低底盤商用車前軸鍛造工藝改進與優化

文／潘海江，武絡，霍威，葉婷婷，李晶·內蒙古一機集團富成鍛造有限責任公司

前軸是大型商用車底盤系統的重要零部件之一，其形狀復雜，使用中會承受較大的沖擊載荷，特別是在車輛行進當中會承擔一半以上的車輛總負荷，因此生產中對其綜合性能要求較高。市場上前軸的基本生產工藝主要為鍛造，以確保產品具有較高的綜合性能。

國內前軸鍛件的典型生產工藝

錘上模鍛工藝

國內一些廠家采用10t、16t 模鍛錘對前軸進行整體性鍛造生產，同時采用自由鍛制坯，該方式的不足之處主要表現為生產時需進行多次加熱，鍛件質量不高，廢品率較高，生產效率和模具壽命低，但適用于多品種小批量生產方式。

熱模鍛壓力機鍛造工藝

同錘上鍛造相比，采用該種生產方式完成的前軸毛坯具有顯著的優勢，主要表現為：加工余量小、尺寸精度高、模鍛斜度小、鍛件質量穩定等，適合在機加工自動線上加工，后續加工量小，一般設計成自動線。

前軸成形輥鍛生產工藝

由于此生產工藝具有投資少、模具投入費用低、適合多品種生產以及毛坯綜合成本低的特點，該工藝被主要前軸生產廠家所青睞，但也具有因部分生產缺陷導致產品誤差大、長度尺寸難保證以及因局部充型不足而補焊率較高的劣勢。湖北三環是國內較早使用輥鍛工藝生產前軸的廠家，隨著鍛造工藝及水平的不斷提高，大部分生產線都改造為精密輥鍛-整體模鍛工藝。

前軸精輥－模鍛工藝

前軸精輥－模鍛工藝是我國針對前軸產品自主開發的新型成形工藝技術，與其他工藝技術相比，利用該種工藝技術生產的鍛件，其表面質量、尺寸精度基本相當，但總體設備投資卻減少了90%左右。該成形工藝的主要技術指標如表1 所示。

表1 前軸精輥－模鍛工藝主要技術指標

開發產品介紹

本次開發低底盤客車前軸鍛件產品成雙落差結構，同時板簧座位于中間部位呈花瓣狀。較以往開發的重卡前軸形狀和結構更為復雜，經計算，該低底盤客車前軸鍛件的鍛造復雜系數S=mf/mn=0.148。按評定準則S ≤0.16，故此前軸鍛件屬于復雜類鍛件。開發的目標產品三維實體如圖1 所示。

圖1 鍛件三維實體

工藝方案制定

此項目前軸鍛件的總長尺寸精度要求較高，公差范圍小；鍛件除加工橋拳、板簧座外，其他表面全部為非加工面；板簧座位于中間拐角處且呈花瓣形狀，從鍛造成形方面來說，板簧座不易充滿模膛。

根據產品整體結構分析，結合產品的外形尺寸及鍛件鍛重，考慮到產品表面大部分為非加工面，必須保證產品表面精度，公司只有16000t 壓力機自動化生產線能夠滿足此前軸加工要求。通過項目組多次討論，制定了此前軸在16000t 生產線上的鍛造工藝方案(圖2）。

為了確保此低底盤客車前軸研制開發的成功，項目組從人、機、料、法、環、測等幾個方面進行了全面控制，確保產品研制過程處于受控狀態，保證產品最終質量。

鍛件研制過程中的難點分析

鍛件結構復雜，成形困難

該研制產品為雙落差結構，板簧座位于中間拐角處并呈花瓣狀，此處模具模膛上會形成深而窄的溝槽，不利于金屬流動，不易充滿模膛。同時，由于板簧座一側形狀呈現高而窄的結構，熱能損失快，溫度下降明顯，金屬流動性變差，對板簧座的充滿更加不利。

圖2 前軸鍛造工藝方案

外觀質量要求高

依據該產品的鍛件圖和零件圖，此前軸鍛件除加工橋拳兩端面、主銷孔和板簧座兩側外，其他表面全部為非加工面，鍛件表面外觀質量要求高。

鍛件落差過大

產品所用生產線，在設計主機模板時，是以三工步鍛造工藝為基礎設計的，相對鍛件寬度方向的頂桿孔位置調整量較小。此客車前軸整體落差過大，已達到355mm，若按正常模具分布設計，會導致此前軸無法正常生產。

