湖北神力鍛造有限責任公司 湖北十堰 442700

近年來，隨著低碳生活觀念逐步深入人心，國家節(jié)能減排、綠色環(huán)保政策法規(guī)的逐步建立和實施，資源節(jié)約型及環(huán)境友好型社會建設步伐的加快，汽車節(jié)能已經成為汽車產業(yè)發(fā)展中的一項關鍵性研究課題。研究表明，減輕汽車自身重量，是提高汽車燃油經濟性、降低汽車CO2排放的有效措施之一。尤其是對于重型貨車行業(yè)，因為混合動力、電動和燃料電池等新能源汽車技術的應用困難重重和前景不明，故車身輕量化已成為目前重型貨車行業(yè)節(jié)能減排最現(xiàn)實而又最有效的技術措施。針對鍛造行業(yè)來說，利用最少的原材料通過模具優(yōu)化設計精確鍛造出高質量的鍛件則是車身輕量化的基礎。

產品結構和工藝路線

公司生產的重型汽車前軸（見圖1）主要用于支撐車輛重量、轉向機件和懸吊支架，其幾何形狀復雜、技術要求嚴格，是汽車承受載荷較大的重要安保件。針對該主打產品，公司積極開展節(jié)能減排、降本增效活動，以工藝技術創(chuàng)新來降低生產成本，實現(xiàn)企業(yè)長期穩(wěn)定的持續(xù)發(fā)展。

圖1 前軸結構示意

該零件主要制造工藝流程如下：坯料鋸切→坯料加熱→輥鍛成形→壓彎→預鍛→終鍛→飛邊切除→熱態(tài)校直→控溫冷卻→出廠檢驗。

明確鍛造工藝及模具設計

1.輥鍛預成形

輥鍛是使金屬坯料在一對旋轉的輥鍛模具中通過，借助模具型槽對金屬坯料施加的壓力使其產生塑性變形，從而獲得所需要的鍛件或鍛坯，是由軋制工藝應用于鍛造生產中而發(fā)展起來的一種特種鍛造工藝。其原理如圖2所示。

圖2 輥鍛原理

輥鍛成形的特點是：所需設備噸位小；生產效率高；鍛件具有好的金屬流線；勞動條件好；易于實現(xiàn)機械化和自動化。

因重型汽車前軸尺寸大、結構復雜，若依靠預鍛和終鍛完成大部分變形，則要求壓力機的公稱壓力很大，且模具壽命低、工藝穩(wěn)定性差，因此考慮利用多道次輥鍛完成大部分變形，而預鍛和終鍛只分擔小部分變形量，以改善壓力機和模具的受力條件，提高工藝穩(wěn)定性。

（1）確定輥鍛道次 要求輥鍛結束后的鍛件接近成品，因此在最終熱鍛件的截面上，增加少量的余量即為輥鍛后鍛件的截面，以此為依據(jù)，按下式初步確定輥鍛道次N

N＝lgλ/lgλ平

式中λ——總的延伸系數(shù)，λ＝F0/Fmin，F(xiàn)min－輥鍛件最小截面積；

λ平——平均延伸系數(shù)，λ平一般取1.5～2.5，對于前軸λ平＝1.6。

代入上式得：N≈2.8。

根據(jù)輥鍛道次的近似計算以及工藝分析，最終確定輥鍛道次為三道次，即制坯輥鍛、第一次預成形輥鍛和第二次預成形輥鍛。

（2）孔形設計 采用逆推法，根據(jù)最終熱鍛件截面形狀，加上少量余量后，在CAD軟件中繪制出第二次預成形輥鍛后鍛件的截面形狀，即孔形圖。再考慮金屬的熱脹冷縮、前滑和后滑值及周長比等因素，確定第一次預成形輥鍛和制坯輥鍛的的壓下量和展寬量，進而獲得這兩道輥鍛后鍛件的截面圖。

