高壓共軌輥鍛制坯及成本分析

文／張海建，張海峰·江蘇理研科技股份有限公司

李朔·淄博宏杰鍛壓設(shè)備有限公司

隨著國家對汽車排放管控要求越來越高，高壓共軌在汽車上使用也會越來越普及。共軌管的作用是將供油泵提供的高壓燃油分配到各噴油嘴中，在車行駛過程中壓力傳感器向ECU 提供高壓油軌的壓力信號；液流緩沖器的作用是保證在噴油器出現(xiàn)燃油漏泄故障時立即切斷向噴油器的供油，并且同時減小共軌和高壓油管中的壓力；壓力限制器保證高壓油軌在出現(xiàn)壓力異常時，迅速將高壓油軌進行泄壓。所以考慮特殊使用環(huán)境，鍛造高壓共軌的市場需求也越來越明顯。

日前市面上比較普遍的高壓共軌的鍛造制坯工藝有兩種，一種是原材料加熱后直接鍛造，另一種是使用自由鍛制坯。原材料直接鍛造，造成了原材料過多的浪費，產(chǎn)品的制造成本會居高不下，這與現(xiàn)在成本觀背道而馳。自由鍛制坯對職工的技能要求比較高，在制造過程中，產(chǎn)品的不可控因素比較多。本文主要闡述了輥鍛工藝用于高壓共軌的鍛造前道制坯工藝可行性分析及對比。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

圖1為某高壓共軌產(chǎn)品，原材料牌號為1.4301(現(xiàn)市場上原材料的單價成本約在24500元/噸，含稅單價)，總長330.6mm，高度46.2mm，單重約1.54kg。

圖1 某高壓共軌產(chǎn)品

現(xiàn)行的鍛造工藝

參考產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行的鍛造加工工藝為：鋸料→加熱→預(yù)鍛→終鍛→切邊。根據(jù)產(chǎn)品總長、最大截面積并結(jié)合有限元分析，設(shè)計初期選擇原材料規(guī)格為φ34mm×320mm，見圖2)，原材料重量為2.28kg，產(chǎn)品材料利用率為67.5%。

圖2 原材料及成品

調(diào)整后的鍛造工藝

此產(chǎn)品最高月需求量不少于100000 件，現(xiàn)行的鍛造工藝造成原材料浪費過多，原材料成本居高不下，且大部分原材料都以廢料的方式損耗了。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，考慮增加制坯工藝來提高原材料利用率。目前行業(yè)中桿類零件常用的制坯工藝有楔橫軋及輥鍛，考慮到輥鍛相對于楔橫軋，在截面變化上更為豐富一點，從而我們選擇輥鍛制坯的工藝。調(diào)整后的鍛造工藝為：鋸料→加熱→輥鍛→預(yù)鍛→終鍛→切邊。

應(yīng)按照計算毛坯圖的要求選擇坯料，根據(jù)最大變形程度計算出輥鍛道次，選擇型槽系，合理分配道次變形量。根據(jù)變形規(guī)律計算出每道次的坯料截面尺寸，使各道次變形相適應(yīng)，合理選擇型槽系統(tǒng)是關(guān)鍵。粗略選擇圓→橢圓→圓的型槽變化，根據(jù)調(diào)整后的工藝，做以下技術(shù)可行性分析。

⑴設(shè)計輥鍛后的輥鍛件。

根據(jù)產(chǎn)品總長及各段截面積的分布，使用UG 或者其他3D 軟件，計算各區(qū)域的截面積，從而設(shè)計輥鍛后的輥鍛件(圖3)，設(shè)計后的理論輥鍛鍛件重量為2.031kg，選擇原材料規(guī)格為φ34mm×285mm，產(chǎn)品材料利用率為75.8%。

圖3 輥鍛件設(shè)計及尺寸

⑵鍛造有限元分析。

對設(shè)計好的輥鍛件進行有限元分析，模擬材料在模具型腔內(nèi)的填充情況，如圖4 所示，坯料在模具型腔內(nèi)填充良好，飛邊分布均勻，初步確定輥鍛毛坯設(shè)計合理，可以繼續(xù)設(shè)計輥鍛模具。

圖4 坯料在模具型腔內(nèi)填充良好

⑶輥鍛模具設(shè)計及輥鍛有限元分析。

輥鍛模具設(shè)計(圖5)步驟如下。

圖5 輥鍛模具設(shè)計

1)輥鍛后最小截面圓為φ26mm，原始原材料規(guī)格是φ34mm，根據(jù)輥鍛道次計算公式n=lg(S1/S2)/lgγ，式中：S1表示輥鍛前截面積，S2表示輥鍛后截面積，γ 表示平均延伸系數(shù)，一般是1.4 ～1.6。計算理論輥鍛道次n ≈1.32 道次，從而確定輥鍛道次為2 道次。

2)根據(jù)公式S2=S1/10n×lgγ，考慮各道次截面的變化，計算各道次截面面積。

3)根據(jù)體積不變的原理，確定各分段的長度L=V/S。

4)角度制及弧度制的換算,α=(L/Rz)×57.2958(Rz 為輥鍛型槽的最淺半徑，Rz=輥鍛模的半徑-相應(yīng)矩形高度/2，此項根據(jù)計算人員的理解不同，在計算形式上會有少量差異)。

5)因 產(chǎn) 品 輥 壓 變 形 量 比 較 小(φ34mm →φ26mm)，最后建議使用有限元分析軟件，驗證一下型腔設(shè)計是否合理。

6)利用有限元分析軟件進行輥鍛分析，見圖6。

圖6 輥鍛有限元分析

7)最后根據(jù)模擬結(jié)果，逐步分析鍛造缺陷、鍛造溫度、鍛造流線、產(chǎn)品填充以及模具受力分析，一切都完成后，進行模具的加工制造。

⑷輥鍛設(shè)備選型及輥鍛模具加工。

根據(jù)與設(shè)備廠家探討，結(jié)合坯料規(guī)格，選用淄博宏杰300 全自動輥鍛機(圖7)?？紤]產(chǎn)品的開發(fā)周期以及加工鍛造模具的經(jīng)驗，輥鍛模具委托玉環(huán)新馳模具廠加工。

圖7 淄博宏杰300全自動輥鍛機

⑸輥鍛工藝調(diào)試及改善前后對比。

如圖8 所示，改善后產(chǎn)品的最終成形狀態(tài)，各區(qū)域充型完好，輥鍛一個坯料需要的時間是5s 左右，即輥鍛沒有對產(chǎn)品鍛造節(jié)拍產(chǎn)生明顯影響。

圖8 改善前后產(chǎn)品對比

結(jié)束語

通過實際結(jié)果的驗證，單件產(chǎn)品節(jié)約原材料0.249kg，材料利用率提高8.3%，按產(chǎn)品的月需求量，其產(chǎn)生的經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。

考慮輥鍛成形的工藝特點：生產(chǎn)效率高，所需噸位小，可實現(xiàn)小設(shè)備做大產(chǎn)品，勞動環(huán)境好，模具磨損小，模具壽命高，操作簡單，很容易實現(xiàn)機械化與自動化，適用于坯料截面減小的塑性變形，鍛件質(zhì)量高，產(chǎn)品一致性好以及材料利用率高。針對高壓共軌的輥鍛制坯工藝，在當(dāng)前競爭激烈的市場環(huán)境下，很值得推薦。