重型汽車前軸精確鍛造成型技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

劉萬勇，羅永宏，劉志敏，劉中陽，奚建勝

重型汽車前軸精確鍛造成型技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

劉萬勇，羅永宏，劉志敏，劉中陽，奚建勝

（湖北神力鍛造有限責(zé)任公司，湖北 十堰 442700）

隨著鍛造行業(yè)市場，競爭的日趨激烈，產(chǎn)品質(zhì)量和降本提效是企業(yè)所追求的目標(biāo)，利用最少的原材料通過模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，精確鍛造出高質(zhì)量的鍛件則是降本提效的關(guān)鍵手段。本文以熱鍛模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)踐為基礎(chǔ)，論述了精確鍛造成型技術(shù)及模具設(shè)計(jì)技巧，通過各工序工藝參數(shù)優(yōu)化，形成了一套完整的重型汽車前軸精確鍛造成型技術(shù)，并應(yīng)用于實(shí)踐。

前軸；精確鍛造；成型技術(shù)；開發(fā)應(yīng)用；重型汽車

近年來,隨著低碳生活觀念逐步深入人心,國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步建立和實(shí)施,資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)步伐的加快,汽車節(jié)能已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)關(guān)鍵性研究課題。研究表明,減輕汽車自身重量,是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性、降低汽車CO2排放的有效措施之一。尤其是對于重卡行業(yè),因?yàn)榛旌蟿恿?、純電動和燃料電池等新能源汽車技術(shù)的應(yīng)用困難重重和前景不明,故輕量化已成為目前重卡行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實(shí)而又最有效的技術(shù)措施。針對鍛造行業(yè)來說，利用最少的原材料通過模具優(yōu)化設(shè)計(jì)精確鍛造出高質(zhì)量的鍛件則是輕量化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝路線

汽車前軸，又名前橋，用于安裝前輪，支撐汽車前部重量，用前懸架與車架連接，其形狀復(fù)雜，承受多向載荷，特別是沖擊載荷，特別是汽車在下坡急剎車時，前軸將承受汽車負(fù)荷的2/3，其強(qiáng)度剛度及疲勞壽命等指標(biāo)的高低直接影響到汽車傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性和整車的安全性。因此，一般的輕型車和重型車前軸都必須采用模鍛成型，以保證汽車前軸的強(qiáng)度和疲勞壽命。如圖1，公司生產(chǎn)的重型汽車前軸，針對該主打產(chǎn)品，公司積極開展節(jié)能減排、降本增效，以工藝技術(shù)創(chuàng)新來降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)長期穩(wěn)定的持續(xù)發(fā)展。該零件主要制造工藝流程如下：坯料鋸切——坯料加熱——輥鍛成型——壓彎——預(yù)鍛——終鍛——飛邊切除——熱態(tài)校直——控溫冷卻——出廠檢驗(yàn)。

圖1 重型汽車前軸

2 精確鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)

2.1 輥鍛預(yù)成型

圖2 輥鍛原理

輥鍛是使金屬坯料在一對旋轉(zhuǎn)的輥鍛模具中通過，借助模具型槽對金屬坯料施加的壓力使其產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需要的鍛件或鍛坯，是由軋制工藝應(yīng)用于鍛造生產(chǎn)中而發(fā)展起來的一種特種鍛造工藝。其原理如圖2所示。輥鍛成形的特點(diǎn)是[1]：所需設(shè)備噸位?。簧a(chǎn)效率高；鍛件具有好的金屬流線；勞動條件好；易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化。

因重型汽車前軸尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若依靠預(yù)鍛和終鍛完成大部分變形，則要求壓力機(jī)的公稱壓力很大，且模具壽命低，工藝穩(wěn)定性差，因此考慮利用多道次輥鍛完成大部分變形，而預(yù)鍛和終鍛只分擔(dān)小部分變形量，以改善壓力機(jī)和模具的受力條件，提高工藝穩(wěn)定性。

（1）確定輥鍛道次

要求輥鍛結(jié)束后的鍛件接近產(chǎn)品，因此在最終熱鍛件的截面上，增加少量的余量即為輥鍛后鍛件的截面，以此為依據(jù)，按下式初步確定輥鍛道次N[2]：

根據(jù)輥鍛道次的近似計(jì)算以及工藝分析，最終確定輥鍛道次為三道次，即制坯輥鍛、第一次預(yù)成形輥鍛和第二次預(yù)成形輥鍛。

（2）孔型設(shè)計(jì)

采用逆推法，根據(jù)最終熱鍛件截面形狀，加上少量余量后，在CAD軟件中繪制出第二次預(yù)成型輥鍛后鍛件的截面形狀，即孔型圖[3]。再考慮金屬的熱脹冷縮、前滑和后滑值、周長比等因素[4]，確定第一次預(yù)成型輥鍛和制坯輥鍛的壓下量和展寬量，進(jìn)而得這兩道輥鍛后鍛件的截面圖。

（3）輥鍛模具設(shè)計(jì)

依據(jù)每道次輥鍛的孔型圖，在CAD軟件中做出三維輥鍛模具。

（4）數(shù)值分析

把生成的輥鍛模具，導(dǎo)入到專業(yè)的鍛造成形模擬軟件DEFORM_3D中，模擬其變形過程，如圖3所示，根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化每道次的截面形狀、壓下量、展寬量、前滑值等形變參數(shù)[5]，最終得到理想的輥鍛模具形狀。

