重載汽車異型前軸批量鍛造工藝分析

呂增印，謝曉宇，陳遠(yuǎn)方

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 國(guó)際工程院，河南 鄭州 450007）

前軸利用轉(zhuǎn)向節(jié)的擺轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)汽車轉(zhuǎn)向，承受汽車的重量、地面和車架之間的垂直載荷、制動(dòng)力、側(cè)向力以及側(cè)向力所引起的彎矩等。據(jù)研究，車輛下坡急剎車時(shí)，前軸將承受總負(fù)荷的2/3，因此對(duì)其強(qiáng)度、剛性和疲勞壽命要求較高[1]。另一方面，重載汽車前軸重量大，尺寸大，形狀復(fù)雜，成形難度系數(shù)高。基于此，找到一種適合重型復(fù)雜汽車前軸的批量生產(chǎn)工藝方法對(duì)前軸鍛造行業(yè)乃至汽車行業(yè)均具有重大意義。

1 前軸鍛件特點(diǎn)

重載汽車前軸鍛件是具有彎曲軸線的零件，將其展開后則是主軸線和分模線為直線的長(zhǎng)軸類鍛件，特點(diǎn)為：鍛件質(zhì)量100kg 以上，展開長(zhǎng)度達(dá)2100 mm 以上；鍛件主軸線上下部分形狀對(duì)稱，而左右截面在某些區(qū)段具有較大的不對(duì)稱性；鍛件形狀復(fù)雜，特別是限位塊和彈簧座工字型一側(cè)的外形反映在鍛模型腔上為深而窄的溝槽，金屬較難填充成形；鍛件縱向截面起伏變化較多，某些部位具有較大的高度落差。根據(jù)上述重載前軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以看出，前軸鍛件對(duì)成形工藝要求非常高。

2 常用鍛造工藝

2.1 錘上模鍛工藝

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有多條160kN（16t）模鍛錘機(jī)組，山東某重汽集團(tuán)鍛造廠現(xiàn)有2 條160kN 模鍛錘機(jī)組曲軸、前軸專用生產(chǎn)線。山西某鍛造廠現(xiàn)有2 條160kN 模鍛錘機(jī)組生產(chǎn)重型汽車前軸。內(nèi)蒙古某集團(tuán)有1 條160kN 模鍛錘生產(chǎn)重型車前軸。

典型工藝流程如下：下料→加熱→輥鍛制坯（930 mm 輥鍛機(jī)）→模鍛：彎曲、終鍛（160kN 模鍛錘）→熱切飛邊（12.5MN 閉式單點(diǎn)壓力機(jī)）→校正（16MN 油壓機(jī)）[2]。該工藝優(yōu)點(diǎn)：鍛錘堅(jiān)固耐用，維護(hù)簡(jiǎn)單，維修費(fèi)用低，初次投資少，設(shè)備立足國(guó)內(nèi)，制造周期短，工藝技術(shù)較易掌握，適合多品種中小批量生產(chǎn)，工作萬能性大。該工藝缺點(diǎn)：設(shè)備振動(dòng)噪聲大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)的鍛件余量、公差、模鍛斜度大，鍛件精度差，返修率和廢品率高，模具壽命低。

2.2 熱模鍛壓力機(jī)模鍛工藝

在國(guó)內(nèi)，熱模鍛壓力機(jī)鍛造線主要分布于汽車及農(nóng)機(jī)公司的鍛造廠等。

典型工藝流程如下：坯料加熱（1250 kW 中頻感應(yīng)加熱）→輥鍛制坯（?1000 mm 輥鍛機(jī)，機(jī)械手）→模鍛：彎曲、預(yù)鍛、終鍛（125MN 熱模鍛壓力機(jī)，左右各一臺(tái)機(jī)械手）→熱切飛邊（12.5MN 閉式雙點(diǎn)壓力機(jī)）→熱精整（15MN 雙曲柄專用壓力機(jī)）[3]。該工藝主要優(yōu)點(diǎn)：鍛件加工余量小，尺寸精度高，模鍛斜度小，鍛件質(zhì)量穩(wěn)定。適合自動(dòng)生產(chǎn)線，工人勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高。該工藝主要缺點(diǎn)：生產(chǎn)線投資巨大，主機(jī)裝備制造周期長(zhǎng)。

