M4輕型載貨汽車前軸輥鍛模的設(shè)計(jì)

■山東恒泰車橋公司 劉元偉，王孝文，劉金行

一、前軸結(jié)構(gòu)特征

前軸是汽車上重要保安件，屬于汽車上一種大型長(zhǎng)桿類鍛件，承受載荷大，額定載荷28500N、對(duì)安全性能要求高，要求具有較高強(qiáng)度和疲勞壽命。M4輕卡汽車前軸材料為40Cr，其外形如圖1所示。

該前軸技術(shù)要求為：內(nèi)壁拔模斜度10°，外壁拔模斜度7°，中心線偏移量不大于1.5mm，前軸在全長(zhǎng)范圍內(nèi)直線度誤差不大于3mm，確保無(wú)裂紋等缺陷。

M4輕型載貨汽車前軸鍛件截面寬度變化較大，有以下幾個(gè)難成形部位：①?gòu)澆辈课幌尬煌古_(tái)（見(jiàn)圖2左）。②板簧座背部與“工”字梁過(guò)渡部位（見(jiàn)圖2中）。③板簧座圓角部位是難成形部位（見(jiàn)圖2右），最寬處是板簧座為136mm，最薄處是“工”字梁厚度為10mm。

圖1 M4輕型載貨汽車前軸成品示意

圖2 難成形部位示意

二、前軸輥鍛件圖設(shè)計(jì)

將前軸彎曲坯料展直（見(jiàn)圖3），按圖1前軸熱鍛件中心線做輥鍛件展直長(zhǎng)度，總長(zhǎng)度L計(jì)為1722mm。然后根據(jù)下式計(jì)算其所對(duì)應(yīng)的在輥鍛模上所占的角度

式中D——輥鍛模公稱直徑 （mm）；

s——各特征段長(zhǎng)度（mm）。

計(jì)算得前軸熱鍛件的總長(zhǎng)度L計(jì)所對(duì)應(yīng)總角度α= 199°。將展開后前軸劃分成若干個(gè)特征段，其相對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度可以測(cè)量，然后按此式計(jì)算出對(duì)應(yīng)扇形角度α。根據(jù)其數(shù)據(jù)可得出表1結(jié)果。

將“拳頭”和板簧座（見(jiàn)圖1d、圖1F）加上加工余量，加工余量大小可根據(jù)本廠實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定?？紤]到“拳頭”部位在鍛造和加工時(shí)高度差不穩(wěn)定，可稍微放大。鍛件彎曲過(guò)程中，圓弧外側(cè)拉薄變窄；內(nèi)側(cè)稍稍變寬。輥鍛件設(shè)計(jì)時(shí)在彎曲部分也要相應(yīng)增大。

以模鍛件圖為依據(jù)，沿模鍛件軸線作11個(gè)橫截面，計(jì)算出每個(gè)橫截面面積，同時(shí)加上飛邊處的金屬面積

考慮到輥鍛時(shí)金屬前滑和展寬，坯料截面尺寸要適當(dāng)放大。因此，要考慮一個(gè)截面增大系數(shù)k。 k值為1.75～2.1。k值越大，表示輥鍛預(yù)留料越多，在終鍛時(shí)能保證最難成形區(qū)板簧背部“工”字梁處成形容易，不易缺料。

式中 Fi為考慮增大系數(shù)后，指定在i部位輥鍛件截面積（mm2）；i=1，2，11；Fi′為指定在i部位輥鍛件截面積（mm2）；i=1，2，11；k為截面增大系數(shù)，一般取1.75～2.1，這里取1.75；Fi鍛為指定輥鍛件i部位截面積（mm2）；i=1，2，11。

i=1是指第二道輥鍛入口“拳頭”；i=2是指第二道輥鍛入口彎脖；i=3是指第二道輥鍛入口彎脖與板簧座過(guò)渡處； i=4是指第二道輥鍛入口板簧座；i=5是指第二道輥鍛入口板簧座與“工”字梁過(guò)渡處；i=6是指第二道輥鍛“工”字梁； i=7是指第二道輥鍛出口“工”字梁與右板簧座過(guò)渡處； i=8是指第二道輥鍛出口板簧座；i=9是指第二道輥鍛出口板簧座與彎脖過(guò)渡；i=10是指第二道輥鍛出口彎脖；i=11是指第二道輥鍛出口“拳頭”部位。

η為飛邊充滿系數(shù)，一般取0.5～0.8；取η=0.8。

F毛為飛邊槽截面積（mm2）。

計(jì)算毛坯圖上截面圖（見(jiàn)圖3）就是以最終輥鍛件中線為橫坐標(biāo)，計(jì)算最終輥鍛件截面積為縱坐標(biāo)繪出曲線。該曲線下面積就是計(jì)算最終輥鍛件體積。根據(jù)計(jì)算輥鍛件截面積可以得到各個(gè)截面計(jì)算輥鍛件直徑