圖3 輥鍛數(shù)值模擬

2.2 成型壓彎

輥鍛完成后，鍛件各部位的橫截面已預(yù)成形，但鍛件仍是直的，通過壓彎，把鍛件彎成前軸所需的形狀，如圖4所示：

圖4 壓彎

在長期生產(chǎn)過程中，鍛件法蘭部位充不滿一直是一個難以解決的問題[6]。通過不斷摸索，創(chuàng)造性地在壓彎模具上開設(shè)V形槽，型腔槽側(cè)面成30-40°夾角，型槽內(nèi)倒圓角R40如圖5所示，同時減小壓板槽的長度以提高模具強(qiáng)度，降低模具開裂的風(fēng)險(xiǎn)。此結(jié)構(gòu)在對前軸施加彎曲力的同時，分擔(dān)了少量的截面變形，改善了金屬的分配，保證了后續(xù)鍛造時彈簧座處完全充滿[7]。

圖5 壓彎模結(jié)構(gòu)

2.3 預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)

經(jīng)過預(yù)成型輥鍛、壓彎后，接著的預(yù)鍛對于鍛件最終成型也非常關(guān)鍵[8]，根據(jù)以往前軸生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，以及DEFORM_3D軟件模擬結(jié)果，如圖6所示，板簧座法蘭處一般較難充滿，因此在設(shè)計(jì)預(yù)鍛模時應(yīng)特別注意在此處適當(dāng)增加分料。通過實(shí)際生產(chǎn)的總結(jié)，預(yù)鍛模設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下3點(diǎn)原則：

圖6 鍛造時的變形過程及特征

（1）為使預(yù)鍛件易于放進(jìn)終鍛模膛，預(yù)鍛件內(nèi)外側(cè)尺寸應(yīng)比終鍛件小0.5mm左右，在不影響定位的前提下，預(yù)鍛工步可以比終鍛工步垂直鍛造方向尺寸適當(dāng)減?。?/p>

（2）預(yù)鍛工步比終鍛工步厚2mm至4mm（鍛造方向），有利用于終鍛的鐓粗成形。

（3）預(yù)鍛工步的體積比終鍛工步的體積大5%～15%。

2.4 終鍛模具設(shè)計(jì)

按常規(guī)方法，設(shè)計(jì)出終鍛模膛。

熱模鍛壓力機(jī)上前軸的終鍛屬于開式熱模鍛，鍛模上飛邊槽的作用是增加金屬從模膛中流出的阻力，促使金屬充滿模膛，同時容納多余金屬。飛邊槽橋部的寬高比b/h，是控制金屬流出模膛阻力的關(guān)鍵參數(shù)，如圖7所示，

圖7 鍛模飛邊槽

因此針對前軸不同部位，通過對飛邊橋部高度h和寬度b以及R角等參數(shù)的合理匹配，可以控制飛邊的形狀和分布，從而減少由于倉部位置飛邊過大產(chǎn)生的材料浪費(fèi)，同時保證頂桿部位飛邊的強(qiáng)度，確保鍛造過程中鍛件的頂出效果[12]。應(yīng)用此技術(shù)，可使飛邊厚度相應(yīng)變小，飛邊質(zhì)量下降1-2kg；而且還可以較大幅度的降低鍛造噸位，這樣非常有利于對設(shè)備及模具等的保護(hù)。

2.5 階梯式切邊

為防止重型汽車前軸鍛件因飛邊尺寸過大而使切邊壓力機(jī)超負(fù)荷工作，切邊凹模刃口設(shè)計(jì)為階梯狀，使切邊動作分段完成，減小設(shè)備負(fù)荷。切邊時凹模首先接觸前軸中段，再至兩端，動作連續(xù)但設(shè)備負(fù)荷降低，對設(shè)備起到了有效的保護(hù)，從而降低了設(shè)備負(fù)荷和噪音，提高了模具壽命。

3 結(jié)語

本工藝技術(shù)著重于汽車前軸鍛件的精確成形和輕量化，將三道次精確輥鍛預(yù)成形、成型壓彎、變截面飛邊控制及階梯式切邊等工藝技術(shù)運(yùn)用于汽車前軸的鍛造生產(chǎn)，有效解決了鍛造成型問題，由于鍛造成型問題的解決，為減小鍛造拔模等奠定了基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了降低產(chǎn)品本身重量，并進(jìn)一步提高前軸鍛件的材料利用率，是重型汽車前軸鍛造工藝領(lǐng)域的一次創(chuàng)新應(yīng)用。

[1]王仲仁.鍛壓手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1993.

[2]孫友余.鍛模設(shè)計(jì)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1991.

[3]陶善虎,肖來斌,秦學(xué)楓,陳力,陳文琳.汽車半軸鍛造成形工藝設(shè)計(jì)[J].鍛壓技術(shù),2017, 42(12):6-10.

[4]呂霄.輕量化汽車前軸成形工藝研究[D]. 武漢理工大學(xué),2017.

[5]劉元偉,沈輝,張露,李建波.汽車前軸輥鍛模的表面堆焊再制造技術(shù)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù), 2016,51(2):113-116.

[6]Wuhao Zhuang, Lin Hua, Xiaowen Wang, et al. The influences of process parameters on the preliminary roll-forging process of the AISI-1045 automobile front axle beam. Journal of Mechanical Science and Technology, 2016, 30(2):837-846.

[7]李海峰.汽車前軸鍛造工藝改進(jìn)研究[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015,34(11):11-12.

[8]韓木林,吳順達(dá).汽車前軸鍛造工藝改進(jìn) 研究[J].鍛壓技術(shù),2010,35(5):173-177.

TG311

A

1672-1047（2020）06-0129-03

10.3969/j.issn.1672-1047.2020.06.34

2020-11-02

劉萬勇，男，湖北丹江口人，產(chǎn)品開發(fā)部主任工程師。研究方向：汽車前軸鍛造工藝、模具壽命提升等。

[責(zé)任編輯：聶進(jìn)]