铝合金控制臂锻造工艺可行性的非线性有限元分析及其预制坯工艺灵敏度研究
摘要：控制臂是重要的汽车零部件之一，影响其锻造成形工艺过程的因素复杂，主要针对其材料利用率较低和折叠等问题，利用有限元仿真技术对其成形过程进行了数值模拟，重点分析了其在预锻过程中产生工艺缺陷的原因并提出了改进方案，采用预制坯工艺，对影响非对称变半径铝合金毛坯大角度热弯曲制坯工艺的主要工艺参数进行了灵敏度分析，提出了制订该种异形坯的合理工艺优化方案，并在实际生产中证明该工艺的合理性。
关键词: 汽车控制臂，有限元仿真，灵敏度分析、工艺优化
1 引言
随着汽车工业的飞速发展与世界能源的日趋紧张，人们对汽车安全性和燃油效率的提出越来越高的要求，汽车轻量化已成为世界汽车工业共同努力的目标。铝合金具有比强度高、抗腐蚀性好等优点[1]，提高和发展铝合金材料在汽车中的用量是新型汽车发展的必然趋势；同时，由于基于有限元分析的计算机仿真技术已经广泛应用于材料塑性成形过程分析中，为该类零件的塑性成形过程工艺优化提供了坚实的基础。
汽车控制臂的锻造工艺复杂，其可行性、稳定性、成形质量(含充满成形、折叠、组织缺陷)、材料利用率以及如何降低载荷、提高模具使用寿命等，都是在制订成形工艺所必须重点考虑的[2。利用有限元数值模拟技术可以在计算机上虚拟实现锻件在锻压设备和模具作用下的整个变形过程，并可以对锻件的变形情况及各种场量的变化情况进行分析，对预测缺陷的产生、降低生产成本以及保证产品质量发挥十分重要的作用。
本文利用专业金属塑性成形仿真软件DEFORM和灵敏度分析方法对汽车控制臂整个锻造过程进行了数值模拟和优化，特别针对其材料利用率低和锻造过程的折叠现象，提出了异形坯锻造优化工艺方案，并在生产实践中得到了很好的效果。
2 研究背景
图1为某汽车铝合金后下控制臂零件，目前该零件在实际锻造生产过程中出现两个主要问题：一是在零件的大拐角处容易出现穿透性的裂纹，导致零件报废，如图2所示；其二是材料的利用率太低，约为50%。针对以上出现的裂纹缺陷，采用数值模拟软件DEFORM-3D对整个工艺过程进行数值模拟，分析出现裂纹的原因并提出改进办法。为了提高材料利用率，采用楔横轧得到非对称变半径铝合金异形坯，而影响此类异形坯的弯曲工艺参数很多，但国内外鲜有资料可循[3-5]。为确定制坯工艺灵敏度，寻求最佳工艺方案，通过采用正交试验设计与有限元仿真分析相结合的方法，分析主要工艺参数对该种毛坯制坯工艺的影响。