商用車前軸精密輥鍛成形工藝研究

文/李偉，陳文琳·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

朱騰，陳馳·合肥汽車鍛件有限責任公司

商用車前軸精密輥鍛成形工藝研究

文/李偉，陳文琳·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

朱騰，陳馳·合肥汽車鍛件有限責任公司

精密輥鍛前軸的難點在于孔形的選擇與匹配。本文以某商用車前軸為例，提出一種新的設(shè)計方法，首先設(shè)計出前軸各道次不同區(qū)段的孔形，結(jié)合數(shù)值模擬分析，確定匹配良好的孔形系；在孔形系確定后，通過理論計算設(shè)計前軸各道次不同區(qū)段縱向尺寸，并設(shè)計各道次輥鍛模具；采用數(shù)值模擬與物理實驗相結(jié)合的方法，最終得到符合要求的輥鍛件。

前軸鍛件形狀復(fù)雜，鍛造成形難度大。20世紀末，我國獨立開發(fā)了精密輥鍛—整體模鍛前軸成形工藝，該工藝的難點是孔形的選擇與匹配。前軸工字梁采用精密輥鍛可達到最終成形尺寸，模鍛時該部位不再產(chǎn)生塑性變形，顯著降低了模鍛成形力，對鍛造設(shè)備的噸位要求也大大降低。但該工藝難度較大，輥鍛成形時，金屬流動情況復(fù)雜。傳統(tǒng)前軸工藝設(shè)計時，在各道次輥鍛模具設(shè)計完成后，對整個輥鍛過程進行物理實驗，需要同時考慮孔形系的充滿與縱向尺寸的匹配，需要多次修模、試模，浪費大量資源、能源。

本文將成形時較難控制的工字筋、座板部位孔形單獨設(shè)計，并對不同區(qū)段孔形系進行局部數(shù)值模擬研究，在準確掌握了各道次孔形的填充情況后再結(jié)合理論計算對輥鍛毛坯與輥鍛模具進行整體設(shè)計，最后結(jié)合有限元數(shù)值模擬與物理實驗確定前軸精密輥鍛成形工藝方案，該設(shè)計方法大大減少了產(chǎn)品開發(fā)時間與產(chǎn)品調(diào)試次數(shù)。

前軸精密輥鍛工藝分析

重型商用車前軸簡圖如圖1所示，兩主銷孔間距為（1858±3）mm，允許誤差僅為0.16%，精度要求較高。座板截面與工字筋截面為前軸精密輥鍛中最難成形的截面，座板上下筋差別較大，材料分布不均勻，工字筋窄而深，成形難度較大。在精密輥鍛—整體模鍛成形工藝中，工字筋及座板在輥鍛時已經(jīng)基本成形完畢。一般采用三道次輥鍛成形，第一道次輥鍛對金屬坯料進行分配，第二道次輥鍛預(yù)成形座板、工字筋，并進一步分配頸部金屬坯料，第三道完成工字筋部分成形。由于輥鍛過程中金屬變形與流動規(guī)律復(fù)雜，不同道次坯料形狀、尺寸相互影響，很容易出現(xiàn)模具孔形充不滿及縱向長度不匹配等缺陷。

圖1 前軸簡圖

前軸精密輥鍛工藝設(shè)計

座板截面輥鍛成形研究

座板截面為前軸最大截面，為減少輥鍛道次，坯料直徑選擇能充滿座板截面的較小值，結(jié)合工字筋及其他截面延伸系數(shù)來確定最終坯料直徑。為保證終鍛時座板截面的形狀，輥鍛件留有一定變形余量，座板處采用兩道次輥鍛成形，第一道輥鍛件旋轉(zhuǎn)90°進入第二道。

初步選取φ150mm的棒料，為準確分析各道次輥鍛過程中孔形充滿情況，按實際情況設(shè)置邊界條件，對座板截面輥鍛成形進行數(shù)值模擬。由于輥鍛過程為典型連續(xù)局部成形，為節(jié)省運算時間，提高設(shè)計效率，可采用分段式模擬方法對座板截面進行局部模擬。各道次孔形充滿情況為第一道截面孔形采用“禮帽式”孔形，截面形狀符合要求，第二道孔形充滿，座板截面孔形設(shè)計符合要求。

工字筋截面輥鍛成形研究

前軸工字筋截面（圖2），完全采用輥鍛成形。工字筋上下筋為不對稱結(jié)構(gòu)，且筋部窄而高，與幅板落差較大，這種結(jié)構(gòu)大大增加了成形難度，工字筋在成形時，軸向方向無約束，金屬更易沿軸向流動，金屬流動復(fù)雜，增加了其成形難度，因此對金屬坯料的分配及預(yù)成形形狀要求較高。

工字筋一般采用三道次輥鍛成形，坯料由第一道進入第二道時旋轉(zhuǎn)90°，第二道進入第三道時不旋轉(zhuǎn)。輥鍛成形時，金屬以壓下變形為主，為保證第三道輥鍛時，工字筋孔形能充滿，第二道輥鍛件高度應(yīng)該較第三道高。由于第二道變形量較大，為保證能準確得到所需第二道輥鍛件截面形狀，第一道、第二道之間需要較高的延伸系數(shù)，第一道孔形應(yīng)容納盡可能多的金屬坯料。工字筋孔形系設(shè)計如圖2所示。采用分段式模擬方法對工字筋截面進行成形性分析，各道次孔形都能充滿，并產(chǎn)生少量飛邊，工字筋截面孔形設(shè)計符合要求。

