浩，尚 帥

（1.武漢理工大學(xué) 華夏學(xué)院，湖北 武漢 430223；2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

基于數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)的卡車(chē)前軸輥鍛工藝優(yōu)化

余世浩1，2，尚 帥2

（1.武漢理工大學(xué) 華夏學(xué)院，湖北 武漢 430223；2.武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

卡車(chē)前軸形狀復(fù)雜，截面起伏大，僅用鍛造成形難度很高，一般采用制坯輥鍛+成形模鍛工藝生產(chǎn)。以某卡車(chē)前軸為例，確定了輥鍛道次，完成了輥鍛型槽設(shè)計(jì)，并以第三道次輥鍛成形為例，基于Deform－3D成形模擬，采用正交試驗(yàn)方法，將咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和坯料初始溫度T為初始模擬參數(shù)，在3種不同水平下對(duì)前軸輥鍛成形過(guò)程進(jìn)行模擬，揭示了前軸輥鍛成形載荷和坯料展寬的變化規(guī)律，進(jìn)而優(yōu)化了前軸輥鍛成形工藝與輥鍛模具設(shè)計(jì)，為后續(xù)成形模鍛提供了最佳毛坯。

輥鍛成形；工藝優(yōu)化；正交試驗(yàn)；數(shù)值模擬；卡車(chē)前軸

前軸是卡車(chē)上承受載荷的部件，在使用時(shí)要求有較高的強(qiáng)度和剛度。因其形狀復(fù)雜、截面起伏大，難以直接利用鍛造成形，一般采用制坯輥鍛+成形模鍛工藝生產(chǎn)[1－4]。輥鍛成形工藝及模具型槽設(shè)計(jì)不單對(duì)成形載荷、模具壽命和鍛件質(zhì)量，而且對(duì)后續(xù)成形模鍛工序的模鍛力、鍛模壽命以及工件形狀都有重要影響。下面以某卡車(chē)前軸（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“前軸”）為例，在確定輥鍛道次和完成輥鍛型槽設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，把第三道成形過(guò)程作為研究對(duì)象，利用Deform－3D進(jìn)行成形模擬，采取正交試驗(yàn)方法，以輥鍛時(shí)的咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和金屬坯料的初始溫度T等4個(gè)因素為初始模擬參數(shù)，通過(guò)3種不同水平下的成形過(guò)程模擬結(jié)果，揭示前軸輥鍛成形載荷及坯料展寬的變化規(guī)律，對(duì)前軸輥鍛成形工藝進(jìn)行優(yōu)化[5]。

1 前軸輥鍛工藝分析

某前軸鍛件如圖1所示。為達(dá)到以最小的質(zhì)量滿(mǎn)足垂直方向的強(qiáng)度和剛度要求，將前軸的截面設(shè)計(jì)為“工”字形；為達(dá)到增強(qiáng)抗扭能力的目的，將前軸的兩端部位設(shè)計(jì)成“拳形”。

圖1 某卡車(chē)前軸鍛件圖

由于中部工字梁難以成形，安裝彈簧部位難以展寬，因此采用三道次輥鍛成形[6－7]，第一道次為分料階段，主要解決坯料的金屬體積分配，使主要成形部位的材料分開(kāi)；第二道次為預(yù)成形，進(jìn)一步分配金屬，使坯料各部位接近第三道次形狀；第三道次為終成形，使前軸各部位獲得基本形狀和足夠的寬展量，為最終成形模鍛提供最佳鍛造毛坯。3個(gè)道次的輥鍛件如圖2所示。

圖2 三道次輥鍛件圖

2 輥鍛成形正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 影響因素分析

由圖3所示的輥鍛成形示意圖可知，影響輥鍛成形過(guò)程的因素很多，這里選取輥鍛時(shí)的咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和金屬坯料的初始溫度T等4個(gè)主要因素進(jìn)行分析。

