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        M4輕型載貨汽車前軸輥鍛模的設計

        2015-12-27 07:37:22山東恒泰車橋公司劉元偉王孝文劉金行
        金屬加工(熱加工) 2015年9期
        關鍵詞:設計

        ■山東恒泰車橋公司 劉元偉,王孝文,劉金行

        一、前軸結構特征

        前軸是汽車上重要保安件,屬于汽車上一種大型長桿類鍛件,承受載荷大,額定載荷28500N、對安全性能要求高,要求具有較高強度和疲勞壽命。M4輕卡汽車前軸材料為40Cr,其外形如圖1所示。

        該前軸技術要求為:內壁拔模斜度10°,外壁拔模斜度7°,中心線偏移量不大于1.5mm,前軸在全長范圍內直線度誤差不大于3mm,確保無裂紋等缺陷。

        M4輕型載貨汽車前軸鍛件截面寬度變化較大,有以下幾個難成形部位:①彎脖部位限位凸臺(見圖2左)。②板簧座背部與“工”字梁過渡部位(見圖2中)。③板簧座圓角部位是難成形部位(見圖2右),最寬處是板簧座為136mm,最薄處是“工”字梁厚度為10mm。

        圖1 M4輕型載貨汽車前軸成品示意

        圖2 難成形部位示意

        二、前軸輥鍛件圖設計

        將前軸彎曲坯料展直(見圖3),按圖1前軸熱鍛件中心線做輥鍛件展直長度,總長度L計為1722mm。然后根據(jù)下式計算其所對應的在輥鍛模上所占的角度

        式中D——輥鍛模公稱直徑 (mm);

        s——各特征段長度(mm)。

        計算得前軸熱鍛件的總長度L計所對應總角度α= 199°。將展開后前軸劃分成若干個特征段,其相對應長度可以測量,然后按此式計算出對應扇形角度α。根據(jù)其數(shù)據(jù)可得出表1結果。

        將“拳頭”和板簧座(見圖1d、圖1F)加上加工余量,加工余量大小可根據(jù)本廠實際生產經(jīng)驗確定??紤]到“拳頭”部位在鍛造和加工時高度差不穩(wěn)定,可稍微放大。鍛件彎曲過程中,圓弧外側拉薄變窄;內側稍稍變寬。輥鍛件設計時在彎曲部分也要相應增大。

        以模鍛件圖為依據(jù),沿模鍛件軸線作11個橫截面,計算出每個橫截面面積,同時加上飛邊處的金屬面積

        考慮到輥鍛時金屬前滑和展寬,坯料截面尺寸要適當放大。因此,要考慮一個截面增大系數(shù)k。 k值為1.75~2.1。k值越大,表示輥鍛預留料越多,在終鍛時能保證最難成形區(qū)板簧背部“工”字梁處成形容易,不易缺料。

        式中 Fi為考慮增大系數(shù)后,指定在i部位輥鍛件截面積(mm2);i=1,2,11;Fi′為指定在i部位輥鍛件截面積(mm2);i=1,2,11;k為截面增大系數(shù),一般取1.75~2.1,這里取1.75;Fi鍛為指定輥鍛件i部位截面積(mm2);i=1,2,11。

        i=1是指第二道輥鍛入口“拳頭”;i=2是指第二道輥鍛入口彎脖;i=3是指第二道輥鍛入口彎脖與板簧座過渡處; i=4是指第二道輥鍛入口板簧座;i=5是指第二道輥鍛入口板簧座與“工”字梁過渡處;i=6是指第二道輥鍛“工”字梁; i=7是指第二道輥鍛出口“工”字梁與右板簧座過渡處; i=8是指第二道輥鍛出口板簧座;i=9是指第二道輥鍛出口板簧座與彎脖過渡;i=10是指第二道輥鍛出口彎脖;i=11是指第二道輥鍛出口“拳頭”部位。

        η為飛邊充滿系數(shù),一般取0.5~0.8;取η=0.8。

        F毛為飛邊槽截面積(mm2)。

        計算毛坯圖上截面圖(見圖3)就是以最終輥鍛件中線為橫坐標,計算最終輥鍛件截面積為縱坐標繪出曲線。該曲線下面積就是計算最終輥鍛件體積。根據(jù)計算輥鍛件截面積可以得到各個截面計算輥鍛件直徑