2.3 成形輥鍛工藝

該工藝是20 世紀(jì)80 年代某車橋廠開發(fā)，主機(jī)裝備為?1000 mm 輥鍛機(jī)。

典型工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→掉頭輥鍛3道次→掉頭模鍛整形→掉頭切除飛邊→彎曲整形[4]。工藝主要優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備投資少，模具費(fèi)用低，生產(chǎn)成本低。工藝缺點(diǎn)：采用了掉頭整形和掉頭切邊，生產(chǎn)的鍛件長(zhǎng)度難以保證，誤差大，鍛件局部充不滿較多，手工操作，對(duì)工人操作水平要求較高，勞動(dòng)條件差。

2.4 精密輥鍛+整體模鍛工藝

該工藝是某機(jī)電研究所開發(fā)。典型工藝流程：帶鋸下料→中頻感應(yīng)加熱（1500kW 加熱爐）→4 道次精密成形輥鍛（?1000 mm 自動(dòng)輥鍛機(jī)組）→整體彎曲、模鍛（25MN 或以上摩擦壓力機(jī)）→整體切邊（10000kN 或以上摩擦壓力機(jī)）→整體校正（10000kN或以上摩擦壓力機(jī)）[5]。工藝特點(diǎn)：中部工字梁區(qū)段和兩個(gè)彈簧前座由輥鍛成形至鍛件最終尺寸，其余兩端部位由模鍛成形。由于模鍛成型部分占整個(gè)前軸的投影面積的20%～30%，且形狀簡(jiǎn)單，因此可以大大減少模鍛打擊力。鍛件質(zhì)量和壓力機(jī)模鍛件相當(dāng)，材料利用率高，設(shè)備投資少。該工藝生產(chǎn)效率低于熱模鍛壓力機(jī)鍛造工藝，略高于錘上模鍛工藝。

2.5 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)模鍛工藝

筆者于2014 年承擔(dān)了某重載前軸鍛造項(xiàng)目，項(xiàng)目年生產(chǎn)綱領(lǐng)30 萬件，產(chǎn)品為戴姆勒高端、異型前軸，重量105kg～138kg。工藝設(shè)計(jì)要求：①綠色：振動(dòng)小，噪聲低，能耗低；②高效：全線生產(chǎn)節(jié)拍1.1～1.2件/min；③智能：全線選用數(shù)控設(shè)備，自動(dòng)化控制；④主機(jī)裝備投資、制造周期可控。

基于上述要求，現(xiàn)有常規(guī)鍛造工藝均不能滿足客戶要求。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外前軸鍛造工藝和主機(jī)裝備進(jìn)行了調(diào)研，經(jīng)與客戶和主機(jī)制造廠家充分溝通，保障技術(shù)可靠的前提下，制定如下工藝：

數(shù)控下料（智能鋸切中心）→中頻感應(yīng)加熱（6000kW）→輥鍛制坯（1000 型輥鍛機(jī)，2 道次）→彎曲、預(yù)鍛、終鍛（PZS900 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)）→熱切→沖孔、熱校。各工序工藝設(shè)計(jì)如下。

2.5.1 數(shù)控下料

選用智能鋸切中心一套，技術(shù)特性為：①自動(dòng)完成定尺下料，鋸切最大直徑?200mm；②加熱爐自動(dòng)推送進(jìn)料；③下料節(jié)拍滿足1.1～1.2 件/min。

本套裝置與傳統(tǒng)帶機(jī)床相比，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定尺、自動(dòng)上下料功能，減少了人工搬運(yùn)，為全線自動(dòng)化控制提供了條件。

2.5.2 中頻感應(yīng)加熱

與燃?xì)饧訜釥t相比，中頻感應(yīng)加熱爐的感應(yīng)加熱設(shè)備隨時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉，無點(diǎn)火和停爐的燃料損失；加熱過程易實(shí)行自動(dòng)化，工人勞動(dòng)強(qiáng)度小；能量轉(zhuǎn)換效率高，節(jié)能15%～40%；能減少鍛件加熱坯料的氧化皮損失，降低坯料重量1%～2%；加熱過程穩(wěn)定，可提高生產(chǎn)率10%～30%，提高模具壽命10%～20%。

本工藝中頻感應(yīng)加熱爐主要技術(shù)參數(shù)：加熱爐溫達(dá)到1300℃；加熱坯件重量為120kg～250kg；坯料規(guī)格為?140 mm～?200 mm，長(zhǎng)度為600 mm～2000 mm；加熱節(jié)拍為1.2 件/min；加熱用電源的總功率為6000kW，頻率500Hz～1200Hz，對(duì)于較大坯料建議用雙頻分段預(yù)熱、加熱，提高熱效率和透熱性；設(shè)備配有溫控裝置、坯料加熱溫度的測(cè)量、分選設(shè)備、冷卻感應(yīng)線圈的冷卻水裝置、專用變壓器、計(jì)算機(jī)控制器、控制系統(tǒng)及上料裝置等。

