汽車前軸精密輥鍛技術(shù)的發(fā)展與擴展

文/蔣鵬·北京機電研究所

賴鳳彩·暢豐車橋（中國）有限公司

汽車前軸精密輥鍛技術(shù)的發(fā)展與擴展

文/蔣鵬·北京機電研究所

賴鳳彩·暢豐車橋（中國）有限公司

前軸坯料軋制與輥鍛生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展過程

前軸周期軋制型材技術(shù)

1920年，在美國一些工廠就開始試驗前軸周期軋制型材，他們在普通軋機的開式孔型內(nèi)，多道次軋制成形。工字梁部分精軋成形，達(dá)到鍛件尺寸。20世紀(jì)五六十年代，在美國試驗軋制無飛邊的等寬周期型材成功，但由于增加了軋制道次，限制了周期軋制型材的普及應(yīng)用。20世紀(jì)50年代末，前蘇聯(lián)開始采用周期軋制型材取代一般圓坯或方坯鍛造前軸，周期軋制型材切斷后加熱，然后在模鍛錘或熱模鍛壓力機上彎曲和終鍛成形。這種方法可以提高生產(chǎn)效率1.5～2倍，節(jié)約金屬材料10％。前提是周期軋制型材的批量要大，軋鋼廠才能接受定貨。

輥鍛機制坯技術(shù)

20世紀(jì)50年代，國外熱模鍛壓力機得到迅速發(fā)展，由于熱模鍛壓力機上不適合拔長、滾擠等制坯工步。因此，在熱模鍛壓力機上模鍛軸類鍛件時，必須配有制坯輔助設(shè)備，這就大大促進(jìn)了輥鍛工藝和輥鍛機的應(yīng)用和推廣。德國某汽車廠的前軸鍛造工藝，原用3臺空氣錘制坯供應(yīng)坯料還很緊張，鍛件質(zhì)量低，金屬消耗大，飛邊損失達(dá)20％。后來采用一臺自動輥鍛機制坯就滿足了生產(chǎn)要求，且鍛件質(zhì)量好，材料利用率提高。

前軸成形輥鍛工藝

20世紀(jì)80年代末，國內(nèi)開發(fā)出了前軸成形輥鍛工藝，主要設(shè)備為φ1000mm輥鍛機和摩擦壓力機，工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→掉頭輥鍛3道次→掉頭模鍛整形→掉頭切除飛邊→彎曲整形，成形輥鍛工藝的優(yōu)點是設(shè)備投資少，模具費用低，適合多品種生產(chǎn)，鍛件成本較低。但由于工藝中采用了掉頭整形和掉頭切邊，生產(chǎn)的鍛件長度難以保證，誤差較大。鍛件局部充不滿較多，補焊率較高。另外，該工藝全部采用手工操作，對工人操作水平要求較高，勞動條件較差。

前軸精密輥鍛—整體模鍛工藝

20世紀(jì)90年代初，北京機電研究所開發(fā)出前軸精輥—整體模鍛成形工藝，中部工字梁區(qū)段和兩個彈簧前座由輥鍛成形至鍛件最終尺寸，其余兩端部位由模鍛成形。主要工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→4道次精密輥鍛→彎曲、模鍛→切邊→熱校正。

前軸精密輥鍛工藝的技術(shù)特點為：

⑴采用4道次輥鍛將前軸的大部分（包括工字梁、彈簧座部位）輥至鍛件成品尺寸，僅少部分（主要是兩端拳頭部分）通過模鍛成形，這樣可以大大降低模鍛設(shè)備噸位，降低生產(chǎn)線總造價。

⑵使用在引進(jìn)德國技術(shù)的基礎(chǔ)上專門針對前軸精密輥鍛技術(shù)開發(fā)的，配套程控機械手的φ1000mm自動輥鍛機，配合與中頻感應(yīng)加熱配套的上下料裝置，使輥鍛工藝過程自動化操作，不僅提高了效率，減輕了工人的勞動強度，更重要的是可以獲得穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、溫度均一的輥鍛件。這樣，不僅為后續(xù)工序的穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，而且成為用該工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的前軸鍛件的重要保證。