        計算毛坯圖上直徑圖(見圖3)是以模鍛件軸線對稱軸,計算最終輥鍛件軸向各部位半徑為縱坐標繪出對稱曲線。

        由計算毛坯圖可知,最大截面積Fmax在板簧座處,其Fmax=9503.32mm2,所以輥鍛成形時要用的棒料截面積F0=Fmax,因而輥鍛成形時要用F110mm直徑棒料作為原材料。F110mm圓鋼正好符合國家鋼材標準系列,便于采購。

        三、前軸輥鍛工藝設計

        1. M4輕型載貨汽車前軸輥鍛工藝過程設計

        M4輕型載貨汽車前軸輥鍛工藝過程大致為:下料→中頻感應加熱→輥鍛→彎曲→模鍛→切邊→熱校正。首先要確定輥鍛道次,確定成形輥鍛道次Z主要依據(jù)是金屬延伸量大小及鍛件成形難易程度。可按下列公式初步確定

        總延伸系數(shù)λs等于坯料橫截面積F0與輥鍛后鍛件最小截面積Fmin之比,即

        計算知Fmin為2746.62mm2,截面積F0為 9503.32mm2。

        平均伸長系數(shù)λ平可取比制坯輥鍛時較大的數(shù)值,一般為1.5~2.5,根據(jù)公司經(jīng)驗,取λ平=1.8。成形輥鍛時道次選擇除了滿足伸長量的要求外,還須考慮其他輥鍛工藝特征和輥鍛件的成形特點。

        總伸長率λs= F0/Fmin= 9503.32/2746.62=3.46,取λ平=1.8,Z=1.92。最后根據(jù)計算確定采用二道次輥鍛成形。

        因此,該前軸鍛造工藝為:下料→中頻感應加熱→第一道輥鍛→第二道輥鍛→彎曲→模鍛→切飛邊→熱校正。確定輥鍛道次后,先設計第二道輥鍛模,再根據(jù)各特征段等體積原則,再設計第一道輥鍛模。

        圖3 M4輕型載貨汽車前軸輥鍛件的計算毛坯圖

        2. M4輕型載貨汽車前軸輥鍛模具設計

        對M4輕型載貨汽車前軸采用二次輥鍛成形,第一次輥鍛為初始輥鍛,第二道輥鍛為成形輥鍛。采用反向設計方法,從后面向前面推演。

        根據(jù)模鍛件毛坯先設計第二道輥鍛型腔截面,用第二道輥鍛型腔截面設計第二道輥鍛模,然后設計出第二道輥鍛件,第二道輥鍛件和終鍛模型腔基本吻合。再根據(jù)第二道輥鍛件各特征段體積相等原則設計第一道輥鍛件,然后根據(jù)第一道輥鍛件設計第一道輥鍛模。

        (1)第二道輥鍛模具型腔的設計 由于不考慮出模后輥鍛件彈性變形和熱脹冷縮,因而可看作第二道輥鍛模型腔與第二道輥鍛件長度相等。因此,可看作M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛模各特征段部位相對應的扇形角度與表1一致。

        第二道輥鍛模具“工”字形部位型腔設計。關于第二道輥鍛模具“工”字形部位的型腔,不考慮彈性變形和溫度變化的影響時,與第二道輥鍛后的輥鍛件(見圖4)應該一致。對于其他部位,也應該基本相同。

        第二道輥鍛模具板簧座部位型腔設計。第二道輥鍛模具板簧座部位型腔與第二道輥鍛件截面的外形輪廓應該相同,如圖5所示。

        由于輥鍛機剛性和各運動部件之間的間隙存在,上下軋輥在輥鍛時中心距發(fā)生變化,產生3~5mm間隙在設計第二道輥鍛模型腔時,有關型腔深度要各減少該間隙值的一半。另外,要注意,板簧座背部(“工”字截面)處上輻板底斜度和下輻板上面斜度和筋板兩側圓角要大,如果斜度過小,這個地方在輥鍛時候充滿困難。

