共軌系統(tǒng)油軌分段加熱分段擠壓成形工藝研究

文／莊曉偉·江蘇龍城精鍛集團有限公司

楊程·西安建筑科技大學(xué)

高壓共軌系統(tǒng)可實現(xiàn)壓力可調(diào)、獨立控制噴油正時、噴油速率變化和噴油量，其控制精度高，高壓油路中不會出現(xiàn)氣泡和殘壓為零的現(xiàn)象，可提高燃油效率和降低排放，在國家相關(guān)節(jié)能降耗的產(chǎn)業(yè)政策指引下，應(yīng)用越來越廣泛，高壓共軌系統(tǒng)如圖1 所示。

油軌在高壓共軌系統(tǒng)中屬于關(guān)鍵零部件，因其具有復(fù)雜枝杈類形狀，導(dǎo)致生產(chǎn)難度較高。傳統(tǒng)的油軌一般采用開式模鍛制坯，然后機加工內(nèi)孔的方式獲得，存在著加工余量大、原材料浪費嚴(yán)重，工序多、生產(chǎn)效率低下，切邊時金屬流線被切斷破壞組織的完整性，力學(xué)性能難以保證等問題，油軌鍛件如圖2 所示。

圖1 高壓共軌系統(tǒng)

隨著汽車提升燃油效率和降低排放的要求越發(fā)嚴(yán)格，油軌需要承受越來越高的內(nèi)壓，對其性能提出了更高的要求。采用閉式熱擠壓的方法能很好地避免上述問題，閉式熱擠壓時金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)下，成形件具有金屬流線完整、力學(xué)性能好，不需要切邊等工序、節(jié)約原材料，成形工序少、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。但是閉式熱擠壓油軌時，由于坯料鐓粗貼模，金屬沿軸向流動距離長，摩擦力大，導(dǎo)致四個枝杈模腔難以充滿，尤其是中間的兩個枝杈。即使采用多步成形，由于摩擦和溫度下降等導(dǎo)致坯料流動困難，也不能充滿模腔。且擠壓沖頭如長時間和高溫坯料接觸，溫度升高會導(dǎo)致其強度大幅下降。

圖2 油軌鍛件

工藝規(guī)劃

為實現(xiàn)多枝杈油軌的閉式擠壓成形，本文設(shè)想了局部加熱+兩步擠壓成形的工藝。

第一步，對需要變形的中部進行加熱，然后將坯料放入預(yù)鍛模中擠壓，和擠壓沖頭接觸的坯料溫度較低，成形初期難以發(fā)生鐓粗，變形只集中在中部需要充填的部位，完成中間枝杈的成形。由于成形時只有中部的坯料貼模，坯料流長減少，摩擦阻力大幅下降，有利于材料流動和中間型腔的充填，成形載荷也大幅下降。

第二步，將預(yù)鍛件取出，對兩端需要變形的區(qū)域進行加熱，然后放入終鍛模腔中，完成兩端枝杈的成形。此時變形只集中在兩端需要充填的部位，中間已變形區(qū)基本不產(chǎn)生變形，這樣終鍛時摩擦阻力也大幅下降，坯料經(jīng)再次加熱后流動性好，利于兩端型腔的充填。

工藝驗證

為驗證該設(shè)想，采用有限元方法對四個工序進行模擬，分別為：加熱坯料中部、預(yù)鍛(完成中部型腔充填)、兩端加熱、終鍛(完成兩端型腔充填)。模擬工藝參數(shù)如表1 所示。

工序一：將坯料中部區(qū)域進行感應(yīng)加熱，如圖3所示，將坯料中部溫度加熱至始鍛溫度并均溫一定時間，加熱區(qū)域長度L1 由需要變形的金屬體積計算獲得。

工序二：預(yù)鍛，如圖4 所示，將中部加熱好的坯料放置在預(yù)鍛下模上，預(yù)鍛上模和預(yù)鍛下模合模并保持一定的合模力，防止坯料擠入預(yù)鍛上模和預(yù)鍛下模的間隙中。左右沖頭同時以相同的速度擠壓坯料，變形發(fā)生在坯料加熱的中部，流入預(yù)鍛下模的中間模腔中，直至充滿中間模腔。圖5 為預(yù)鍛完成后坯料的貼模情況，從圖中可見中間型腔部位已完全充滿，而兩端還有大量未貼模部位，可有效減少摩擦。預(yù)鍛完成后，預(yù)鍛上模打開，將預(yù)鍛件從預(yù)鍛下模中頂出，獲得如圖6 所示的預(yù)鍛件，可見中部溫度較高，在1200℃左右，而兩端仍然維持在低于328℃的低溫。

圖3 局部加熱

圖4 預(yù)鍛

圖5 預(yù)鍛貼模

表1 模擬工藝參數(shù)

圖6 預(yù)鍛件溫度

工序三：加熱預(yù)鍛件的兩端變形區(qū)。根據(jù)鍛件兩端枝杈位置，對預(yù)鍛件的兩端變形區(qū)進行局部加熱，如圖7 所示。將預(yù)鍛件兩端變形區(qū)加熱至始鍛溫度并均溫一定時間，加熱區(qū)域長度L2 由需要變形的金屬體積計算獲得。

圖7 預(yù)鍛件加熱兩端示意圖

工序四：終鍛，如圖8 所示，將兩端加熱好的預(yù)鍛件置于終鍛下模中，終鍛上模和終鍛下模合模并保持一定的合模力。左右沖頭同時以相同的速度擠壓坯料，使端部坯料充滿終鍛模腔。圖9 為終鍛時鍛件的貼模情況，可見此時鍛件與型腔完全貼合，型腔完全充滿。終鍛完成后，終鍛上模打開，將終鍛件從終鍛下模中頂出。終鍛件溫度分布如圖10 所示，此時型腔部位的坯料仍然維持較高溫度，而與左右沖頭接觸的坯料仍然維持在較低溫度。

圖8 終鍛

圖9 終鍛件貼模

圖10 終鍛件溫度分布

圖11 擠壓成形左右沖頭載荷

結(jié)束語

本文采用對坯料局部加熱和兩步閉式擠壓的方式，既有利于模腔充滿，也降低了沖頭所受的擠壓力，通過此次生產(chǎn)，得到了如下結(jié)論。

⑴預(yù)鍛時，只加熱坯料的中間部位，擠壓沖頭和坯料接觸部位溫度較低，難以發(fā)生鐓粗，變形只集中在中部需要充填的部位，摩擦阻力大幅下降，坯料在模腔中流長減少，利于中間型腔的充填。終鍛時，只加熱兩端需要變形的部位，變形只集中在兩端需要充填的部位，利于兩端型腔的充填。預(yù)鍛和終鍛過程，坯料都充滿了模腔。

⑵采用局部加熱，局部變形的方法，其中預(yù)鍛和終鍛沖頭載荷在160 噸左右，相比傳統(tǒng)開式鍛造，大幅降低了成形載荷。