大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛成形工藝研究

劉云賀，劉 巖，劉嘉辰，曲 婧

（太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

低地板公交車采用大落差前軸，以實(shí)現(xiàn)降低地板高度、提高上下車方便性和運(yùn)輸效率的目的。大落差前軸作為低地板客車的關(guān)鍵技術(shù)之一，承受著較大的載荷，要求具有較高的強(qiáng)度和疲勞壽命[1]。大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛－整體模鍛工藝采用精細(xì)制坯輥鍛，實(shí)現(xiàn)工字形截面的成形及右端“拳頭”的制坯，整體模鍛成形是對(duì)兩端“拳頭”的成形，對(duì)工字形截面只起整形作用，因此所需模鍛設(shè)備噸位小[2，3]。本文采用Deform-3D軟件，建立了大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛的有限元模擬，分析了成形過(guò)程中各道次的溫度場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，以及模具的載荷情況，為大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛－整體模鍛工藝研究提供了模擬層面的參考。

1 成形工藝分析

大落差前軸鍛件三維造型如圖1所示，鍛件采用45鋼，重量137kg。彈簧板和中間工字梁部分，具有深而窄的工字形截面，不易充滿；前軸的彈簧板部位與中間工字梁之間有較大落差，因而成形工藝復(fù)雜。若采用粗制坯輥鍛－整體模鍛工藝，需要大型熱模鍛壓機(jī)生產(chǎn)線，設(shè)備成本過(guò)高，建設(shè)周期長(zhǎng)，所以采用三道次精細(xì)制坯輥鍛→彎曲→整體模鍛的工藝方案。精細(xì)制坯輥鍛是對(duì)前軸工字形截面成形從而基本達(dá)到鍛件尺寸，整體模鍛是對(duì)拳頭部位進(jìn)行成形和對(duì)精細(xì)制坯部分進(jìn)行整形。精細(xì)制坯輥鍛是介于制坯輥鍛和成形輥鍛之間的一種工藝，更接近成形輥鍛，但輥鍛件沒(méi)有達(dá)到鍛件所需形狀和尺寸，還需要整體模鍛來(lái)進(jìn)一步成形。相對(duì)成形輥鍛，該工藝最大的改進(jìn)是更能保證鍛件的尺寸精度，同時(shí)也大大降低了模鍛設(shè)備的噸位，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

圖1 大落差前軸三維造型

2 精密輥鍛工藝設(shè)計(jì)

2.1 輥鍛件圖的確定

大落差前軸形狀與轎車和重卡前軸不同，彈簧板與中間工字梁之間有較大落差，設(shè)計(jì)輥鍛件時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。輥鍛件不但要滿足對(duì)彎曲型槽的充形程度，有利于模鍛的最終成形，而且輥鍛過(guò)程能夠?qū)崿F(xiàn)，不出現(xiàn)折疊、刮料等缺陷。精細(xì)制坯輥鍛件圖要遵循以下兩個(gè)原則：①?gòu)澢霃捷^大，應(yīng)從鍛件圖上厚度內(nèi)側(cè)三分之一處作中性線使之展直[4]。②各截面也需要按照熱鍛件圖設(shè)計(jì)，尤其是需要整形的部位，寬度減小，高度增加，有利于終鍛成形。根據(jù)熱鍛件圖，設(shè)計(jì)出3種第三道次輥鍛件圖，然后對(duì)輥鍛件進(jìn)行Deform模擬，找出合理方案。

圖2 第三道次制坯輥鍛件圖（方案一）

圖3 彎曲模擬（方案一）

方案一：第三道次制坯輥鍛件如圖2所示，彈簧板位于最高位置的左下端，需要彎曲的部分位于最高位置的右下端，比中間工字梁突出的彎曲部分完全置于輥鍛件的上端面。如圖3所示，彎曲模具下行，模具的彈簧板處首先接觸輥鍛件的最高位置，這部分金屬會(huì)隨著模具由彎曲變成直的，形成彈簧板，最高部分完全充滿彎曲部分的型槽，整體模鍛時(shí)，金屬以鐓粗的形式充滿型槽，生產(chǎn)出的鍛件質(zhì)量高。

依該方案設(shè)計(jì)輥鍛模并在Deform-3D軟件中模擬成形過(guò)程。模擬過(guò)程中，坯料彎曲部分比中間工字梁部分高出很多，而且彈簧板的工字形截面比旁邊的工字形截面寬，輥鍛是一個(gè)連續(xù)的成形過(guò)程，模具外壁會(huì)把這個(gè)突起部位壓倒，出現(xiàn)嚴(yán)重的刮料現(xiàn)象，形成大而厚的飛邊。模擬結(jié)果如圖4所示。