計(jì)算毛坯圖上直徑圖（見(jiàn)圖3）是以模鍛件軸線對(duì)稱軸，計(jì)算最終輥鍛件軸向各部位半徑為縱坐標(biāo)繪出對(duì)稱曲線。

由計(jì)算毛坯圖可知，最大截面積Fmax在板簧座處，其Fmax=9503.32mm2，所以輥鍛成形時(shí)要用的棒料截面積F0=Fmax，因而輥鍛成形時(shí)要用F110mm直徑棒料作為原材料。F110mm圓鋼正好符合國(guó)家鋼材標(biāo)準(zhǔn)系列，便于采購(gòu)。

三、前軸輥鍛工藝設(shè)計(jì)

1. M4輕型載貨汽車前軸輥鍛工藝過(guò)程設(shè)計(jì)

M4輕型載貨汽車前軸輥鍛工藝過(guò)程大致為：下料→中頻感應(yīng)加熱→輥鍛→彎曲→模鍛→切邊→熱校正。首先要確定輥鍛道次，確定成形輥鍛道次Z主要依據(jù)是金屬延伸量大小及鍛件成形難易程度?？砂聪铝泄匠醪酱_定

總延伸系數(shù)λs等于坯料橫截面積F0與輥鍛后鍛件最小截面積Fmin之比，即

計(jì)算知Fmin為2746.62mm2，截面積F0為 9503.32mm2。

平均伸長(zhǎng)系數(shù)λ平可取比制坯輥鍛時(shí)較大的數(shù)值，一般為1.5～2.5，根據(jù)公司經(jīng)驗(yàn)，取λ平=1.8。成形輥鍛時(shí)道次選擇除了滿足伸長(zhǎng)量的要求外，還須考慮其他輥鍛工藝特征和輥鍛件的成形特點(diǎn)。

總伸長(zhǎng)率λs= F0/Fmin= 9503.32/2746.62=3.46，取λ平=1.8，Z=1.92。最后根據(jù)計(jì)算確定采用二道次輥鍛成形。

因此，該前軸鍛造工藝為：下料→中頻感應(yīng)加熱→第一道輥鍛→第二道輥鍛→彎曲→模鍛→切飛邊→熱校正。確定輥鍛道次后，先設(shè)計(jì)第二道輥鍛模，再根據(jù)各特征段等體積原則，再設(shè)計(jì)第一道輥鍛模。

圖3 M4輕型載貨汽車前軸輥鍛件的計(jì)算毛坯圖

2. M4輕型載貨汽車前軸輥鍛模具設(shè)計(jì)

對(duì)M4輕型載貨汽車前軸采用二次輥鍛成形，第一次輥鍛為初始輥鍛，第二道輥鍛為成形輥鍛。采用反向設(shè)計(jì)方法，從后面向前面推演。

根據(jù)模鍛件毛坯先設(shè)計(jì)第二道輥鍛型腔截面，用第二道輥鍛型腔截面設(shè)計(jì)第二道輥鍛模，然后設(shè)計(jì)出第二道輥鍛件，第二道輥鍛件和終鍛模型腔基本吻合。再根據(jù)第二道輥鍛件各特征段體積相等原則設(shè)計(jì)第一道輥鍛件，然后根據(jù)第一道輥鍛件設(shè)計(jì)第一道輥鍛模。

（1）第二道輥鍛模具型腔的設(shè)計(jì) 由于不考慮出模后輥鍛件彈性變形和熱脹冷縮，因而可看作第二道輥鍛模型腔與第二道輥鍛件長(zhǎng)度相等。因此，可看作M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛模各特征段部位相對(duì)應(yīng)的扇形角度與表1一致。

第二道輥鍛模具“工”字形部位型腔設(shè)計(jì)。關(guān)于第二道輥鍛模具“工”字形部位的型腔，不考慮彈性變形和溫度變化的影響時(shí)，與第二道輥鍛后的輥鍛件（見(jiàn)圖4）應(yīng)該一致。對(duì)于其他部位，也應(yīng)該基本相同。

第二道輥鍛模具板簧座部位型腔設(shè)計(jì)。第二道輥鍛模具板簧座部位型腔與第二道輥鍛件截面的外形輪廓應(yīng)該相同，如圖5所示。

由于輥鍛機(jī)剛性和各運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙存在，上下軋輥在輥鍛時(shí)中心距發(fā)生變化，產(chǎn)生3～5mm間隙在設(shè)計(jì)第二道輥鍛模型腔時(shí)，有關(guān)型腔深度要各減少該間隙值的一半。另外，要注意，板簧座背部（“工”字截面）處上輻板底斜度和下輻板上面斜度和筋板兩側(cè)圓角要大，如果斜度過(guò)小，這個(gè)地方在輥鍛時(shí)候充滿困難。

