某重型卡車(chē)前軸精密輥鍛工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王 星，劉 寧，潘琪琛，朱 騰，陳文琳

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽合肥汽車(chē)鍛件有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

作為重型商用車(chē)的重要保安件之一，前軸在汽車(chē)行駛過(guò)程中承受較大載荷，要求具有較高的強(qiáng)度和較長(zhǎng)的疲勞使用壽命[1,2]。目前，國(guó)內(nèi)前軸成形主要采用精密輥鍛-模鍛成形工藝。輥鍛成形工藝的特點(diǎn)是材料利用率高達(dá)85%以上，所用設(shè)備壓力小、鍛件精度高、表面質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高[3]。但精密輥鍛-模鍛成形工藝較復(fù)雜，需考慮各道次間縱向尺寸的合理匹配及“工”字筋和座板等難成形部位對(duì)應(yīng)型腔填充程度等因素，造成前軸在實(shí)際生產(chǎn)前需要反復(fù)調(diào)試，工藝設(shè)計(jì)難度大及周期長(zhǎng)。

以某重型卡車(chē)前軸為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，針對(duì)“工”字筋填充不滿(mǎn)的問(wèn)題，利用有限元分析軟件分析“工”字筋變形過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律，優(yōu)化輥鍛模具，最終生產(chǎn)符合要求的前軸鍛件，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

1 重型卡車(chē)前軸的工藝設(shè)計(jì)

1.1 前軸結(jié)構(gòu)分析

某重型卡車(chē)前軸熱鍛件如圖1所示，所用材料為42CrMo，理論質(zhì)量為112 kg，兩拳頭主銷(xiāo)孔距離為（1 868.7±3）mm，兩座板中心距為（890.6±1）mm，要求座板中心與兩主銷(xiāo)孔中心連線(xiàn)的偏移量不大于1.0 mm。前軸屬于大型長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件，沿軸向方向各部位截面變化大，其中“工”字筋筋部高度為101.2 mm，中間壁厚為18.2 mm，筋板高度與壁厚之比大于5，此處成形時(shí)金屬流動(dòng)劇烈，常出現(xiàn)“工”字筋筋部末端填充不滿(mǎn)的情況。在工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提高金屬在高度方向的填充率[4]。

圖1 前軸熱鍛件

1.2 輥鍛工藝方案

輥鍛制坯是決定前軸終鍛成形的關(guān)鍵，其道次的正確選擇關(guān)系輥鍛件的成形和生產(chǎn)效率，毛坯直徑的正確選擇關(guān)系到難成形區(qū)域是否充滿(mǎn)、材料的利用率及模具使用壽命等。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況和相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確定該前軸輥鍛成形為3道次精密輥鍛，減少終鍛成形力，以減小終鍛所需設(shè)備的壓力。根據(jù)體積相等原則和金屬流動(dòng)規(guī)律，經(jīng)計(jì)算，初步確定原始毛坯尺寸為φ140 mm。

根據(jù)前軸的鍛件形狀，可將前軸分為鉗口、拳頭、頸部、座板、“工”字筋5個(gè)特征區(qū)域。按照3個(gè)道次的輥鍛件各特征區(qū)域體積相等的原則對(duì)前軸進(jìn)行輥鍛設(shè)計(jì)。因?yàn)殄懠趶澢^(guò)程中，外側(cè)部分因拉伸變形而拉薄變窄，內(nèi)側(cè)部分則變寬，在設(shè)計(jì)時(shí)彎曲部分應(yīng)保留足夠的余料。

為了方便對(duì)前軸輥鍛模結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，采用參數(shù)化建模的方法對(duì)3個(gè)道次的模具進(jìn)行三維建模[5]，如圖2所示。

圖2 輥鍛模的三維造型

2 前軸精密輥鍛-整體模鍛有限元模型的建立

建立的前軸精密輥鍛-整體模鍛有限元模型如圖3、圖4所示。為保證有限元分析模型分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，模具溫度、始鍛溫度、輥鍛機(jī)轉(zhuǎn)速等設(shè)置都與實(shí)際生產(chǎn)一致。模具設(shè)為剛性體，初始溫度為250℃。坯料為42CrMo，初始溫度為1 150℃。采用純剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)取0.6[6-9]，彎曲、終鍛時(shí)摩擦因數(shù)為0.3。輥鍛上、下模旋轉(zhuǎn)速度為1.57 rad/s，上、下鍛輥中心距為990 mm。前軸彎曲、整體模鍛下行速度為400 mm/s[10]。

圖3 前軸精密輥鍛有限元模型

圖4 彎曲與整體模鍛有限元模型

3 “工”字筋輥鍛型腔的優(yōu)化

3.1 “工”字筋孔型設(shè)計(jì)

“工”字筋采用三道次成形，第一道次輥鍛件完成各特征區(qū)域坯料的分配后旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)入第二道次輥鍛模；第二道次“工”字筋的截面形狀與第三道次類(lèi)似，但筋部高度與中部壁厚大于第三道次，保證第三道次“工”字筋的成形以鐓粗為主；第二道次輥鍛結(jié)束后坯料直接進(jìn)入第三道次進(jìn)行最終成形，不需要旋轉(zhuǎn)90°。“工”字筋截面孔型設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 “工”字筋截面孔型

3.2 “工”字筋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

通過(guò)終鍛模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)“工”字筋部位對(duì)應(yīng)型腔有填充不滿(mǎn)的現(xiàn)象，如圖6（a）所示。針對(duì)這一現(xiàn)象對(duì)“工”字筋的模膛進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 終鍛“工”字筋填充情況

（1）通過(guò)減小第二道次“工”字筋截面的圓角半徑，使金屬在進(jìn)入“工”字筋頂部時(shí)受高度方向的壓力減小，有利于“工”字筋頂部的填充。

（2）將第二道次“工”字筋截面頂部寬度增大，保證“工”字筋在第三道次有足夠的金屬進(jìn)行填充。模具經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，第三道次“工”字筋由圖7（a）所示的填充不滿(mǎn)變?yōu)閳D7（b）所示的大致充滿(mǎn)，最終鍛造結(jié)果如圖6（b）所示，“工”字筋已經(jīng)完全充滿(mǎn)[11,12]。

圖7 第三道次“工”字筋填充情況

4 物理試驗(yàn)

將坯料置于中頻爐加熱至1 170℃，經(jīng)過(guò)三道次輥鍛、彎曲、終鍛、切邊、校正后得到前軸鍛件如圖8所示，鍛件充型飽滿(mǎn)，尺寸合格，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖8 前軸鍛件

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)有限元模擬和物理試驗(yàn)相結(jié)合的方法得到了符合要求的前軸鍛件，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)前軸“工”字筋填充不滿(mǎn)的問(wèn)題提出改進(jìn)措施，最終生產(chǎn)的前軸鍛件充型飽滿(mǎn)，滿(mǎn)足尺寸要求。