2.1.1 咬入角α

當(dāng)坯料與輥輪接觸時(shí)，重合部分的弧線(xiàn)稱(chēng)為咬入弧，對(duì)應(yīng)的圓心角為咬入角。在輥鍛過(guò)程中，輥輪對(duì)坯料的徑向壓力為P，切向摩擦力為F，二者互相垂直。將P、F分解為Px、Fx和Py、Fy。其中，Py、Fy對(duì)坯料施加壓力，使其產(chǎn)生變形；Px、Fx對(duì)坯料實(shí)現(xiàn)順利咬入有決定性的影響：當(dāng)Px＜Fx時(shí)，坯料向輥縫中心運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)咬入；當(dāng)Px＞Fx時(shí)，坯料被推出輥縫，不能實(shí)現(xiàn)咬入。因?yàn)镕x=F·cosα、Px=P·sinα所以工件能否順利咬入與咬入角的大小直接相關(guān)，而工件的順利咬入是實(shí)現(xiàn)輥鍛的必要條件。

圖3 輥鍛成形示意圖

2.1.2 輥鍛角速度ω

輥鍛成形時(shí)，坯料的徑向金屬被壓縮，發(fā)生橫向流動(dòng)，使坯料展寬增加；另一部分產(chǎn)生縱向流動(dòng)，使工件延伸，其以中性面為界向前、后方向流動(dòng)。當(dāng)坯料進(jìn)入輥輪時(shí)，其速度小于輥輪圓周線(xiàn)速度（與ω和R有關(guān)）的水平分量，形成后滑；當(dāng)坯料輥出時(shí)，其速度超前于該處圓周線(xiàn)速度的水平分量，形成前滑。角速度不同，對(duì)前滑值和展寬有較大的影響，進(jìn)而引起成形載荷的改變。

2.1.3 摩擦因子μ

輥鍛摩擦不同于一般機(jī)械摩擦，當(dāng)摩擦因子過(guò)小時(shí)，坯料在輥鍛模中會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，不能產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形，影響最終的成形質(zhì)量。此外，輥鍛成形是在高溫、高壓下進(jìn)行的，摩擦因子也會(huì)發(fā)生變化，從而影響成形載荷，所以摩擦對(duì)輥鍛成形的影響至關(guān)重要。

2.1.4 坯料初始溫度T

溫度的變化會(huì)引起金屬力學(xué)性能的改變，工件內(nèi)部不均勻的變形使溫度分布呈現(xiàn)不均勻的狀態(tài)，工件與外界環(huán)境的熱交換、摩擦熱量等又進(jìn)一步改變了工件的溫度。由于以上因素的存在，輥鍛成形時(shí)工件溫度會(huì)發(fā)生很大的變化，從而影響成形載荷和成形質(zhì)量。

2.2 正交試驗(yàn)方案確定

根據(jù)以上論述，分別取咬入角α、摩擦因子μ、輥鍛角速度ω和金屬坯料的初始溫度T4個(gè)因素，在3種水平下進(jìn)行試驗(yàn)，取值如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

確定的正交表為L(zhǎng)9（34），獲得9組不同變量組合，如表2所示。

3 輥鍛成形數(shù)值模擬

圖4所示為前軸第三道次輥鍛成形有限元模型。利用Deform-3D將這9組變量組合依次設(shè)為初始參數(shù)，進(jìn)行模擬分析，得到在不同因素水平下成形載荷和展寬變化規(guī)律，并將所得結(jié)果填入表2。

圖4 前軸輥鍛成形數(shù)值模擬模型

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

4.2 試驗(yàn)分析

為了更加直觀和形象地展示各因素對(duì)成形載荷和展寬的影響，根據(jù)表2繪制圖5、6所示的曲線(xiàn)。

由圖5可知，在選取的水平上：①咬入角與成形載荷不存在單調(diào)增減規(guī)律；②角速度增加，成形載荷也隨之變大；③成形載荷隨著摩擦系數(shù)的增大而增大；④隨著溫度的增加，成形載荷減小。

