文/許偉偉·洛陽(yáng)易得傳動(dòng)軸有限公司

工程重載用車(chē)驅(qū)動(dòng)半軸鍛造工藝分析

文/許偉偉·洛陽(yáng)易得傳動(dòng)軸有限公司

許偉偉，碩士研究生，主要從事軸類(lèi)零件的工藝研究。

平地機(jī)后橋半軸是車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)件，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中主要傳遞扭矩和彎矩，承受著沖擊、交變載荷和扭矩的作用，要求零件本身有足夠的抗彎、抗剪強(qiáng)度和剛度。因此，提高工程重載用車(chē)半軸的鍛造質(zhì)量，保證整車(chē)的行駛和運(yùn)行安全，降低生產(chǎn)成本，對(duì)工程機(jī)械的發(fā)展有著重要意義。

目前，半軸鍛件主要有4種鍛造工藝：⑴胎模鍛造，其工藝落后，工件表面質(zhì)量差，鍛件精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，只用于小批量的生產(chǎn)；⑵擺輾工藝，需要二次加熱，鍛造中氧化皮脫落嚴(yán)重，影響表面質(zhì)量，組織晶粒較為粗大；⑶平鍛工藝，生產(chǎn)效率高，精度高，設(shè)備投資相對(duì)比較大；⑷油壓機(jī)鍛造能夠一次加熱，完成鐓粗、預(yù)鐓和終鍛工序。

對(duì)于工程機(jī)械車(chē)輛而言，其半軸法蘭盤(pán)比一般汽車(chē)半軸（法蘭盤(pán)直徑180～ 240mm）和拖拉機(jī)半軸（法蘭盤(pán)直徑190～240mm）大的多，法蘭盤(pán)直徑一般在300～390mm。所以對(duì)平鍛機(jī)和擺輾機(jī)的要求提升很多，除了要重新投入鍛造設(shè)備，還要對(duì)鐓粗件（鐓粗后直徑在180～220mm）進(jìn)行二次加熱。而大噸位的油壓機(jī)適用性好，設(shè)備噪聲小，對(duì)軋制鋼材組織線條的破壞性小，能夠很好地滿(mǎn)足使用和工藝性能的要求。某國(guó)外大型平地機(jī)驅(qū)動(dòng)半軸鍛件有很大的法蘭和直徑變化較大的長(zhǎng)軸，采用形狀復(fù)雜系數(shù)為S4，屬于復(fù)雜鍛件。

工藝方案分析

前文所述的半軸有三種鍛造方案可供選擇：一是選擇直徑較大的棒料，先拔出桿部，再鐓粗頭部法蘭，最后沖窩；二是選擇較細(xì)棒料，先聚料鐓出頭部法蘭，再拔長(zhǎng)桿部；三是直接利用同鍛件毛坯相同直徑的軋制圓鋼進(jìn)行鐓粗、預(yù)鐓、終鍛沖窩成形。本文選用第三種方案，可以有效的節(jié)省成本，縮短鍛造時(shí)間。

根據(jù)鍛件形狀判斷，此半軸屬于局部鐓粗類(lèi)型，可以采用凹模內(nèi)聚集鐓粗成形，選用材料的直徑為120mm，鐓粗長(zhǎng)度為420mm。毛坯下料規(guī)格為φ120mm×（760±2）mm，變形部分長(zhǎng)度尺寸為760-340=420（mm），高徑比為420÷120=3.5，3道鐓鍛成形。

鐓粗工序鋼種系數(shù)K=2(材料為40Cr），鍛件投影面積F=227cm2，鐓鍛力P=4537kN，按鍛件鐓鍛力應(yīng)小于生產(chǎn)設(shè)備額定壓力的80%，選擇的生產(chǎn)設(shè)備為500t油壓機(jī)。預(yù)鐓、終鍛成形工序鋼種系數(shù)K=2，鍛件投影面積F=929cm2，鐓鍛力P=18580kN，按鍛件鐓鍛力應(yīng)小于生產(chǎn)設(shè)備額定壓力的80%，生產(chǎn)設(shè)備選擇3000t油壓機(jī)。根據(jù)鍛件形狀，選擇閉式模鍛。

產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)

選用兩臺(tái)油壓機(jī)完成鍛造工藝過(guò)程。500t油壓機(jī)用于鐓粗工序，3000t油壓機(jī)用于預(yù)鐓和終鍛工序，本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將預(yù)鐓工序和終鍛工序在一臺(tái)油壓機(jī)上實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了設(shè)備和人工成本，減少了中間毛坯運(yùn)輸過(guò)程，避免了溫度降低過(guò)快情況的發(fā)生。鍛造工藝過(guò)程為：加熱→鐓粗→預(yù)鐓+終鍛成形。

模具設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，對(duì)半軸鍛造模具進(jìn)行設(shè)計(jì)如圖1所示。鐓粗模具采用閉式鐓粗設(shè)計(jì)，根據(jù)加工條件和鍛造過(guò)程中溫度的影響，上模壓桿頭與下模型腔之間的間隙為0.5～1mm，此范圍內(nèi)的間隙能夠保證鐓粗后，棒料不會(huì)在模具間隙間產(chǎn)生飛邊，從而滿(mǎn)足后續(xù)鍛造的需要。