        圖4 第二道輥鍛件“工”字梁截面圖

        圖5 第二道輥鍛件板簧座截面圖

        表1 M4輕卡前軸第2道輥鍛模各特征段部位相對應的扇形角度

        因為在實際生產中輥鍛模型腔寬度方向容易充填飽,而型腔深度方向不容易充填飽,所以在設計第二道輥鍛型腔截面時,其與終鍛模型腔截面的關系為

        式中b11、b11′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的寬1;b12、b12′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的寬2;b21、b21′分別為第二道輥鍛板簧座截面和終鍛模板簧座截面的寬;b22、b22′分別為第二道輥鍛板簧座背部(“工”字截面)和終鍛模板簧座背部(“工”字截面)的寬;h11、h11′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的高;h12、h12′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的厚1;h13、h13′分別為第二道輥鍛工字梁截面和終鍛模工字梁截面的厚2;h21、h21′分別為第二道輥鍛板簧截面和終鍛模板簧截面的高;h22、h22′分別為第二道輥鍛板簧截面和終鍛模板簧截面的厚1;h23、h23′分別為第二道輥鍛板簧座背部(“工”字截面)和終鍛模板簧座(“工”字截面)的厚2;Δ大致在1~2 mm范圍內。

        第二道輥鍛模具彎脖部位型腔和“拳頭”部位型腔等設計。第二道輥鍛模具彎脖部位型腔和“拳頭”部位型腔等截面的情況與設計第二道工字梁截面的方法類似,與第二道輥鍛件相對應處截面的外形輪廓基本相同,不同之處在于輥鍛入口“拳頭”處為圓柱體,在模鍛時鍛成“拳頭”。由于該處截面大大超過計算毛坯圖上入口“拳頭”的截面積F1,所以飛邊會比其他部位要大一些。

        輥鍛成形時,必須給輥鍛機送料機構夾鉗的夾持部分留出一定的長度,正好將其在模鍛時鍛成“拳頭”。所以計算毛坯圖必須作出修正。第二道輥鍛模具彎脖部位型腔的截面圖如圖6所示。

        根據(jù)設計好輥鍛件可做出第二道輥鍛件三維造型和輥鍛模三維造型,我公司M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛件如圖7所示。我公司所設計的M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛模的模具圖如圖8所示。

        (2)第一道輥鍛模具型腔設計 根據(jù)本廠生產實際經(jīng)驗、第二道輥鍛相對應各特征段和等體積原則反向設計第一道輥鍛型腔截面。第一道輥鍛生產的輥鍛件應該是轉90°通過第二道輥鍛模進行第二道輥鍛。正面介紹第一道輥鍛模具型腔設計。

        工字梁部位。所設計第一道輥鍛模具工字梁型腔截面如圖9所示。在第一道輥鍛工字梁型腔截面中,第一道輥鍛間隙h52尺寸由公司設備剛度和運動部件之間的間隙情況,參看圖9工字梁型腔截面。

        因為第一道輥鍛成形件要轉動90°再進行第二次輥鍛,所以要考慮第一道輥鍛模和第二道輥鍛模型腔之間的關系。我們是這樣考慮

        式中b41為第一道輥鍛工字梁截面的寬;h51為第一道輥鍛工字梁截面的高;h11、b11尺寸見圖4。其Δ1值在7~10 mm內,其Δ2值在3~5mm內。取Δ1值為10 mm,Δ2值為5mm。第一道輥鍛模型腔的拔模斜度不能過大,一般取2°~3°,拔模斜度過大反而不利于型腔充滿。我們取3°。圖9中“A”處所指為兩個相對弧形凸起,這樣設計的目的是減少“工”字梁部位金屬體積,使在進行第二道輥鍛時第二道輥鍛件飛邊有所減小。如第二道輥鍛后,輥鍛件飛邊過大,解決飛邊過大的方法是將第一道輥鍛模型腔中間堆焊加大弧形凸起,使型腔體積減小。