前軸精密輥鍛的技術(shù)與裝備的進(jìn)步

從有料頭輥鍛到無料頭輥鍛

最初的前軸精密輥鍛件中包含料頭，這一部分材料切邊后隨飛邊變成廢料，降低了鍛件材料利用率。后來嘗試將夾持部分作為模鍛坯料的一部分模鍛成形，這樣可以明顯提高材料利用率，目前鍛件材料利用率一般可以達(dá)到90％以上。

無料頭輥鍛大大提高了鍛件材料的利用率，但是由于一端帶料頭，一端經(jīng)過輥鍛變形更加接近鍛件形狀，結(jié)果造成鍛造時前后方向打擊力的偏載，這種情況下對打擊噸位較小的設(shè)備有較大的影響。為了消除偏載的情況，曾經(jīng)考慮過在自動輥鍛機上添加裝置，完成掉頭輥鍛的技術(shù)方案。但是，由于掉頭后定位等技術(shù)問題以及掉頭后的效率問題等未能采用。現(xiàn)在，新上的前軸鍛造生產(chǎn)線鍛造噸位越來越大，料頭造成打擊偏載對設(shè)備的影響越來越不明顯。

從四道次輥鍛到三道次輥鍛

最初的精密輥鍛設(shè)計為四道次輥鍛，其中第一道次輥鍛的變形比較小，變形部位不多，變形部位的延伸率一般在1.1以下。經(jīng)過分析，認(rèn)為有可能將第一道次和第二道次合并，用一道次輥鍛完成兩道次的成形。這種思路后來投入應(yīng)用并取得成功，該工序有如下優(yōu)點：

⑴可以明顯提高生產(chǎn)效率。輥鍛效率低一直是前軸精密輥鍛－整體模鍛生產(chǎn)線影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，精密輥鍛從四道次到三道次的改進(jìn)可以明顯提高生產(chǎn)效率。

⑵縮短工藝調(diào)試時間。原來四道次輥鍛的時候，第一道次和第二道次輥鍛件和輥鍛模型槽之間的匹配問題一直是一個很難解決的問題。將原第一道次和第二道次輥鍛合并成一道次以后，這個問題就不存在了。

輥鍛機的不斷強化

最初北京機電研究所曾經(jīng)開發(fā)出一臺用于前軸輥鍛的加強型φ680mm輥鍛機，用于小型前軸的精密輥鍛，這臺設(shè)備至今還在重慶某公司使用。但是，該機器只能用于50kg以下的小型前軸的精密輥鍛。為了擴展輥鍛機的工藝應(yīng)用領(lǐng)域，北京機電研究所開發(fā)出φ1000mm輥鍛機。該機是在引進(jìn)德國EUMUCO公司技術(shù)的φ930mm輥鍛機的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的產(chǎn)品，具有液壓慢速啟動，快速輥鍛成形的特點。2003年以前，該種輥鍛機被用于裝備國內(nèi)多條前軸輥鍛生產(chǎn)線。在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)，該種輥鍛機在進(jìn)行100kg以上的前軸精密輥鍛生產(chǎn)時有力能不足的現(xiàn)象，于是又開發(fā)了加強型φ1000mm輥鍛機，第一臺設(shè)備用于雅安車橋廠的前軸生產(chǎn)線。

加強型φ1000mm輥鍛機及配套機械手是在原φ1000mm輥鍛機的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計的產(chǎn)品，具體如圖1所示。經(jīng)改進(jìn)后，輥鍛機的扭矩、抗軸向力的能力明顯加強，可以滿足中、重型卡車和大型客車前軸精密輥鍛的工藝要求。