（3）輥鍛模具設計 依據(jù)每道次輥鍛的孔形圖，在CAD軟件中做出三維輥鍛模具。

（4）數(shù)值分析 把生成的輥鍛模具，導入到專業(yè)的鍛造成形模擬軟件DEFORM_3D中，模擬其變形過程，如圖3所示。根據(jù)模擬結果優(yōu)化每道次的截面形狀、壓下量、展寬量及前滑值等形變參數(shù)，最終得到理想的輥鍛模具形狀。

圖3 輥鍛數(shù)值模擬

2.成形壓彎

輥鍛完成后，鍛件各部位的橫截面已預成形，但鍛件仍是直的，通過壓彎，把鍛件彎成前軸所需的形狀，如圖4所示。

圖4 壓彎

在長期的生產過程中，鍛件法蘭部位充不滿一直是一個難以解決的問題。通過不斷摸索，創(chuàng)造性地在壓彎模具上開設V形槽，型腔槽側面成30°～40°夾角，型槽內倒圓角R40（見圖5），同時減小壓板槽的長度以提高模具強度，降低模具開裂的風險。此結構在對前軸施加彎曲力的同時，分擔了少量的截面變形，改善了金屬的分配，保證了后續(xù)鍛造時彈簧座處完全充滿。

圖5 壓彎模結構

3.預鍛模具設計

經過預成形輥鍛、壓彎后，接著的預鍛對于鍛件最終成形也非常關鍵。根據(jù)以往前軸生產經驗，以及DEFORM_3D軟件模擬結果，如圖6所示，板簧座法蘭處一般較難充滿，因此在設計預鍛模時應特別注意在此處適當增加分料。

圖6 鍛造時的變形過程及特征

通過實際生產的總結，預鍛模設計應遵循以下幾點原則：

1）為使預鍛件易于放進終鍛模膛，預鍛件內外側尺寸應比終鍛件小0.5mm左右，在不影響定位的前提下，預鍛工步可以比終鍛工步垂直鍛造方向尺寸適當減小。

2）預鍛工步比終鍛工步厚2～4mm（鍛造方向），有利用于終鍛的鐓粗成形。

3）預鍛工步的體積比終鍛工步的體積大5%～15%。

4.終鍛模具設計

按常規(guī)方法，設計出終鍛模膛。熱模鍛壓力機上前軸的終鍛屬于開式熱模鍛，鍛模上飛邊槽的作用是增加金屬從模膛中流出的阻力，促使金屬充滿模膛，同時容納多余金屬。飛邊槽橋部的寬高比b/h，是控制金屬流出模膛阻力的關鍵參數(shù)，如圖7所示。因此針對前軸不同部位，通過對飛邊橋部高度h和寬度b以及R角等參數(shù)的合理匹配，可以控制飛邊的形狀和分布，從而減少由于倉部位置飛邊過大產生的材料浪費，同時保證頂桿部位飛邊的強度，確保鍛造過程中鍛件的頂出效果。應用此技術，可使飛邊厚度相應變小，飛邊質量下降1～2kg；而且還可以較大幅度地降低鍛造噸位，這樣非常有利于對設備及模具等的保護。

圖7 鍛模飛邊槽

5.階梯式切邊

為防止重型汽車前軸鍛件因飛邊尺寸過大而使切邊壓力機超負荷工作，切邊凹模刃口設計為階梯狀，使切邊動作分段完成，減小設備負荷。切邊時凹模首先接觸前軸中段，再至兩端，動作連續(xù)但設備負荷降低，對設備起到了有效的保護，從而降低了設備負荷和噪聲，提高了模具壽命。

結語

本工藝技術著重于汽車前軸鍛件的精確成形和輕量化，將三道次精確輥鍛預成形、成形壓彎、變截面飛邊控制及階梯式切邊等工藝技術運用于汽車前軸的鍛造生產，優(yōu)化汽車前軸結構設計，降低產品本身重量，進一步提高前軸鍛件的材料利用率，是重型汽車前軸鍛造工藝領域的一次創(chuàng)新應用。