方案二：如圖5所示，彈簧板位于平直面上，它的兩端分別是懸臂工字梁、彎曲部分。該設(shè)計(jì)符合成形輥鍛只適合長(zhǎng)軸類的工藝特點(diǎn)，成功解決了輥鍛過(guò)程中的刮料現(xiàn)象。彎曲的模擬過(guò)程中，彈簧板與大落差彎曲部分過(guò)渡的地方幾乎成90°角，坯料充型不理想。如圖6所示，彎曲部位的上端和底端均未充滿，不能達(dá)到彎曲的目的，造成的結(jié)果是該彎曲件在整體模鍛的過(guò)程中，不能與鍛模型槽匹配，產(chǎn)生折疊缺陷，或者以擠壓形式充滿型槽，對(duì)模具損害較大，生產(chǎn)出的鍛件質(zhì)量難以保證。

方案三：如圖7所示，把彎曲部分高度由偏置輥鍛件上端改為平均分配在上、下兩端，其結(jié)構(gòu)更合理，不但能夠解決輥鍛過(guò)程中的刮料問(wèn)題，而且有利于彎曲型槽的充形，滿足終鍛的外形要求，彎曲成形的模擬效果如圖8所示。

根據(jù)以上的模擬結(jié)果，方案一、方案二不能滿足工藝需求，方案三能夠滿足工藝需求，所以選擇方案三的第三道次輥鍛件作為大落差前軸的輥鍛件。

圖4 成形輥鍛件（方案一）

圖5 第三道次制坯輥鍛件（方案二）

圖6 彎曲模擬（方案二）

圖7 第三道次制坯輥鍛件（方案三）

圖8 彎曲模擬（方案三）

2.2 各道次輥鍛模具設(shè)計(jì)

輥鍛模具設(shè)計(jì)時(shí)，必須根據(jù)論文確定的熱鍛件圖、各道次的輥鍛件圖、選取的原毛坯規(guī)格等作為設(shè)計(jì)依據(jù)[5]。輥鍛模具設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下兩方面：前滑值的選取、坯料與模具的嚙合運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.2.1 第三道次輥鍛模設(shè)計(jì)

根據(jù)上文確定的輥鍛件，在考慮前滑的前提下，計(jì)算出輥鍛件各個(gè)特征部位在模具上的圓心角，第三道次輥鍛模如圖9所示。

圖9 第三道次輥鍛模具

2.2.2 第二道次輥鍛模設(shè)計(jì)

先設(shè)計(jì)出第二道次輥鍛件的各特征面的截面形狀，然后用UG測(cè)出第三道次輥鍛件相鄰兩特征面之間的體積，按照各部分體積相等的原則，計(jì)算出第二道次輥鍛件各個(gè)特征之間的長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)出第二道次輥鍛件。根據(jù)第二道次輥鍛件，設(shè)計(jì)第二道次輥鍛模，如圖10所示。

圖10 第二道次輥鍛模具

2.2.3 第一道次輥鍛模設(shè)計(jì)[6]

第一道次輥鍛的主要作用是對(duì)坯料的體積分配，為后面二道次輥鍛做準(zhǔn)備，所以第一道次輥鍛尤其重要。大落差前軸鍛件比較復(fù)雜，特別是彈簧板，不光有深而窄的部位，而且與中間工字梁之間有較大的落差，這成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。第一道次輥鍛要獲得最大程度的展寬，與中間工字梁過(guò)渡部分要平滑。因此，制坯輥鍛模具設(shè)計(jì)成禮帽型槽，并在上模的彈簧板的型槽上開(kāi)設(shè)橫向阻力槽，可減少延伸增大展寬，還可以解決變形不均勻的問(wèn)題。第一道次輥鍛模，如圖11所示。

圖11 第一道次輥鍛模具

3 有限元模擬分析

3.1 坯料的精細(xì)制坯輥鍛成形過(guò)程

利用Deform-3D軟件，對(duì)大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。如圖12所示，依次是第一道次輥鍛件、第二道次輥鍛件、第三道次輥鍛件。該圖反映了輥鍛件的成形過(guò)程。模具沒(méi)有專門的飛邊槽，而是在上下模具之間有6mm的間隙儲(chǔ)存飛邊。

