前軸鍛造彎曲模釘子形頂桿的應用

文/胡學星，房田振，王夕鋒，李臣棟·山東省諸城市義和車橋有限公司鍛造廠

汽車轉向橋在車輛的前端，承受垂直載荷和縱向力、側向力，主要由前軸、轉向節、主銷、車輪四部分組成。前軸是汽車轉向系統重要的零部件，兩端安裝車輪，車架所受的垂直載荷通過前軸傳遞到車輪，傳遞車架與車輪之間的各項作用力及所產生的彎矩和扭矩。

作為主體零件的前軸是用鋼材鍛造，前軸中間為工字形截面以提高其抗彎強度，為提高其抗扭強度，接近兩端略呈方形，兩處彈簧座用以支撐鋼板彈簧的加寬面，兩端各有一個加粗部位成拳頭形。

輥鍛成形工藝

汽車前軸輥鍛成形工藝日趨成熟，采用整體輥鍛模鍛復合工藝，它是在輥鍛成形工藝的基礎上，引入模鍛工藝，汲取各自優點，組成優于兩者的新工藝，該工藝適用于各類輕、中、重型汽車前軸鍛件的生產，為少投入、高質量、大批量生產復雜類汽車零部件探索了一條新途徑。前軸工藝流程為：原材料下料→加熱→輥鍛制坯→彎曲、成形→切邊→校正。

⑴原材料下料。前軸一般利用圓鋼作為初始材料，直徑和長度需要根據鍛件的截面尺寸和主銷距長度設計出來。不同型號前軸所需圓鋼直徑、長度不一樣。因輥鍛工藝所需圓鋼長度精確要求L（上差+2、下差0），端面平整垂直，傾斜角度≤3°，不得有毛刺結疤。采用臥式帶鋸床或圓盤鋸下料，將原材料切割成所需的尺寸，鋸床存在一定的鋸口損耗，再給鋼廠定料時需根據設備鋸口損耗考慮適當加長。

⑵加熱。一般采用中頻感應加熱爐，根據圓鋼直徑長度，設定電壓頻率控制加熱時間，將圓鋼加熱至1150 ～1200℃左右(心表溫差、首尾溫差小于50℃的鍛造溫度)。測溫系統采用遠紅外測溫儀和火色對照表進行監控，對加熱材料進行分選，出料時分選裝置根據加熱后材料溫度值，自動分選出溫度低和溫度高的圓鋼，實現加熱溫度精準控制，避免材料加熱過高或過低出現內部組織晶粒的不均勻，影響產品的內部組織性能。加熱合格的材料經喂料裝置，進入下道生產工序。

⑶輥鍛制坯。采用GD1000 輥鍛機，進行三道次輥鍛制坯。輥鍛是回轉鍛造的一種，材料在一對反向旋轉扇形模具的作用下，產生塑性變形得到所需鍛坯的成形工藝。在第一工位機械手夾持坯料，輥鍛模旋轉一周實現分料；機械手順時針旋轉90°后移動到第二工位，輥鍛模旋轉一周對彎脖、板簧面、工字梁進行預成形；移動到第三工位輥鍛模旋轉一周，對工字梁部位進行長度拉長完成制坯。

⑷彎曲、成形。采用10000t 摩擦壓力機進行彎曲、成形兩步操作。此工序是鍛件終鍛成形的關鍵工序，為使鍛件彎形到位，內部組織緊實，鍛件外觀光滑，邊角R 弧等處棱角分明，故需要較大噸位的設備。彎曲、成形模具采用復合模具，一邊彎曲模將直坯彎曲為鍛件形狀，另一邊成形模膛將彎曲后的鍛件和機械手夾持部位壓制出鍛件整體形狀，此工序是鍛件終鍛成形的關鍵工序。

⑸切邊。采用1600t 電動螺旋壓力機，對成形后鍛件進行飛邊切除，以鍛件分模面的外輪廓為凹模刃口，沖頭與刃口單邊預留足夠間隙，切邊前調整設備的壓下行程，合模狀態沖頭將鍛件從凹模沖出刃口型腔，完成終鍛成形后，飛邊與鍛件輪廓分離。

⑹校正。采用1600t 電動螺旋壓力機，對切邊后鍛件直線度進行校直，為后工序加工做好準備。為克服鍛件的回彈保證校直的效果，校直時上下模具分模面閉合，模具型腔內底面和鍛件接觸使鍛件直線度≤1.5mm，設計時模具型腔側面和鍛件側面周邊設計1 ～2mm 間隙，保證校直效果和便于校正后鍛件出模。

彎曲、成形工藝的改進

前軸中間部位向下彎曲形成凹形，其目的是使發動機位置得以降低，從而降低汽車質心，減小傳動軸與變速器輸出軸之間的夾角，汽車前軸零件如圖1 所示。下面重點介紹鍛件在彎曲時，彎曲模下頂料桿回位時卡滯現象的解決措施。

改進前

坯料輥鍛制坯完成后，鍛件進入彎曲模，滑塊下行對直坯鍛件進行壓彎，模具閉合鍛件完成變形后滑塊上行，彎曲模下兩個頂料桿升起將鍛件從模具頂出，機械手將鍛件夾持，頂桿落下將鍛件放進成形模，滑塊再次下行對鍛件進行終鍛成形。頂料桿下方是液壓油缸，升起時油缸將頂料桿頂起，落下時油缸卸壓回位，頂料桿靠重力下落，鍛件在每次壓彎變形時都會有一層氧化皮脫落，隨著彎曲頂桿升起落下使用次數的增加，氧化皮會進入頂料桿和模具之間的縫隙，造成下落時卡滯不能回位，需停機將氧化皮清理徹底后再生產，費時費力耽誤正常生產。

原因分析

改進前頂桿為圓柱(圖2)，頂桿與彎曲模具之間單邊間隙為0.15 ～0.2mm，會不可避免的進入氧化皮，鍛造工藝要求坯料在高溫狀態下進行生產，所以一旦“卡滯”就需要在短時間內解決，否則就會生產出廢品。該問題造成生產效率降低，廢品增多，急需重新設計一種新的結構，消除頂桿和模具之間的間隙，使“卡滯”現象不再出現。

表1 改進前后效果對比

改進措施

隨著新產品的開發和日常調試模具經驗的積累，經一年多的摸索和實踐，發現將頂桿簡單的圓柱形改為釘子形結構可以解決上述問題，為此重新設計了一款釘子形頂桿（圖3），該頂桿上端面和模具型腔一致，24°的圓錐面和模具配合(圖4)，頂桿的錐形凸面和模具的錐形凹面接觸后無縫隙，成功阻斷了氧化皮的進入，下端圓柱和模具周邊間隙加大為3mm，頂起和落下時間隙變大生產過程更加順暢。

改進前和改進后的效果對比見表1。以我公司生產的151633 型號的前軸為例，每件產品成本價格約為860 元，每月減少12 件因停機造成的廢品，每月可創造價值10320 元。

結束語

經實際生產驗證，該釘子形頂料桿完全克服了生產過程中的頂桿卡滯現象，輕便小巧，制作簡單，減少了廢品的產生，提高了工作效率，中間添加φ20mm 通孔便于提起搬運。目前開發的前軸產品模具均采用該釘子形結構，它的成功應用，對模具行業的頂桿設計有一定的積極意義。