解決措施

重新設計模具結構

針對低底盤客車前軸雙落差結構，在現有主機模板的基礎上，重新設計模具結構。結合鍛件本身結構特點，特將該前軸的模具設計成為一體模(圖3）。因前軸落差過大，壓彎模下模無法實現裝夾，故下模將壓彎、預鍛、終鍛模膛設計為一體模；為實現鍛件的順利頂出，上下預、終鍛中間頂桿共用一組頂出橫梁。

圖3 上下模結構

優化壓彎頂桿結構

原模板壓彎處的頂桿孔為φ100mm的兩個通孔，孔中心距為800mm。而該前軸的板簧座內側距離約為1000mm，使用原位置頂出坯料，會導致頂出過高與部分機械干涉，同時會導致坯料側翻的現象，所以需對壓彎頂桿結構進行優化。優化方案如圖4 所示，采用杠桿連接，對模板局部進行調整后，將頂出位置更改到中間位置，其頂出塊長度避讓開3 號機械手，防止干涉。

圖4 壓彎頂出結構和杠桿

模擬情況

⑴模擬參數的設置。

輥鍛的模擬參數如表2 所示。

表2 輥鍛模擬參數

⑵輥鍛的模擬結果。

受設備局限，輥鍛機最多設計兩道次模膛。圖5 所示為坯料經過兩道次輥鍛后的模擬結果及能量曲線。

⑶壓彎的模擬結果。

圖6 所示為壓彎后坯料的基本外形和打擊力曲線，壓彎打擊力為3t，壓彎后的徑向截面變化較大。

圖6 壓彎模擬及打擊力

⑷預鍛模擬問題。

壓彎后將坯料放入預鍛模膛后進行模擬，分析在預鍛模膛內坯料的流動情況，發現靠近外板簧座的相對位置可能是產品產生缺陷的主要位置(圖7），對優化整體鍛造工藝起到很大幫助。

圖7 預鍛模擬情況

⑸終鍛模擬情況。

在終鍛時，因板簧座位置處于拐角處，此處不易充滿模膛；板簧座相對位置因截面變化較大，局部金屬流動方向發生改變造成折疊傷(圖8）。

圖8 終鍛模擬情況

優化方案

⑴優化輥鍛毛坯。

通過數值模擬分析，預鍛板簧座外側坯料在成形過程中，金屬充滿此處模膛后迅速向內側流動，與工字梁處的坯料匯合產生折疊傷。針對此問題，在保證鍛件充滿的狀態下，優化輥鍛毛坯，減小板簧座外側預留的坯料(圖9）。

圖9 優化輥鍛毛坯前后

⑵優化預鍛和壓彎模膛。

根據終鍛模擬情況，因前軸板簧座位于中間拐角處，又呈花瓣形狀，故板簧座內側花瓣不易充滿。針對此問題對預鍛模膛局部進行優化，同時將壓彎模膛板簧座處的形狀結構進行調整，優化為“心”形截面，具體結構如圖10 所示。

圖10 預鍛和壓彎優化

切邊模優化

為提高模具壽命，延緩陰模磨損，保證自動化生產線順利生產，將切邊陰模刃口結構優化為階梯式(圖11）。

圖11 優化后的陰模

圖12 低底盤客車前軸鍛件實物

試生產

經過鍛造生產試制以及最終的探傷和檢驗，試制結果如下：

⑴鍛件尺寸滿足圖紙要求，表面質量良好，鍛件檢測合格，滿足批量生產要求。

⑵對熱處理后的鍛件進行機械性能檢測，發現各項性能指標均符合圖紙要求，產品實物如圖12 所示。

結論

通過工藝改進與試生產驗證，工藝參數及工藝流程方案合理可行，可指導批量生產；現有的低底盤客車前軸生產設備、工裝、檢測手段能夠滿足產品的質量要求；試生產的前軸鍛件各項檢測指標均達到圖紙、標準及技術協議要求，用戶試加工后能夠滿足其使用要求。