        板簧座部位。所設計的第一道輥鍛模具板簧座截面如圖10所示。

        b51為第一道輥鍛板簧座背(“工”字截面)的寬;h61為第一道輥鍛板簧座截面的高;b22、h21尺寸見圖5。Δ1值大致在為7~10mm,Δ2值大致為3~5mm內,我們取Δ1值為10 mm,△2值為5mm。第一道輥鍛模型腔的拔模斜度不能過大,一般取2°~3°,拔模斜度過大反而不利于型腔充滿。在進行板簧座截面設計時,要注意限制板簧背部(“工”字截面)b51(見圖10)寬度,不限制板簧座b52(見圖11)展寬。

        圖6 第二道輥鍛件入口彎脖截面圖

        圖7 M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛件(全長1722mm)

        圖8 M4輕型載貨汽車前軸第二道輥鍛模

        圖9 第一道輥鍛模具工字梁型腔截面

        圖10 中A處所指也是兩個弧形凸起,這樣設計目的是為減少板簧座部位金屬體積,使在進行第二道輥鍛時第二道輥鍛件飛邊有所減小。如在第二道輥鍛后,輥鍛件飛邊過大,將第一道輥鍛型腔中間堆焊加大弧形凸起,使型腔體積減小即可收效。

        彎脖部位。在設計第一道輥鍛模入口彎脖型腔時,第一道輥鍛模入口彎脖輥鍛模高度尺寸h41(見圖11)要比第二道輥鍛模入口彎脖寬度尺寸b31(見圖6)小2~4mm。如果兩者尺寸相等或者第一道輥鍛模入口彎脖輥鍛模高度尺寸h41要比第二道輥鍛模入口彎脖寬度尺寸b31大,輥鍛件在第二道輥鍛時入口彎脖容易出現(xiàn)迭料。其他地方尺寸的設計和第一道工字梁的方法相同,圖11為第一道輥鍛時輥鍛入口彎脖的型腔輪廓。

        彎脖部位在第一道輥鍛成形后主要目的是為了制坯,供第二道輥鍛后還需通過模鍛成形,所以第一道輥鍛成形后只要求該部位有一定體積的金屬量即可。圖11中上下模內有兩個圓弧形凸起,可通過對其大小修改調節(jié)第一次輥鍛后輥鍛件體積的大小。

        夾鉗部位。夾鉗部位相當于“拳頭”部位,弧長70mm,在第一道輥鍛時不產生變形。第一道輥鍛型腔截面設計好后,要驗證輥鍛模型腔截面面積不能比設計棒料的面積大。根據(jù)第二道輥鍛件各特征段的體積,可計算第一道相對應各特征段的弧長:因為第二道輥鍛件彎脖部位體積是932022.9146mm3,第一道彎脖型腔截面積是6213.517mm2,所以弧長150mm。

        板簧座部位。因為第二道的板簧座部位體積是860913.4004mm3,第一道板簧座型腔截面積是6934.124mm2,所以弧長124mm。

        工字梁部位。因為第二道的工字梁部位體積是1202796.238mm3,第一道工字梁型腔截面積6754.384mm2,所以弧長178 mm。

        將各特征段設計好了以后的長度相加,即可得到第一道輥鍛件的總長度,這里是1044mm。所設計的終鍛輥鍛模的型槽各部尺寸如表2所示。

        根據(jù)設計好的輥鍛件可做出第一道輥鍛件三維造型(見圖12)和第一道輥鍛模三維造型(見圖13)。輥鍛入口“拳頭”部位坯料相對應于輥鍛機夾鉗夾持部位,不發(fā)生變形。在模鍛時將入口“拳頭”成形,因是原始毛坯尺寸,截面較大,所以會有較大的飛邊。

        M4輕型載貨汽車前軸輥鍛成形模具設計符合實際要求,所設計輥鍛模具已投入生產(見圖14),初步證明,采用本文所介紹的反向設計輥鍛模思路設計輥鍛模具,合理可行。

        圖10 第一道輥鍛模具板簧座截面

        圖11 第一道輥鍛入口彎脖

        圖12 第一道輥鍛件(1044mm)

        圖13 第一道輥鍛模

        圖14 輥鍛件照片

        表2 M4輕卡前軸第一道輥鍛模各特征段部位相對應扇形角度

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