低底盤商用車前軸鍛造工藝改進(jìn)與優(yōu)化

文／潘海江，武絡(luò)，霍威，葉婷婷，李晶·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)富成鍛造有限責(zé)任公司

前軸是大型商用車底盤系統(tǒng)的重要零部件之一，其形狀復(fù)雜，使用中會(huì)承受較大的沖擊載荷，特別是在車輛行進(jìn)當(dāng)中會(huì)承擔(dān)一半以上的車輛總負(fù)荷，因此生產(chǎn)中對(duì)其綜合性能要求較高。市場(chǎng)上前軸的基本生產(chǎn)工藝主要為鍛造，以確保產(chǎn)品具有較高的綜合性能。

國(guó)內(nèi)前軸鍛件的典型生產(chǎn)工藝

錘上模鍛工藝

國(guó)內(nèi)一些廠家采用10t、16t 模鍛錘對(duì)前軸進(jìn)行整體性鍛造生產(chǎn)，同時(shí)采用自由鍛制坯，該方式的不足之處主要表現(xiàn)為生產(chǎn)時(shí)需進(jìn)行多次加熱，鍛件質(zhì)量不高，廢品率較高，生產(chǎn)效率和模具壽命低，但適用于多品種小批量生產(chǎn)方式。

熱模鍛壓力機(jī)鍛造工藝

同錘上鍛造相比，采用該種生產(chǎn)方式完成的前軸毛坯具有顯著的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)為：加工余量小、尺寸精度高、模鍛斜度小、鍛件質(zhì)量穩(wěn)定等，適合在機(jī)加工自動(dòng)線上加工，后續(xù)加工量小，一般設(shè)計(jì)成自動(dòng)線。

前軸成形輥鍛生產(chǎn)工藝

由于此生產(chǎn)工藝具有投資少、模具投入費(fèi)用低、適合多品種生產(chǎn)以及毛坯綜合成本低的特點(diǎn)，該工藝被主要前軸生產(chǎn)廠家所青睞，但也具有因部分生產(chǎn)缺陷導(dǎo)致產(chǎn)品誤差大、長(zhǎng)度尺寸難保證以及因局部充型不足而補(bǔ)焊率較高的劣勢(shì)。湖北三環(huán)是國(guó)內(nèi)較早使用輥鍛工藝生產(chǎn)前軸的廠家，隨著鍛造工藝及水平的不斷提高，大部分生產(chǎn)線都改造為精密輥鍛-整體模鍛工藝。

前軸精輥－模鍛工藝

前軸精輥－模鍛工藝是我國(guó)針對(duì)前軸產(chǎn)品自主開發(fā)的新型成形工藝技術(shù)，與其他工藝技術(shù)相比，利用該種工藝技術(shù)生產(chǎn)的鍛件，其表面質(zhì)量、尺寸精度基本相當(dāng)，但總體設(shè)備投資卻減少了90%左右。該成形工藝的主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 前軸精輥－模鍛工藝主要技術(shù)指標(biāo)

開發(fā)產(chǎn)品介紹

本次開發(fā)低底盤客車前軸鍛件產(chǎn)品成雙落差結(jié)構(gòu)，同時(shí)板簧座位于中間部位呈花瓣?duì)?。較以往開發(fā)的重卡前軸形狀和結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，經(jīng)計(jì)算，該低底盤客車前軸鍛件的鍛造復(fù)雜系數(shù)S=mf/mn=0.148。按評(píng)定準(zhǔn)則S ≤0.16，故此前軸鍛件屬于復(fù)雜類鍛件。開發(fā)的目標(biāo)產(chǎn)品三維實(shí)體如圖1 所示。

圖1 鍛件三維實(shí)體

工藝方案制定

此項(xiàng)目前軸鍛件的總長(zhǎng)尺寸精度要求較高，公差范圍??；鍛件除加工橋拳、板簧座外，其他表面全部為非加工面；板簧座位于中間拐角處且呈花瓣形狀，從鍛造成形方面來說，板簧座不易充滿模膛。

根據(jù)產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合產(chǎn)品的外形尺寸及鍛件鍛重，考慮到產(chǎn)品表面大部分為非加工面，必須保證產(chǎn)品表面精度，公司只有16000t 壓力機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線能夠滿足此前軸加工要求。通過項(xiàng)目組多次討論，制定了此前軸在16000t 生產(chǎn)線上的鍛造工藝方案(圖2）。

為了確保此低底盤客車前軸研制開發(fā)的成功，項(xiàng)目組從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等幾個(gè)方面進(jìn)行了全面控制，確保產(chǎn)品研制過程處于受控狀態(tài)，保證產(chǎn)品最終質(zhì)量。

鍛件研制過程中的難點(diǎn)分析

鍛件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成形困難

該研制產(chǎn)品為雙落差結(jié)構(gòu)，板簧座位于中間拐角處并呈花瓣?duì)?，此處模具模膛上?huì)形成深而窄的溝槽，不利于金屬流動(dòng)，不易充滿模膛。同時(shí)，由于板簧座一側(cè)形狀呈現(xiàn)高而窄的結(jié)構(gòu)，熱能損失快，溫度下降明顯，金屬流動(dòng)性變差，對(duì)板簧座的充滿更加不利。

圖2 前軸鍛造工藝方案

外觀質(zhì)量要求高

依據(jù)該產(chǎn)品的鍛件圖和零件圖，此前軸鍛件除加工橋拳兩端面、主銷孔和板簧座兩側(cè)外，其他表面全部為非加工面，鍛件表面外觀質(zhì)量要求高。

