锻造过程中汽车悬架控制臂与模具的传热分析

李 展

（九江金鹭硬质合金有限公司，江西 九江 332000）

国内研究人员通过仿真软件分析了各种工艺参数对锻造锻件的影响，探讨了锻件温度及模具预热对模具磨损及疲劳寿命的影响等问题。在国内，王道勇[1]采用DEFORM-3D分析了6082铝合金控制臂的制造工艺方案，分析了不同摩擦系数对模具载荷和锻件损伤及等效应力的影响。姬金金[2]采用有限元模拟软件，分析了预热温度对材料成形及模具磨损的影响。唐睿[3]采用DEFORM-3D有限元模拟软件，分析了锻件初始温度、模具预热温度、接触界面传热效应等对热挤压模具的磨损量影响。

本文以一款汽车铝合金控制臂为研究对象，在之前研究的基础上[1]，基于有限元DEFORM-3D分析方法，对工艺方案中最后的锻造过程进行模拟，研究模具预热温度对锻造过程中控制臂温度与模具温度的影响。

1 控制臂锻造的有限元分析

在该锻造工艺中，以JA55-2500T压力机为锻造设备，锻件材料为6082铝合金，模具皆选用H13模具钢。

在DEFORM-3D中，将折弯后的锻件导入到终锻模具中，并对锻件和模具进行网格划分，锻件划分为83247个单元，最小单元尺寸为1.8mm，上模和下模划分为200000个单元，最小单元尺寸为1.8mm。

设定锻件温度选择为490℃，终锻模具温度分别设置为150℃、200℃、250℃、300℃。在热边界条件中，坯料与模具的热传导系数为11N/（s·mm·℃），坯料与环境的热对流系数为0.02N/（s·mm·℃），热传导系数为0.02W/m2。设定摩擦类型为剪切摩擦，摩擦系数为0.3。设置锻压速率为230mm/s，根据模具运动行程，设定模具步距和步数。

根据DEFORM-3D有限元计算分析方法，对控制臂成形过程进行模拟，并对计算结果进行分析后，对控制臂和模具分别设置3点追踪，如图1～图3所示。

图1 控制臂

图2 模具上模

图3 模具下模

1.1 锻造过程中控制臂温度变化分析

一般模具预热温度在150℃～350℃之间，现主要分析当模具温度分别为150℃、200℃、250℃和300℃时，控制臂在锻造过程中，P1～P3处温度变化如图4～图6所示。

由图4～图6可知，在上模下压过程中，控制臂与空气进行换热，控制臂温度有微小下降。

由图4可知，当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，控制臂P1处温度快速上升，当控制臂P1处变形程度减少时，控制臂P1处温度上升较慢，当控制臂P1处变形程度增加时，此时控制臂P1处温度相对较高，润滑环境受到一定破坏，控制臂P1处与上模具之间的摩擦系数增大，摩擦更加剧烈，所以控制臂P1处温度上升较快。随着模具预热温度的增大，控制臂P1处温度上升较快，锻造后控制臂P1最终温度增大。

图4 控制臂P1点

由图5可知，在控制臂与上模刚接触时，控制臂P2处被上模具挤压，由于摩擦产生大量的热量，导致控制臂P2处温度快速升高，锻造后期，控制臂P2处温度上升速率降低，最后温度下降，是由于P2处在锻造后期，形变量逐渐减少，此时控制臂与模具摩擦产生的热量较小，控制臂与模具接触传递热量，此时控制臂温度比模具温度高，因此控制臂P2处温度下降；随着模具预热温度的升高，控制臂P2处温度上升较快，锻造后期控制臂P2处温度降低较少，锻造后控制臂P2处最终温度增大。

图5 控制臂P2点

由图6可知，当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，控制臂P3处温度快速上升，随着控制臂P3处的温度上升，润滑环境受到一定破坏，控制臂P1处与上模具之间的摩擦系数增大，摩擦产生的热量增大，所以控制臂P3处温度上升较快。在锻造后期，控制臂P3处变形程度减少，控制臂P3处温度上升较慢。随着模具预热温度的增大，控制臂P3处温度上升较快，锻造后控制臂P3最终温度增大。

