大落差前軸精細制坯輥鍛成形工藝研究

劉云賀，劉 巖，劉嘉辰，曲 婧

（太原科技大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024）

0 引言

低地板公交車采用大落差前軸，以實現降低地板高度、提高上下車方便性和運輸效率的目的。大落差前軸作為低地板客車的關鍵技術之一，承受著較大的載荷，要求具有較高的強度和疲勞壽命[1]。大落差前軸精細制坯輥鍛－整體模鍛工藝采用精細制坯輥鍛，實現工字形截面的成形及右端“拳頭”的制坯，整體模鍛成形是對兩端“拳頭”的成形，對工字形截面只起整形作用，因此所需模鍛設備噸位小[2，3]。本文采用Deform-3D軟件，建立了大落差前軸精細制坯輥鍛的有限元模擬，分析了成形過程中各道次的溫度場、應變場的分布情況，以及模具的載荷情況，為大落差前軸精細制坯輥鍛－整體模鍛工藝研究提供了模擬層面的參考。

1 成形工藝分析

大落差前軸鍛件三維造型如圖1所示，鍛件采用45鋼，重量137kg。彈簧板和中間工字梁部分，具有深而窄的工字形截面，不易充滿；前軸的彈簧板部位與中間工字梁之間有較大落差，因而成形工藝復雜。若采用粗制坯輥鍛－整體模鍛工藝，需要大型熱模鍛壓機生產線，設備成本過高，建設周期長，所以采用三道次精細制坯輥鍛→彎曲→整體模鍛的工藝方案。精細制坯輥鍛是對前軸工字形截面成形從而基本達到鍛件尺寸，整體模鍛是對拳頭部位進行成形和對精細制坯部分進行整形。精細制坯輥鍛是介于制坯輥鍛和成形輥鍛之間的一種工藝，更接近成形輥鍛，但輥鍛件沒有達到鍛件所需形狀和尺寸，還需要整體模鍛來進一步成形。相對成形輥鍛，該工藝最大的改進是更能保證鍛件的尺寸精度，同時也大大降低了模鍛設備的噸位，節約了生產成本。

圖1 大落差前軸三維造型

2 精密輥鍛工藝設計

2.1 輥鍛件圖的確定

大落差前軸形狀與轎車和重卡前軸不同，彈簧板與中間工字梁之間有較大落差，設計輥鍛件時應重點考慮。輥鍛件不但要滿足對彎曲型槽的充形程度，有利于模鍛的最終成形，而且輥鍛過程能夠實現，不出現折疊、刮料等缺陷。精細制坯輥鍛件圖要遵循以下兩個原則：①彎曲半徑較大，應從鍛件圖上厚度內側三分之一處作中性線使之展直[4]。②各截面也需要按照熱鍛件圖設計，尤其是需要整形的部位，寬度減小，高度增加，有利于終鍛成形。根據熱鍛件圖，設計出3種第三道次輥鍛件圖，然后對輥鍛件進行Deform模擬，找出合理方案。

圖2 第三道次制坯輥鍛件圖（方案一）

圖3 彎曲模擬（方案一）

方案一：第三道次制坯輥鍛件如圖2所示，彈簧板位于最高位置的左下端，需要彎曲的部分位于最高位置的右下端，比中間工字梁突出的彎曲部分完全置于輥鍛件的上端面。如圖3所示，彎曲模具下行，模具的彈簧板處首先接觸輥鍛件的最高位置，這部分金屬會隨著模具由彎曲變成直的，形成彈簧板，最高部分完全充滿彎曲部分的型槽，整體模鍛時，金屬以鐓粗的形式充滿型槽，生產出的鍛件質量高。

依該方案設計輥鍛模并在Deform-3D軟件中模擬成形過程。模擬過程中，坯料彎曲部分比中間工字梁部分高出很多，而且彈簧板的工字形截面比旁邊的工字形截面寬，輥鍛是一個連續的成形過程，模具外壁會把這個突起部位壓倒，出現嚴重的刮料現象，形成大而厚的飛邊。模擬結果如圖4所示。

方案二：如圖5所示，彈簧板位于平直面上，它的兩端分別是懸臂工字梁、彎曲部分。該設計符合成形輥鍛只適合長軸類的工藝特點，成功解決了輥鍛過程中的刮料現象。彎曲的模擬過程中，彈簧板與大落差彎曲部分過渡的地方幾乎成90°角，坯料充型不理想。如圖6所示，彎曲部位的上端和底端均未充滿，不能達到彎曲的目的，造成的結果是該彎曲件在整體模鍛的過程中，不能與鍛模型槽匹配，產生折疊缺陷，或者以擠壓形式充滿型槽，對模具損害較大，生產出的鍛件質量難以保證。

方案三：如圖7所示，把彎曲部分高度由偏置輥鍛件上端改為平均分配在上、下兩端，其結構更合理，不但能夠解決輥鍛過程中的刮料問題，而且有利于彎曲型槽的充形，滿足終鍛的外形要求，彎曲成形的模擬效果如圖8所示。

根據以上的模擬結果，方案一、方案二不能滿足工藝需求，方案三能夠滿足工藝需求，所以選擇方案三的第三道次輥鍛件作為大落差前軸的輥鍛件。

圖4 成形輥鍛件（方案一）

圖5 第三道次制坯輥鍛件（方案二）

圖6 彎曲模擬（方案二）

圖7 第三道次制坯輥鍛件（方案三）

圖8 彎曲模擬（方案三）

2.2 各道次輥鍛模具設計

輥鍛模具設計時，必須根據論文確定的熱鍛件圖、各道次的輥鍛件圖、選取的原毛坯規格等作為設計依據[5]。輥鍛模具設計應注意以下兩方面：前滑值的選取、坯料與模具的嚙合運動規律。