圖4 第二道輥鍛件“工”字梁截面圖

圖5 第二道輥鍛件板簧座截面圖

表1 M4輕卡前軸第2道輥鍛模各特征段部位相對(duì)應(yīng)的扇形角度

因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中輥鍛模型腔寬度方向容易充填飽，而型腔深度方向不容易充填飽，所以在設(shè)計(jì)第二道輥鍛型腔截面時(shí)，其與終鍛模型腔截面的關(guān)系為

式中b11、b11′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的寬1；b12、b12′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的寬2；b21、b21′分別為第二道輥鍛板簧座截面和終鍛模板簧座截面的寬；b22、b22′分別為第二道輥鍛板簧座背部（“工”字截面）和終鍛模板簧座背部（“工”字截面）的寬；h11、h11′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的高；h12、h12′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的厚1；h13、h13′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的厚2；h21、h21′分別為第二道輥鍛板簧截面和終鍛模板簧截面的高；h22、h22′分別為第二道輥鍛板簧截面和終鍛模板簧截面的厚1；h23、h23′分別為第二道輥鍛板簧座背部（“工”字截面）和終鍛模板簧座（“工”字截面）的厚2；Δ大致在1～2 mm范圍內(nèi)。

第二道輥鍛模具彎脖部位型腔和“拳頭”部位型腔等設(shè)計(jì)。第二道輥鍛模具彎脖部位型腔和“拳頭”部位型腔等截面的情況與設(shè)計(jì)第二道工字梁截面的方法類似，與第二道輥鍛件相對(duì)應(yīng)處截面的外形輪廓基本相同，不同之處在于輥鍛入口“拳頭”處為圓柱體，在模鍛時(shí)鍛成“拳頭”。由于該處截面大大超過(guò)計(jì)算毛坯圖上入口“拳頭”的截面積F1，所以飛邊會(huì)比其他部位要大一些。

輥鍛成形時(shí)，必須給輥鍛機(jī)送料機(jī)構(gòu)夾鉗的夾持部分留出一定的長(zhǎng)度，正好將其在模鍛時(shí)鍛成“拳頭”。所以計(jì)算毛坯圖必須作出修正。第二道輥鍛模具彎脖部位型腔的截面圖如圖6所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)好輥鍛件可做出第二道輥鍛件三維造型和輥鍛模三維造型，我公司M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛件如圖7所示。我公司所設(shè)計(jì)的M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛模的模具圖如圖8所示。

（2）第一道輥鍛模具型腔設(shè)計(jì) 根據(jù)本廠生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、第二道輥鍛相對(duì)應(yīng)各特征段和等體積原則反向設(shè)計(jì)第一道輥鍛型腔截面。第一道輥鍛生產(chǎn)的輥鍛件應(yīng)該是轉(zhuǎn)90°通過(guò)第二道輥鍛模進(jìn)行第二道輥鍛。正面介紹第一道輥鍛模具型腔設(shè)計(jì)。

工字梁部位。所設(shè)計(jì)第一道輥鍛模具工字梁型腔截面如圖9所示。在第一道輥鍛工字梁型腔截面中，第一道輥鍛間隙h52尺寸由公司設(shè)備剛度和運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙情況，參看圖9工字梁型腔截面。

因?yàn)榈谝坏垒佸懗尚渭D(zhuǎn)動(dòng)90°再進(jìn)行第二次輥鍛，所以要考慮第一道輥鍛模和第二道輥鍛模型腔之間的關(guān)系。我們是這樣考慮

式中b41為第一道輥鍛工字梁截面的寬；h51為第一道輥鍛工字梁截面的高；h11、b11尺寸見(jiàn)圖4。其Δ1值在7～10 mm內(nèi)，其Δ2值在3～5mm內(nèi)。取Δ1值為10 mm，Δ2值為5mm。第一道輥鍛模型腔的拔模斜度不能過(guò)大，一般取2°～3°，拔模斜度過(guò)大反而不利于型腔充滿。我們?nèi)?°。圖9中“A”處所指為兩個(gè)相對(duì)弧形凸起，這樣設(shè)計(jì)的目的是減少“工”字梁部位金屬體積，使在進(jìn)行第二道輥鍛時(shí)第二道輥鍛件飛邊有所減小。如第二道輥鍛后，輥鍛件飛邊過(guò)大，解決飛邊過(guò)大的方法是將第一道輥鍛模型腔中間堆焊加大弧形凸起，使型腔體積減小。