圖1 半軸鍛造模具

預(yù)鐓模具的設(shè)計(jì)?；顒?dòng)模具下平面根據(jù)鍛造形狀需要設(shè)計(jì)出合理的臺(tái)階，活動(dòng)模具的上平面根據(jù)終鍛模具上、下模面的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而能夠保證鍛造時(shí)接觸面積盡量大，鍛造過(guò)程中受力在模具應(yīng)力允許范圍內(nèi)。

將活動(dòng)模具從終鍛上模移開(kāi)，油壓機(jī)下行帶動(dòng)終鍛上模，完成最后鍛造，整個(gè)鍛造過(guò)程都采用閉式模鍛。其間隙的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足使用要求，而又不會(huì)讓流動(dòng)的金屬鉆入間隙中，防止產(chǎn)生飛邊。

鍛造模擬分析

此熱鍛成形工藝一共需要三個(gè)成形工藝，但從仿真的角度應(yīng)該需要至少8個(gè)工序，下面結(jié)合工藝參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。工藝參數(shù)主要有坯料材料為40Cr（鍛造模擬中用AISI-1045代替）；坯料尺寸為φ120mm×760mm；模具材料為AISI-H13；預(yù)熱溫度（坯料加熱溫度）為1150℃；模具溫度為300℃；設(shè)備選擇Hydraulic Press的(油壓機(jī)）500t和2500t各一臺(tái)；上模進(jìn)給速度即預(yù)鐓過(guò)程為100mm/s，終鍛過(guò)程為50mm/s；模具行程達(dá)到油壓機(jī)的最大壓力為止；鍛造過(guò)程剪切摩擦因數(shù)為0.3，工件與模具自由停靠導(dǎo)熱系數(shù)為1N/s/mm/℃，鍛造過(guò)程中導(dǎo)熱系數(shù)為5N/ s/mm/℃，與空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為0.02N/s/ mm/℃。

⑴ 工序05(Furnace Transfer02），空氣傳熱過(guò)程，從爐子到壓力機(jī)的傳送過(guò)程，時(shí)間為5s。

⑵工序10(Dwell），坯料在預(yù)鐓下模上的停留時(shí)間為4s。

⑶工序15(Up Punch），坯料鐓粗過(guò)程，油壓機(jī)下行速度為100mm/s。

⑷工序20(Furnace Transfer02），傳送到終鍛模過(guò)程，時(shí)間為3s。

⑸工序25(Dwell02），鐓粗棒料在終鍛模中停留，時(shí)間為3s。

⑹工序30(Pre Press），活動(dòng)模具壓成基本形狀，油壓機(jī)下行速度為50mm/s。

⑺工序25(Dwell03），鐓粗棒料在終鍛模中停留，時(shí)間為3s。

⑻工序35(Finish），終鍛成形，油壓機(jī)下行速度為50mm/s。

工序模擬分析

圖2為鐓粗完成時(shí)坯料的變形情況、上模載荷變化及溫度變化情況。從圖2a中可以看出，鐓粗工序完成后，坯料金屬未能完全充滿(mǎn)模腔。由于初始設(shè)定溫度為1150℃，隨著前兩步工序（空氣散熱、坯料停靠下模傳熱）以及鐓粗過(guò)程中和上模接觸，導(dǎo)致坯料表面溫度只有1020℃，靠近模腔壁上的金屬摩擦力增大，材料的變形阻抗力增加。在油壓機(jī)壓力一定的情況下，難以完成全部變形。在實(shí)際的鍛造過(guò)程中，可以在模具內(nèi)腔噴涂石墨水，降低摩擦力，盡量保證模具型腔的充填效果。

圖2 半軸鐓粗成形效果、上模載荷曲線圖、溫度場(chǎng)變化

圖2b表示上模載荷曲線，在鍛造過(guò)程中，隨著油壓機(jī)油缸的不斷頂出，上模壓頭與坯料的接觸面積不斷的增加，上模所受載荷也在不斷增加。而在鍛壓即將結(jié)束時(shí)，載荷會(huì)急劇增大很多。在油壓機(jī)閉式模鍛中，坯料即將充滿(mǎn)模腔之時(shí)，阻抗力會(huì)突然變大，坯料沒(méi)有可以流動(dòng)的地方，而且固體基本是不可壓縮的，所以會(huì)導(dǎo)致載荷的急劇增加。

從圖2c中可以看出，與模具接觸的部位由于熱傳導(dǎo)，導(dǎo)致溫度降低梯度較大，鍛件內(nèi)部則由于鍛造變形導(dǎo)致內(nèi)能增加，從而溫度上升較多。

圖3為鐓粗變形后的等效應(yīng)變、應(yīng)力情況。由圖3a可知，最大等效應(yīng)變發(fā)生在與上模接觸面靠近上模外圓處，最大值為1.25，平均等效應(yīng)變值為0.316。由圖3b可知，當(dāng)鐓粗結(jié)束時(shí)，鐓粗端面錐形臺(tái)階處有最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為272MPa，應(yīng)力的平均值為57.4MPa，絕大多數(shù)區(qū)域的應(yīng)力值低于163MPa。