2.2.1 第三道次輥鍛模設計

根據上文確定的輥鍛件，在考慮前滑的前提下，計算出輥鍛件各個特征部位在模具上的圓心角，第三道次輥鍛模如圖9所示。

圖9 第三道次輥鍛模具

2.2.2 第二道次輥鍛模設計

先設計出第二道次輥鍛件的各特征面的截面形狀，然后用UG測出第三道次輥鍛件相鄰兩特征面之間的體積，按照各部分體積相等的原則，計算出第二道次輥鍛件各個特征之間的長度，設計出第二道次輥鍛件。根據第二道次輥鍛件，設計第二道次輥鍛模，如圖10所示。

圖10 第二道次輥鍛模具

2.2.3 第一道次輥鍛模設計[6]

第一道次輥鍛的主要作用是對坯料的體積分配，為后面二道次輥鍛做準備，所以第一道次輥鍛尤其重要。大落差前軸鍛件比較復雜，特別是彈簧板，不光有深而窄的部位，而且與中間工字梁之間有較大的落差，這成為設計的難點。第一道次輥鍛要獲得最大程度的展寬，與中間工字梁過渡部分要平滑。因此，制坯輥鍛模具設計成禮帽型槽，并在上模的彈簧板的型槽上開設橫向阻力槽，可減少延伸增大展寬，還可以解決變形不均勻的問題。第一道次輥鍛模，如圖11所示。

圖11 第一道次輥鍛模具

3 有限元模擬分析

3.1 坯料的精細制坯輥鍛成形過程

利用Deform-3D軟件，對大落差前軸精細制坯輥鍛過程進行了有限元模擬。如圖12所示，依次是第一道次輥鍛件、第二道次輥鍛件、第三道次輥鍛件。該圖反映了輥鍛件的成形過程。模具沒有專門的飛邊槽，而是在上下模具之間有6mm的間隙儲存飛邊。

圖12 精細制坯輥鍛成形結果

3.2 坯料的溫度場分析

在大落差前軸精細制坯輥鍛－整體模鍛的模擬過程中，采用熱力耦合模擬，坯料的初始溫度為1200℃，并在模擬過程中考慮工步之間的時間間隔，以更接近實際生產。整個模擬過程溫度場的變化如圖13所示。

從大落差前軸精細制坯輥鍛－整體模鍛成形過程溫度場分布可以看出，坯料表面溫度下降的很快，這是由于坯料表面直接與模具、空氣相接處，溫差較大，傳熱很快；而心部的金屬不直接接觸模具和空氣，與表面金屬溫差不大，傳熱較慢，溫度降低也慢。金屬坯料的始鍛溫度為1200℃，最后模鍛時鍛件的整體溫度在950℃左右，高于45鋼的終鍛溫度，因此，可以在一火次的情況下完成輥鍛件的成形。

圖13 精細制坯輥鍛溫度場

3.3 坯料的等效應變場分析

如圖14a所示，在第一道次輥鍛時，由于彈簧板部位受到禮帽形型槽的強制展寬，所以彈簧板部位受到的等效應變最大；“拳頭”與彈簧板過渡部分、工字梁和拳頭部分是由圓形坯料變為長方形坯料，主要變形方式是大量延伸，少量展寬。所以受到的等效應變較小。

如圖14b所示，第一道次輥鍛后的坯料翻轉90°進入第二道次輥鍛模，彈簧板、中間工字梁的腹板部分坯料由長方形截面轉變成工字形截面，這些料受到模具的擠壓，所以受到的等效應變較大，中間的方塊和拳頭部分雖然受到壓縮但結構形狀未變，這些部分的等效應變較小。

如圖14c所示，第二道次輥鍛件不需翻轉直接進入第三道次輥鍛模，第三道次輥鍛的作用是加深彈簧板和工字梁部分工字形截面型槽的深度，所以受等效應力大的部分為工字形截面部分。

圖14 精細制坯輥等效應變場

3.4 模具載荷隨時間變化曲線

采用有限元模擬可以比較準確地反映金屬變形過程中輥鍛模具承受載荷變化規律。在三道次輥鍛過程中模具所承受的壓力最大不超過3500kN，大大降低了成形設備噸位。如圖15a所示，第一道次輥鍛的模具載荷兩端和最中間的部分高，兩端是由于“禮帽形”型槽的強制展寬，中間是由于坯料的壓下量大。如圖15b所示，第二道次輥鍛成形過程中，彈簧座部分需要進一步成形，形成飛邊，因此模具受力較大，中間工字梁中部的方塊處變形較小，該部位受力較小，形成一個波谷。如圖15c所示，第三道次輥鍛成形中，彈簧座工字形截面腹板的壓下量比中間工字梁的大，所以模具載荷是兩頭尖，中間低的形狀。

圖15 精細制坯輥鍛模具的載荷隨時間的變化曲線

4 結論

（1）通過對大落差前軸的工藝分析制定了三道次精細制坯輥鍛的工藝方案，設計出了合理的輥鍛件圖，利用UG對三道次輥鍛模進行設計和三維造型。

（2）通過Deform-3D軟件的有限元模擬，得到了大落差前軸精細制坯輥鍛成形過程中的金屬流動情況、溫度和等效應變場、模具載荷曲線。分析表明，輥鍛件成形良好，輥鍛過程可以在一個火次內完成。

（3）精細制坯輥鍛后，形狀接近成形輥鍛，提高了材料利用率，大大降低了終鍛設備噸位，為制定大落差前軸的工藝方案和設備選擇提供了依據。

[1]周 偉.超低地板城市客車大落差前橋有限元分析[D].西安：長安大學，2009.

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