2.5.3 輥鍛制坯

輥鍛多用于以延伸變形為主的鍛造過程，比模鍛具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性，效率高，約為錘上模鍛的5～10 倍，材料利用率在80%以上、鍛坯內(nèi)在質(zhì)量?jī)?yōu)、勞動(dòng)條件好、并易于實(shí)行機(jī)械化和自動(dòng)化。

本工藝坯料直徑?140mm～?200mm；長(zhǎng)度為600mm～2000mm；生產(chǎn)節(jié)拍為1.2 件/min。

本工藝選用輥鍛機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：

2.5.4 模鍛成形

模鍛工藝選用PZS900F 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)[6]，本機(jī)組用于前軸預(yù)鍛、終鍛工序。較熱模鍛壓機(jī)、電液驅(qū)動(dòng)錘、蒸—空模鍛機(jī)有如下的優(yōu)點(diǎn)：無下死點(diǎn)；不必調(diào)整模具高度；鍛造精度高；鍛造能量大；負(fù)載下不會(huì)悶車；可實(shí)現(xiàn)閉式模鍛；對(duì)同一鍛件能實(shí)現(xiàn)不同能量下的多次打擊；接觸模具時(shí)間短；模具壽命長(zhǎng)；電機(jī)直接反轉(zhuǎn)，節(jié)省能量；操作簡(jiǎn)單，培訓(xùn)時(shí)間短，維修簡(jiǎn)便；噪聲低。

筆者對(duì)PZS900F 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)與KP12500熱模鍛壓力機(jī)技術(shù)參數(shù)、運(yùn)行成本進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明電動(dòng)螺旋壓力機(jī)更適應(yīng)重載異型汽車前軸的批量鍛造工藝要求，參見表1、表2。

表1 電動(dòng)螺旋與熱模鍛壓機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

表2 電動(dòng)螺旋與熱模鍛壓機(jī)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比表

2.5.5 切邊

切邊機(jī)是為了完成鍛件鍛后的鍛件與鍛件飛邊分離工作，即前軸鍛件的切邊工序。切邊機(jī)噸位一般取成形主機(jī)噸位的10%，并考慮留有一定的冗余能力，可選用20000kN（2000t）機(jī)械壓力機(jī)。

2.5.6 沖孔、校正壓力機(jī)

對(duì)于前軸鍛件，由于考慮到在切邊后，要發(fā)生翹曲變形。為保證其精度符合產(chǎn)品圖紙的要求，都需要在后道工序添加熱校正工序，通過精整后，保證鍛件的精度和加工余量為最小。本工藝選用5000kN（500t）液壓沖孔校正壓力機(jī)。

2.5.7 其他

本工藝流程中，從中頻感應(yīng)電爐加熱開始，經(jīng)制坯、預(yù)鍛、模鍛、熱切飛邊、精整校正，需配備5 臺(tái)機(jī)器人或機(jī)械手，組成全自動(dòng)精密鍛造線。其它工序的運(yùn)輸、轉(zhuǎn)移及上下料等，用機(jī)械手、運(yùn)輸小車、傳送帶、平衡吊等傳輸方式完成。

基于本工藝的生產(chǎn)線建成后（如圖1），線上各生產(chǎn)設(shè)備均配置了數(shù)據(jù)采集端口，實(shí)現(xiàn)了全線聯(lián)動(dòng)控制，為打造智能化鍛造車間提供了物理?xiàng)l件。經(jīng)測(cè)，全線生產(chǎn)率達(dá)到1.2 件/min，鍛件表面成形良好，達(dá)到工藝設(shè)計(jì)要求。

圖1 重載汽車異型前軸批量鍛造生產(chǎn)線

3 結(jié)論

筆者對(duì)上述前軸鍛造工藝方法技術(shù)特征、適用性進(jìn)行了梳理，見表3。

表3 前軸鍛造工藝方法對(duì)比表

從表3 對(duì)比可知，160MN 電動(dòng)螺旋壓力機(jī)模鍛工藝生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，裝備投資適中，勞動(dòng)條件好，運(yùn)營(yíng)成本低，適合大批量重載異型汽車前軸的生產(chǎn)。近年來，該種鍛造工藝日益獲得國(guó)內(nèi)外重載汽車鍛造行業(yè)的青睞，必將成為重載汽車前軸批量成形的主流工藝。