圖4為半軸預(yù)鐓成形效果、溫度場(chǎng)變化情況及上模載荷曲線圖。圖4a為成形效果圖，在預(yù)鐓結(jié)束時(shí)，熱金屬并沒(méi)有充滿(mǎn)型腔，此時(shí)離下模圓周內(nèi)腔還有一定距離。圖4b為溫度場(chǎng)的變化情況，最高溫度為1190℃，未參與變形區(qū)域的溫度降低為646℃。變形區(qū)域中，溫度下降最多的區(qū)域是開(kāi)始預(yù)鐓就與活動(dòng)上模接觸，一直到鐓鍛完成仍與上模接觸的區(qū)域。預(yù)鐓結(jié)束時(shí)，該接觸區(qū)域的溫度降低到774℃。圖4c為預(yù)鐓階段上模載荷的變化，從預(yù)鐓開(kāi)始到預(yù)鐓結(jié)束，上模載荷的上升速度逐漸增加，最終達(dá)到1550t時(shí)結(jié)束。

圖3 半軸鐓粗成形等效應(yīng)變、等效應(yīng)力

圖4 半軸預(yù)鐓成形效果、溫度場(chǎng)變化、上模載荷曲線圖

圖5 半軸預(yù)鐓成形等效應(yīng)變、等效應(yīng)力

圖5為預(yù)鐓成形后的等效應(yīng)變、應(yīng)力情況，最大等效應(yīng)變發(fā)生在法蘭盤(pán)與下模接觸平面向下轉(zhuǎn)角處，最大值為1.25，平均等效應(yīng)變值為0.316。當(dāng)鐓粗結(jié)束時(shí)，鐓粗端面臺(tái)階處有最大應(yīng)力，最大應(yīng)力為272MPa，應(yīng)力的平均值為57.4MPa，絕大多數(shù)區(qū)域的應(yīng)力值低于163MPa。

圖6為半軸終鍛成形效果、上模載荷曲線、溫度場(chǎng)變化。從圖6a中可以看出，當(dāng)上模鍛壓完成后，只有靠近上模外圓處的地方?jīng)]有完全充滿(mǎn)，但已經(jīng)符合鍛造圖紙要求，能夠滿(mǎn)足后期的機(jī)加工需要。從6c中可以看出，只有靠近內(nèi)窩處的溫度為1190℃，參與變形的其他區(qū)域溫度大致在1110℃，符合鍛造要求的從800℃到1200℃的溫度范圍。在實(shí)際鍛造結(jié)束時(shí)，用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)鍛件各部位溫度，滿(mǎn)足要求的范圍。

從圖6b中可以看出，在即將完成終鍛時(shí)，油壓機(jī)施加在模具上的載荷急劇增加，與鐓粗過(guò)程壓力載荷變化類(lèi)似。分析原因，在油壓機(jī)閉式模鍛中，坯料即將充滿(mǎn)模腔之時(shí)，阻抗力會(huì)突然變大，坯料沒(méi)有可以流動(dòng)的地方，而且固體基本是不可壓縮的，所以會(huì)導(dǎo)致載荷的急劇增加。

圖6 半軸終鍛成形效果、上模載荷曲線圖、溫度場(chǎng)變化

圖7 半軸終鍛成形等效應(yīng)變、等效應(yīng)力

圖7為半軸終鍛成形后的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力圖。從圖7a中可以看出，最大等效應(yīng)變?yōu)?.78，平均值為0.962。最大等效應(yīng)變區(qū)域位于內(nèi)窩中部、法蘭盤(pán)的上端面與法蘭盤(pán)的下端面。從圖7b中可以看出，最大等效應(yīng)力為294MPa，平均等效應(yīng)力為106MPa，最大等效應(yīng)力位于φ197mm的外圓面上。經(jīng)過(guò)實(shí)際生產(chǎn)，鍛造出了合格的鍛件，滿(mǎn)足圖紙要求。數(shù)值分析的結(jié)果能夠?qū)?shí)踐產(chǎn)生較好的指導(dǎo)意義，圖8為鍛造實(shí)物圖。

圖8 鍛造實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

鍛造車(chē)間已經(jīng)累計(jì)生產(chǎn)1000件該鍛件，并經(jīng)過(guò)后期熱處理達(dá)到要求的機(jī)械性能。該工藝操作簡(jiǎn)單，質(zhì)量可靠，成本低。我們?cè)O(shè)計(jì)了油壓機(jī)鍛造帶有大法蘭盤(pán)半軸的模具，并用數(shù)值分析與實(shí)踐相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。在模具設(shè)計(jì)的初期糾正模具設(shè)計(jì)過(guò)程中的缺陷，避免了鍛造設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的試錯(cuò)方法，節(jié)省了人力、物力成本?？s短了模具結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化的時(shí)間，降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)很大程度上提高了鍛件的質(zhì)量。兩臺(tái)油壓機(jī)能夠很好地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和使用要求，能夠鍛出滿(mǎn)足客戶(hù)需求的產(chǎn)品。