加強型φ1000mm輥鍛機主要進(jìn)行了以下改進(jìn)：

圖1 加強型φ1000mm輥鍛機及配套機械手

⑴增大輥鍛扭矩和輥鍛力，提高飛輪能量。具體措施是增大離合器摩擦塊和氣缸面積，相應(yīng)增加飛輪轉(zhuǎn)速等。由此進(jìn)行傳動箱、離合器機構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計（包括傳動比、齒輪、傳動軸、軸承和箱體等），同時立柱相應(yīng)要加寬，銅套直徑加大、加寬等。

⑵鍛輥增強承受軸向力的能力，且結(jié)構(gòu)上要便于磨損后進(jìn)行軸向間隙調(diào)整，承壓面配有潤滑。

⑶鍛輥提高材料牌號，提高表面硬度。

圖2 暢豐車橋前軸生產(chǎn)線中的使用了框架式液壓機進(jìn)行切邊校正

⑷為便于裝拆及調(diào)整，離合器、制動器及大齒輪等取消楔鍵結(jié)構(gòu)，采用脹套固緊結(jié)構(gòu)。

⑸輥鍛機傳動箱散熱采用下通冷空氣，上排熱空氣方法降低溫度。

輥鍛機械手和φ1000mm輥鍛機配套使用，可自動完成接料、多道輥鍛，并將輥鍛后的工件送到下一臺模鍛設(shè)備上的相應(yīng)模膛中（自動線）或模鍛工便于操作的地方（人工操作線）進(jìn)行模鍛成形。輥鍛機械手共有4個自由度，運動速度快，定位精確，技術(shù)成熟。

近年來伺服電機驅(qū)動的輥鍛機械手應(yīng)用逐漸廣泛，和原液壓驅(qū)動相比，特點如下：

⑴伺服電機驅(qū)動的機械手的縱向位置，可以在操作臺上實現(xiàn)設(shè)置，并可以隨時修改數(shù)據(jù)。這樣，工件在各道次的各個特征段的縱向位置容易相互匹配一致。而液壓驅(qū)動的機械手，在縱向位置的前始點采用的機械擋塊，各道次不能錯開確定前始點。

⑵伺服電機驅(qū)動的機械手由于取消了液壓驅(qū)動的機械手縱向固定中位的設(shè)計，因此，機械手可以在設(shè)定的位置上橫移而不需要回到中位橫移，因而可以節(jié)省走車時間。經(jīng)測算，伺服電機驅(qū)動的輥鍛機械手完成三道次輥鍛的時間可以比液壓驅(qū)動的設(shè)備快10s。

模鍛主機的大型化

原來國內(nèi)普遍采用25000kN摩擦壓力機為前軸精密輥鍛整體模鍛的模鍛主機，后來湖北三環(huán)車橋公司在其前軸四線上使用25000kN高能螺旋壓力機作為模鍛主機，之后又在其前軸六線上使用40000kN高能螺旋壓力機為模鍛主機。再往后，國內(nèi)出現(xiàn)更大型的摩擦壓力機，在新建生產(chǎn)線中，選擇采用大噸位摩擦壓力機的廠家也在逐漸增多。

切邊、校正方式的多樣化

前軸切邊校正設(shè)備開始使用比較多的是兩臺摩擦壓力機分別完成切邊和校正工序。后來嘗試在四柱式切邊校正液壓機切邊校正，暢豐車橋的鍛造生產(chǎn)線中使用了帶強力壓邊的框架式切邊校正液壓機切邊校正，見圖2。

自動化操作成為趨勢

前軸鍛件比較重，手工操作勞動強度較大，因此有必要采用自動化操作方式。第一條前軸自動化生產(chǎn)線應(yīng)該是湖北三環(huán)車橋公司在其前軸四線，該線采用坐標(biāo)式機械手操作，實現(xiàn)了主要工序的無人化。后來，多關(guān)節(jié)機器人技術(shù)逐漸成熟和普及，其在前軸生產(chǎn)線中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