圖12 精細(xì)制坯輥鍛成形結(jié)果

3.2 坯料的溫度場(chǎng)分析

在大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛－整體模鍛的模擬過(guò)程中，采用熱力耦合模擬，坯料的初始溫度為1200℃，并在模擬過(guò)程中考慮工步之間的時(shí)間間隔，以更接近實(shí)際生產(chǎn)。整個(gè)模擬過(guò)程溫度場(chǎng)的變化如圖13所示。

從大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛－整體模鍛成形過(guò)程溫度場(chǎng)分布可以看出，坯料表面溫度下降的很快，這是由于坯料表面直接與模具、空氣相接處，溫差較大，傳熱很快；而心部的金屬不直接接觸模具和空氣，與表面金屬溫差不大，傳熱較慢，溫度降低也慢。金屬坯料的始鍛溫度為1200℃，最后模鍛時(shí)鍛件的整體溫度在950℃左右，高于45鋼的終鍛溫度，因此，可以在一火次的情況下完成輥鍛件的成形。

圖13 精細(xì)制坯輥鍛溫度場(chǎng)

3.3 坯料的等效應(yīng)變場(chǎng)分析

如圖14a所示，在第一道次輥鍛時(shí)，由于彈簧板部位受到禮帽形型槽的強(qiáng)制展寬，所以彈簧板部位受到的等效應(yīng)變最大；“拳頭”與彈簧板過(guò)渡部分、工字梁和拳頭部分是由圓形坯料變?yōu)殚L(zhǎng)方形坯料，主要變形方式是大量延伸，少量展寬。所以受到的等效應(yīng)變較小。

如圖14b所示，第一道次輥鍛后的坯料翻轉(zhuǎn)90°進(jìn)入第二道次輥鍛模，彈簧板、中間工字梁的腹板部分坯料由長(zhǎng)方形截面轉(zhuǎn)變成工字形截面，這些料受到模具的擠壓，所以受到的等效應(yīng)變較大，中間的方塊和拳頭部分雖然受到壓縮但結(jié)構(gòu)形狀未變，這些部分的等效應(yīng)變較小。

如圖14c所示，第二道次輥鍛件不需翻轉(zhuǎn)直接進(jìn)入第三道次輥鍛模，第三道次輥鍛的作用是加深彈簧板和工字梁部分工字形截面型槽的深度，所以受等效應(yīng)力大的部分為工字形截面部分。

圖14 精細(xì)制坯輥等效應(yīng)變場(chǎng)

3.4 模具載荷隨時(shí)間變化曲線

采用有限元模擬可以比較準(zhǔn)確地反映金屬變形過(guò)程中輥鍛模具承受載荷變化規(guī)律。在三道次輥鍛過(guò)程中模具所承受的壓力最大不超過(guò)3500kN，大大降低了成形設(shè)備噸位。如圖15a所示，第一道次輥鍛的模具載荷兩端和最中間的部分高，兩端是由于“禮帽形”型槽的強(qiáng)制展寬，中間是由于坯料的壓下量大。如圖15b所示，第二道次輥鍛成形過(guò)程中，彈簧座部分需要進(jìn)一步成形，形成飛邊，因此模具受力較大，中間工字梁中部的方塊處變形較小，該部位受力較小，形成一個(gè)波谷。如圖15c所示，第三道次輥鍛成形中，彈簧座工字形截面腹板的壓下量比中間工字梁的大，所以模具載荷是兩頭尖，中間低的形狀。

圖15 精細(xì)制坯輥鍛模具的載荷隨時(shí)間的變化曲線

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)大落差前軸的工藝分析制定了三道次精細(xì)制坯輥鍛的工藝方案，設(shè)計(jì)出了合理的輥鍛件圖，利用UG對(duì)三道次輥鍛模進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維造型。

（2）通過(guò)Deform-3D軟件的有限元模擬，得到了大落差前軸精細(xì)制坯輥鍛成形過(guò)程中的金屬流動(dòng)情況、溫度和等效應(yīng)變場(chǎng)、模具載荷曲線。分析表明，輥鍛件成形良好，輥鍛過(guò)程可以在一個(gè)火次內(nèi)完成。

（3）精細(xì)制坯輥鍛后，形狀接近成形輥鍛，提高了材料利用率，大大降低了終鍛設(shè)備噸位，為制定大落差前軸的工藝方案和設(shè)備選擇提供了依據(jù)。

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