表2 正交試驗(yàn)直觀分析表

圖5 各因素對(duì)最大成形載荷的影響

由圖6可知，在選取的水平上：①展寬量隨著咬入角的增大而增加；②角速度與展寬量成反比；③增大摩擦系數(shù)，寬展量增大；④溫度升高，寬展量增大。

4.3 最優(yōu)方案

在試驗(yàn)中，對(duì)于最大成形載荷和最大展寬兩個(gè)指標(biāo)，其單個(gè)指標(biāo)的最優(yōu)工藝條件是不一致的，如表3所示。因此在制定最優(yōu)工藝條件時(shí)，需要全面考慮各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響，確定主次順序。

圖6 各因素對(duì)最大展寬的影響

由表3可以看出，因素D在取3水平時(shí)對(duì)兩指標(biāo)的影響是一致的，所以最優(yōu)工藝條件中取D3，同理，因素B在最優(yōu)工藝條件中取B1。而對(duì)于因素A、C，由于其因素水平對(duì)兩指標(biāo)的影響不一致，需要逐個(gè)考察，利用綜合平衡法來(lái)確定。對(duì)于因素A：由表2可知，對(duì)于最大成形載荷，A取A2比取A3時(shí)要小35.5%（有利）；對(duì)于最大展寬，A取A3時(shí)比取A2要大6.9%（有利）。因此，可確定因素A的選取水平為A2。同理，因素C所選取的水平為C1。最終確定的最優(yōu)工藝方案為A2B1C1D3。

表3 單個(gè)指標(biāo)的優(yōu)方案

5 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)論

5.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

將最優(yōu)工藝方案確定的工藝參數(shù)輸入Deform-3D模擬軟件，進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，把得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與表2中的成形載荷最小值對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案和展寬最大值對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

將采用最優(yōu)工藝方案（A2B1C1D3）、方案 4（A1B1C1D1）、方案7（A3B1C3D2）的成形載荷繪制成圖7。綜合表4、圖7可知，采用最優(yōu)工藝方案試驗(yàn)得到的成形載荷最小，寬展較大，符合前軸生產(chǎn)中降低成形力、獲得展寬量的需要。

圖7 三種試驗(yàn)方案載荷對(duì)比圖

5.2 結(jié)論

基于數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)，在不同因素水平下確定了前軸成形的最優(yōu)工藝方案，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于前軸輥鍛成形載荷，各因素影響程度為：金屬坯料的初始溫度>摩擦因子>輥鍛角速度>咬入角。

（2）對(duì)于前軸輥鍛成形展寬，各因素影響程度為：摩擦因子>金屬坯料的初始溫度>咬入角>輥鍛角速度。

（3）運(yùn)用綜合平衡法對(duì)正交試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定前軸輥鍛成形最優(yōu)工藝方案為A2B1C1D3，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證成形載荷最小，獲得的展寬滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，符合后續(xù)成形模鍛工藝要求。

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Optimization of roll forging process for truck front-axle based on numerical simulation and orthogonal experimental method

YU Shihao1,2，SHANG Shuai2
（1.Huaxia College,Wuhan University of Technology,Wuhan 430223,Hubei China; 2.School of Materials Science and Engineering,Wuhan University of technology,Wuhan 430223,Hubei China）

The front-axle of truck has complicated shapes and variable cross section,which is difficult to be manufactured in just traditional forging process,but in combination of roll forging and die forging process.Taking the front axle of some truck as an example,the roll forging stands have been confirmed and the roll forging slot has been designed.Taking the third stand for instance,four influential factors including the bite angle of forging rollα, friction coefficient μ angular velocityωand the initial temperature of blankT have been adopted as the initial simulated parameters.The roll forging process of front axle for automobile has been simulated under three different levels by use of Deform-3D simulation and orthogonal experimental method.The changing laws of roll forging loads and blank width have been revealed in order to optimize the roll forging process and design of roll forging tool for front axle,which provides optimum blank for further die forging process.

Front-axle of truck;Roll forging;Optimization of process;Orthogonal test;Numerical simulation

TG316.3

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.028

1672－0121（2016）04－0093－04

2016－03－07；

2016－04－26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205298）

余世浩（1956－），男，教授，從事材料成形工藝、設(shè)備、控制及計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。E－mail：yushihao＠whut.edu.cn