精密輥鍛技術(shù)的應(yīng)用擴展

平衡軸的精密輥鍛模鍛生產(chǎn)技術(shù)

平衡軸是重型卡車上的的一種零件，是一種彎曲的長軸類件，目前采用精密輥鍛-模鍛生產(chǎn)技術(shù)可以成熟地應(yīng)用于生產(chǎn)，圖3是重慶某廠在前軸精密輥鍛整體模鍛生產(chǎn)線上生產(chǎn)的平衡軸鍛件。

圖3 平衡軸鍛件產(chǎn)品

鐵路貨車鉤尾框的精密輥鍛工藝

為適應(yīng)鐵路貨車車輛重載提速的要求，鐵路車輛近幾年來鑄件改鍛件的趨勢明顯。和鑄件相比，鍛件的強度和可靠性大大加強，品質(zhì)提升效果明顯。但同時由于鐵路鍛件普遍體積大，質(zhì)量大，而且從鑄件轉(zhuǎn)化為鍛件時一般仍保留許多鑄件的結(jié)構(gòu)特點而導(dǎo)致形狀復(fù)雜。這些特點都形成了鐵路鍛件鍛造的特點：需要大噸位的鍛造設(shè)備、鍛造工藝復(fù)雜，成形難度大。

鐵路車輛鉤尾框鍛件主要形狀如圖4所示。鍛造鉤尾框最初采用自由鍛制坯，31500kN摩擦壓力機模鍛的工藝，其主要工藝為：下料→自由鍛制坯→摩擦壓力機上鍛造（展開鍛造）→液壓機上折彎→整形。需要兩火或三火才能成形。該工藝方案的缺點是：自由鍛制坯效率低，火次多，材料利用率低，模鍛打擊力大，綜合成本較高。

借鑒前軸精密輥鍛－模鍛技術(shù)針對鍛造鉤尾框制定研究開發(fā)工藝方案，其工藝路線為：下料→加熱→φ1000mm輥鍛機上4道次部分成形輥鍛→25000kN以上摩擦壓力機鍛造→切邊→在通用設(shè)備上用專用工裝或用專用液壓折彎機折彎→整形。用該工藝生產(chǎn)的鉤尾框成品圖見圖5。

圖4 鉤尾框鍛件圖

圖5 鉤尾框輥鍛成品圖

結(jié)束語

汽車前軸精密輥鍛技術(shù)是我國自主開發(fā)成功的有中國特色的一種實用技術(shù)，經(jīng)過多年的研究、發(fā)展、推廣和應(yīng)用，已經(jīng)成為汽車前軸鍛造的主流工前采用這種技術(shù)的生產(chǎn)線在國內(nèi)以上，已經(jīng)形成很強的生產(chǎn)能汽車工業(yè)特別是商用車的快速發(fā)展提供了有力的保障和支持。該工藝除了平衡軸、鐵路貨車鉤尾框之外，在大型長軸類鍛件生產(chǎn)技術(shù)中還有開發(fā)推廣的良好前景。目前，采用精密輥鍛技術(shù)生產(chǎn)汽車前軸的廠家可能共同面臨兩個問題，一個是市場需求不如前幾年強勁；另一個是用戶對質(zhì)量，特別是外在質(zhì)量提出了更高的要求。因此，繼續(xù)完善提高精密輥鍛技術(shù)和裝備水平，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鍛件，才能在國內(nèi)市場上站穩(wěn)腳跟，并且有希望邁向更廣闊的國際市場。

蔣鵬，工學(xué)博士，研究員，北京機電研究所塑性成形工程技術(shù)中心主任，機械科學(xué)研究總院博士生導(dǎo)師。中國機械工程學(xué)會塑性工程分會理事、精密鍛造學(xué)術(shù)委員會主任委員等。