图6 控制臂P3点

结合上述分析可知，随着模具预热温度的增大，控制臂温度上升较快，锻造后控制臂最终温度增大。

1.2 锻造过程中下模具温度变化分析

下模具在锻造过程中，在上模下压过程中，下模具与空气发生热交换，下模具P1、P2处温度有微小下降，下模具P3处因为与控制臂接触，与控制臂发生热交换，温度有微小上升。

当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，而模具材料热传导系数小于控制臂，因此下模具P1处温度上升，但是上升速率小于控制臂。在锻造后期，下模具P1处温度上升速率增大，因为P1处形变量变大，控制臂与模具摩擦产生的热量增多，导致模具温度上升速率变大。随着模具预热温度的增大，锻造过程中下模具P1温度上升较慢，锻造后下模具P1温度上升的幅度减少。

当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，而模具材料热传导系数小于控制臂，因此下模具P2处温度上升，但是上升速率远小于控制臂。在锻造后期，下模具P2处温度上升速率降低，P2处形变量逐渐减少直到没有形变产生，此时控制臂与下模具摩擦产生的热量很小，控制臂与下模具接触传递热量，此时控制臂温度比下模具温度高，因此下模具P2处温度上升速率减小。随着模具预热温度的增大，锻造过程中下模具P2温度上升较慢，锻造后下模具P2温度上升的幅度减少。

当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，而模具材料热传导系数小于控制臂，因此下模具P3处温度上升，但是上升速率小于控制臂。锻造过程中，下模具P3处温度上升均匀。随着模具预热温度的增大，锻造过程中下模具P3处温度上升较慢，锻造后下模具P3处温度上升的幅度减少。随着模具预热温度的增大，锻造过程中下模具温度上升较慢，锻造后下模具温度上升的幅度减少。

1.3 锻造过程中上模具温度变化分析

上模具在锻造过程中，在上模下压过程中，由于上模具下压速率很高，与空气发生热对流，上模具温度下降幅度比下模高。

当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，而模具材料热传导系数小于控制臂，因此上模具P1处温度上升，但是上升速率远小于控制臂。在锻造后期，上模具P1处温度上升速率增大，因为P1处形变量变大，控制臂与模具摩擦产生的摩擦热增多，导致模具温度上升速率增大。随着模具预热温度的增大，锻造过程中上模具P1处温度上升较慢，锻造后上模具P1处温度上升的幅度减少。

当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，而模具材料热传导系数小于控制臂，因此上模具P2处温度上升，但是上升速率远小于控制臂。在锻造后期，上模具P2处温度上升速率降低，P2处形变量逐渐减少直到没有形变产生，此时控制臂与模具摩擦产生的热量很小，控制臂与模具接触传递热量，此时控制臂温度比模具温度高，因此上模具P2处温度上升速率减小。随着模具预热温度的增大，锻造过程中上模具P2处温度上升较慢，锻造后上模具P2处温度上升的幅度减少。

当上模接触控制臂时，控制臂被模具挤压产生形变，挤压过程与模具发生摩擦产生大量的热量，而模具材料热传导系数小于控制臂，因此上模具P3处温度上升，但是上升速率远小于控制臂。锻造过程中，上模具P3处温度上升均匀。随着模具预热温度的增大，锻造过程中上模具P3处温度上升较慢，锻造后上模具P3处温度上升的幅度减少。

结合上述分析可知，随着模具预热温度的增大，锻造过程中上模具温度上升较慢，锻造后上模具温度上升的幅度减少。

2 结论

以一款新型的6082铝合金控制臂为研究对象，采用DEFORM-3D对控制臂锻造过程进行了模拟，通过模拟计算分析可知：过高的模具预热温度会恶化锻造中的润滑环境，导致控制臂与模具之间的摩擦系数增大，使控制臂温度过高；随着模具预热温度的增大，锻造过程中控制臂温度上升较快，模具温度上升较慢，因此锻造后控制臂最终温度增大，模具温度上升的幅度减少；当模具预热温度在150℃～300℃之间时，锻造后下模温度比上模高。