板簧座部位。所設(shè)計(jì)的第一道輥鍛模具板簧座截面如圖10所示。

b51為第一道輥鍛板簧座背（“工”字截面）的寬；h61為第一道輥鍛板簧座截面的高；b22、h21尺寸見(jiàn)圖5。Δ1值大致在為7～10mm，Δ2值大致為3～5mm內(nèi)，我們?nèi)ˇ?值為10 mm，△2值為5mm。第一道輥鍛模型腔的拔模斜度不能過(guò)大，一般取2°～3°，拔模斜度過(guò)大反而不利于型腔充滿。在進(jìn)行板簧座截面設(shè)計(jì)時(shí)，要注意限制板簧背部（“工”字截面）b51（見(jiàn)圖10）寬度，不限制板簧座b52（見(jiàn)圖11）展寬。

圖6 第二道輥鍛件入口彎脖截面圖

圖7 M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛件（全長(zhǎng)1722mm）

圖8 M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛模

圖9 第一道輥鍛模具工字梁型腔截面

圖10 中A處所指也是兩個(gè)弧形凸起，這樣設(shè)計(jì)目的是為減少板簧座部位金屬體積，使在進(jìn)行第二道輥鍛時(shí)第二道輥鍛件飛邊有所減小。如在第二道輥鍛后，輥鍛件飛邊過(guò)大，將第一道輥鍛型腔中間堆焊加大弧形凸起，使型腔體積減小即可收效。

彎脖部位。在設(shè)計(jì)第一道輥鍛模入口彎脖型腔時(shí)，第一道輥鍛模入口彎脖輥鍛模高度尺寸h41（見(jiàn)圖11）要比第二道輥鍛模入口彎脖寬度尺寸b31（見(jiàn)圖6）小2～4mm。如果兩者尺寸相等或者第一道輥鍛模入口彎脖輥鍛模高度尺寸h41要比第二道輥鍛模入口彎脖寬度尺寸b31大，輥鍛件在第二道輥鍛時(shí)入口彎脖容易出現(xiàn)迭料。其他地方尺寸的設(shè)計(jì)和第一道工字梁的方法相同，圖11為第一道輥鍛時(shí)輥鍛入口彎脖的型腔輪廓。

彎脖部位在第一道輥鍛成形后主要目的是為了制坯，供第二道輥鍛后還需通過(guò)模鍛成形，所以第一道輥鍛成形后只要求該部位有一定體積的金屬量即可。圖11中上下模內(nèi)有兩個(gè)圓弧形凸起，可通過(guò)對(duì)其大小修改調(diào)節(jié)第一次輥鍛后輥鍛件體積的大小。

夾鉗部位。夾鉗部位相當(dāng)于“拳頭”部位，弧長(zhǎng)70mm，在第一道輥鍛時(shí)不產(chǎn)生變形。第一道輥鍛型腔截面設(shè)計(jì)好后，要驗(yàn)證輥鍛模型腔截面面積不能比設(shè)計(jì)棒料的面積大。根據(jù)第二道輥鍛件各特征段的體積，可計(jì)算第一道相對(duì)應(yīng)各特征段的弧長(zhǎng)：因?yàn)榈诙垒佸懠澆辈课惑w積是932022.9146mm3，第一道彎脖型腔截面積是6213.517mm2，所以弧長(zhǎng)150mm。

板簧座部位。因?yàn)榈诙赖陌寤勺课惑w積是860913.4004mm3，第一道板簧座型腔截面積是6934.124mm2，所以弧長(zhǎng)124mm。

工字梁部位。因?yàn)榈诙赖墓ぷ至翰课惑w積是1202796.238mm3，第一道工字梁型腔截面積6754.384mm2，所以弧長(zhǎng)178 mm。

將各特征段設(shè)計(jì)好了以后的長(zhǎng)度相加，即可得到第一道輥鍛件的總長(zhǎng)度，這里是1044mm。所設(shè)計(jì)的終鍛輥鍛模的型槽各部尺寸如表2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)好的輥鍛件可做出第一道輥鍛件三維造型（見(jiàn)圖12）和第一道輥鍛模三維造型（見(jiàn)圖13）。輥鍛入口“拳頭”部位坯料相對(duì)應(yīng)于輥鍛機(jī)夾鉗夾持部位，不發(fā)生變形。在模鍛時(shí)將入口“拳頭”成形，因是原始毛坯尺寸，截面較大，所以會(huì)有較大的飛邊。

M4輕型載貨汽車前軸輥鍛成形模具設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求，所設(shè)計(jì)輥鍛模具已投入生產(chǎn)（見(jiàn)圖14），初步證明，采用本文所介紹的反向設(shè)計(jì)輥鍛模思路設(shè)計(jì)輥鍛模具，合理可行。

圖10 第一道輥鍛模具板簧座截面

圖11 第一道輥鍛入口彎脖

圖12 第一道輥鍛件（1044mm）

圖13 第一道輥鍛模

圖14 輥鍛件照片

表2 M4輕卡前軸第一道輥鍛模各特征段部位相對(duì)應(yīng)扇形角度