鍛件落差過大

產(chǎn)品所用生產(chǎn)線，在設(shè)計(jì)主機(jī)模板時(shí)，是以三工步鍛造工藝為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，相對(duì)鍛件寬度方向的頂桿孔位置調(diào)整量較小。此客車前軸整體落差過大，已達(dá)到355mm，若按正常模具分布設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致此前軸無法正常生產(chǎn)。

解決措施

重新設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)

針對(duì)低底盤客車前軸雙落差結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有主機(jī)模板的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)。結(jié)合鍛件本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，特將該前軸的模具設(shè)計(jì)成為一體模(圖3）。因前軸落差過大，壓彎模下模無法實(shí)現(xiàn)裝夾，故下模將壓彎、預(yù)鍛、終鍛模膛設(shè)計(jì)為一體模；為實(shí)現(xiàn)鍛件的順利頂出，上下預(yù)、終鍛中間頂桿共用一組頂出橫梁。

圖3 上下模結(jié)構(gòu)

優(yōu)化壓彎頂桿結(jié)構(gòu)

原模板壓彎處的頂桿孔為φ100mm的兩個(gè)通孔，孔中心距為800mm。而該前軸的板簧座內(nèi)側(cè)距離約為1000mm，使用原位置頂出坯料，會(huì)導(dǎo)致頂出過高與部分機(jī)械干涉，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致坯料側(cè)翻的現(xiàn)象，所以需對(duì)壓彎頂桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化方案如圖4 所示，采用杠桿連接，對(duì)模板局部進(jìn)行調(diào)整后，將頂出位置更改到中間位置，其頂出塊長(zhǎng)度避讓開3 號(hào)機(jī)械手，防止干涉。

圖4 壓彎頂出結(jié)構(gòu)和杠桿

模擬情況

⑴模擬參數(shù)的設(shè)置。

輥鍛的模擬參數(shù)如表2 所示。

表2 輥鍛模擬參數(shù)

⑵輥鍛的模擬結(jié)果。

受設(shè)備局限，輥鍛機(jī)最多設(shè)計(jì)兩道次模膛。圖5 所示為坯料經(jīng)過兩道次輥鍛后的模擬結(jié)果及能量曲線。

⑶壓彎的模擬結(jié)果。

圖6 所示為壓彎后坯料的基本外形和打擊力曲線，壓彎打擊力為3t，壓彎后的徑向截面變化較大。

圖6 壓彎模擬及打擊力

⑷預(yù)鍛模擬問題。

壓彎后將坯料放入預(yù)鍛模膛后進(jìn)行模擬，分析在預(yù)鍛模膛內(nèi)坯料的流動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)靠近外板簧座的相對(duì)位置可能是產(chǎn)品產(chǎn)生缺陷的主要位置(圖7），對(duì)優(yōu)化整體鍛造工藝起到很大幫助。

圖7 預(yù)鍛模擬情況

⑸終鍛模擬情況。

在終鍛時(shí)，因板簧座位置處于拐角處，此處不易充滿模膛；板簧座相對(duì)位置因截面變化較大，局部金屬流動(dòng)方向發(fā)生改變?cè)斐烧郫B傷(圖8）。

圖8 終鍛模擬情況

優(yōu)化方案

⑴優(yōu)化輥鍛毛坯。

通過數(shù)值模擬分析，預(yù)鍛板簧座外側(cè)坯料在成形過程中，金屬充滿此處模膛后迅速向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，與工字梁處的坯料匯合產(chǎn)生折疊傷。針對(duì)此問題，在保證鍛件充滿的狀態(tài)下，優(yōu)化輥鍛毛坯，減小板簧座外側(cè)預(yù)留的坯料(圖9）。

圖9 優(yōu)化輥鍛毛坯前后

⑵優(yōu)化預(yù)鍛和壓彎模膛。

根據(jù)終鍛模擬情況，因前軸板簧座位于中間拐角處，又呈花瓣形狀，故板簧座內(nèi)側(cè)花瓣不易充滿。針對(duì)此問題對(duì)預(yù)鍛模膛局部進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)將壓彎模膛板簧座處的形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化為“心”形截面，具體結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

圖10 預(yù)鍛和壓彎優(yōu)化

切邊模優(yōu)化

為提高模具壽命，延緩陰模磨損，保證自動(dòng)化生產(chǎn)線順利生產(chǎn)，將切邊陰模刃口結(jié)構(gòu)優(yōu)化為階梯式(圖11）。

圖11 優(yōu)化后的陰模

圖12 低底盤客車前軸鍛件實(shí)物

試生產(chǎn)

經(jīng)過鍛造生產(chǎn)試制以及最終的探傷和檢驗(yàn)，試制結(jié)果如下：

⑴鍛件尺寸滿足圖紙要求，表面質(zhì)量良好，鍛件檢測(cè)合格，滿足批量生產(chǎn)要求。

⑵對(duì)熱處理后的鍛件進(jìn)行機(jī)械性能檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合圖紙要求，產(chǎn)品實(shí)物如圖12 所示。

結(jié)論

通過工藝改進(jìn)與試生產(chǎn)驗(yàn)證，工藝參數(shù)及工藝流程方案合理可行，可指導(dǎo)批量生產(chǎn)；現(xiàn)有的低底盤客車前軸生產(chǎn)設(shè)備、工裝、檢測(cè)手段能夠滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求；試生產(chǎn)的前軸鍛件各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均達(dá)到圖紙、標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求，用戶試加工后能夠滿足其使用要求。