圖2 工字筋截面孔形系

前軸精密輥鍛縱向尺寸設(shè)計

采用上述工藝設(shè)計及分段式數(shù)值模擬方法可以確定前軸不同截面輥鍛成形時的孔形系。在精密輥鍛—整體模鍛成形工藝中，前軸兩“拳頭”部位在終鍛時成形，根據(jù)熱鍛件形狀及等體積原理設(shè)計出不同道次輥鍛件。

前軸精密輥鍛成形研究

精密輥鍛有限元研究

由于前軸長度較長，在精密輥鍛模具設(shè)計時要充分考慮前滑的影響，結(jié)合生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，前軸精密輥鍛不同道次、不同區(qū)段采用不同前滑值。利用三維造型軟件建立前軸精密輥鍛幾何模型，并導(dǎo)入有限元數(shù)值模擬軟件中，建立圖3所示的精密輥鍛有限元模型。

圖3 精密輥鍛有限元模型

圖4 前軸精密輥鍛工藝模擬結(jié)果

利用三維有限元軟件對精密輥鍛過程進行數(shù)值模擬，各道次數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。第一道輥鍛為制坯輥鍛，主要目的是對軸向金屬進行合理分配，并對座板部位進行預(yù)成形。由于第一道變形非常不均勻，輥鍛件易發(fā)生彎曲，在輥鍛件前端必須施加徑向約束來模擬機械手的夾持固定作用。從圖4a中可以看出，其孔形充滿情況與分段式模擬相同，驗證了分段式模擬的可行性，座板處“禮帽式”孔形實現(xiàn)了其強制展寬的作用，工字筋處箱式孔形充滿，為后續(xù)變形預(yù)留足夠的材料。第一道輥鍛過程中，“禮帽式”孔形與箱式孔組合，輥鍛件不易傾倒，輥鍛穩(wěn)定性較高。

第二道輥鍛是整個輥鍛過程中變形最劇烈的階段，前后臂及座板基本成形完畢，工字筋部位為預(yù)成形。金屬流動復(fù)雜，第一道輥鍛后輥鍛件旋轉(zhuǎn)90°送入第二道輥鍛模具，第一道“禮帽式”展寬部位恰好落入第二道孔形座板位置，輥鍛件不會因為變形不均勻而發(fā)生左右擺動，增加了工藝的穩(wěn)定性。隨后第一道箱式截面進入工字筋預(yù)成形孔形，左右也被孔形側(cè)壁限制，同樣不會發(fā)生左右擺動。從圖4b中可以看出，孔形均充滿，工字筋處產(chǎn)生少量飛邊，輥鍛件符合設(shè)計要求。

第三道輥鍛為成形輥鍛，該工步完成工字筋截面的終成形，其前后臂及座板均不參與成形。第二道輥鍛件直接放入第三道輥鍛模具中，不再進行旋轉(zhuǎn)。從圖4c中可以看出，工字筋孔形填充良好，飛邊分布均勻，符合設(shè)計要求。

精密輥鍛物理實驗研究

前軸精密輥鍛成形是一種連續(xù)局部成形工藝，成形過程中，金屬流動復(fù)雜，影響因素較多，到目前為止，還未能對其進行準確的理論計算、分析，在實際生產(chǎn)過程中有限元數(shù)值模擬能夠?qū)に囋O(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用，但模擬時的邊界條件設(shè)置等不可能完全與實際生產(chǎn)保持一致，因此需要對前軸輥鍛過程進行物理實驗，對生產(chǎn)工藝進行調(diào)試。前軸精密輥鍛數(shù)值模擬研究確定了工藝設(shè)計方案的正確性，為盡量保證物理實驗與數(shù)值模擬的一致性，將所建立輥鍛模具幾何模型導(dǎo)入加工中心，按照設(shè)計方案加工輥鍛模具，采用42CrMo鋼棒料對前軸精密輥鍛過程進行調(diào)試。

輥鍛工藝調(diào)試時主要的問題是輥鍛模具孔形是否充滿、孔形系是否匹配，輥鍛件長度是否符合設(shè)計要求。各道次輥鍛實驗件如圖5所示，從圖5中可以看出，實驗結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，輥鍛模具孔形充滿，孔形系匹配良好，輥鍛件長度符合設(shè)計要求，驗證了前軸精密輥鍛有限元模型的正確性，同時也驗證了該工藝設(shè)計方法的可行性，大大減少了調(diào)試次數(shù)。

圖5 前軸精密輥鍛工藝實驗結(jié)果

結(jié)束語

通過對前軸進行工藝分析，提出了一種新的前軸精密輥鍛工藝設(shè)計方法：

⑴對前軸的特征截面工字筋、座板部位孔形單獨設(shè)計，對各特征截面孔形系進行局部數(shù)值模擬研究。

⑵準確掌握各道次孔形的充滿情況后，結(jié)合理論計算設(shè)計輥鍛毛坯與相對應(yīng)輥鍛模具。

⑶采用有限元數(shù)值模擬與物理實驗相結(jié)合的方法對前軸精密輥鍛成形工藝方案進行驗證，在較短的調(diào)試時間內(nèi)得到了尺寸合格的輥鍛件。