重型汽車前軸精確鍛造成形技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用

湖北神力鍛造有限責(zé)任公司 湖北十堰 442700

近年來(lái)，隨著低碳生活觀念逐步深入人心，國(guó)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)約型及環(huán)境友好型社會(huì)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(duì)于重型貨車行業(yè)，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力、電動(dòng)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，故車身輕量化已成為目前重型貨車行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實(shí)而又最有效的技術(shù)措施。針對(duì)鍛造行業(yè)來(lái)說(shuō)，利用最少的原材料通過(guò)模具優(yōu)化設(shè)計(jì)精確鍛造出高質(zhì)量的鍛件則是車身輕量化的基礎(chǔ)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝路線

公司生產(chǎn)的重型汽車前軸（見圖1）主要用于支撐車輛重量、轉(zhuǎn)向機(jī)件和懸吊支架，其幾何形狀復(fù)雜、技術(shù)要求嚴(yán)格，是汽車承受載荷較大的重要安保件。針對(duì)該主打產(chǎn)品，公司積極開展節(jié)能減排、降本增效活動(dòng)，以工藝技術(shù)創(chuàng)新來(lái)降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)企業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的持續(xù)發(fā)展。

圖1 前軸結(jié)構(gòu)示意

該零件主要制造工藝流程如下：坯料鋸切→坯料加熱→輥鍛成形→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)。

明確鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)

1.輥鍛預(yù)成形

輥鍛是使金屬坯料在一對(duì)旋轉(zhuǎn)的輥鍛模具中通過(guò)，借助模具型槽對(duì)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(lái)的一種特種鍛造工藝。其原理如圖2所示。

圖2 輥鍛原理

輥鍛成形的特點(diǎn)是：所需設(shè)備噸位??；生產(chǎn)效率高；鍛件具有好的金屬流線；勞動(dòng)條件好；易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)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)束后的鍛件接近成品，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

N＝lgλ/lgλ平

式中λ——總的延伸系數(shù)，λ＝F0/Fmin，F(xiàn)min－輥鍛件最小截面積；

λ平——平均延伸系數(shù)，λ平一般取1.5～2.5，對(duì)于前軸λ平＝1.6。

代入上式得：N≈2.8。

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）孔形設(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)成形輥鍛后鍛件的截面形狀，即孔形圖。再考慮金屬的熱脹冷縮、前滑和后滑值及周長(zhǎng)比等因素，確定第一次預(yù)成形輥鍛和制坯輥鍛的的壓下量和展寬量，進(jìn)而獲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)每道次輥鍛的孔形圖，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(guò)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、展寬量及前滑值等形變參數(shù)，最終得到理想的輥鍛模具形狀。

圖3 輥鍛數(shù)值模擬

2.成形壓彎

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(guò)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(zhǎng)期的生產(chǎn)過(guò)程中，鍛件法蘭部位充不滿一直是一個(gè)難以解決的問(wèn)題。通過(guò)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（見圖5），同時(shí)減小壓板槽的長(zhǎng)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(duì)前軸施加彎曲力的同時(shí)，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(shí)彈簧座處完全充滿。

圖5 壓彎模結(jié)構(gòu)

3.預(yù)鍛模具設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)預(yù)成形輥鍛、壓彎后，接著的預(yù)鍛對(duì)于鍛件最終成形也非常關(guān)鍵。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(shí)應(yīng)特別注意在此處適當(dāng)增加分料。

圖6 鍛造時(shí)的變形過(guò)程及特征

通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)的總結(jié)，預(yù)鍛模設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則：

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)減小。

2）預(yù)鍛工步比終鍛工步厚2～4mm（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%。

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?gòu)哪Ｌ胖辛鞒龅淖枇Γ偈菇饘俪錆M模膛，同時(shí)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。因此針對(duì)前軸不同部位，通過(guò)對(duì)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(cāng)部位置飛邊過(guò)大產(chǎn)生的材料浪費(fèi)，同時(shí)保證頂桿部位飛邊的強(qiáng)度，確保鍛造過(guò)程中鍛件的頂出效果。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地降低鍛造噸位，這樣非常有利于對(duì)設(shè)備及模具等的保護(hù)。

圖7 鍛模飛邊槽

5.階梯式切邊

為防止重型汽車前軸鍛件因飛邊尺寸過(guò)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(dòng)作分段完成，減小設(shè)備負(fù)荷。切邊時(shí)凹模首先接觸前軸中段，再至兩端，動(dòng)作連續(xù)但設(shè)備負(fù)荷降低，對(duì)設(shè)備起到了有效的保護(hù)，從而降低了設(shè)備負(fù)荷和噪聲，提高了模具壽命。

結(jié)語(yǔ)

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、成形壓彎、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)，優(yōu)化汽車前軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品本身重量，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。