某重型卡車前軸精密輥鍛工藝設計與優化

王 星，劉 寧，潘琪琛，朱 騰，陳文琳

（1.合肥工業大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽合肥汽車鍛件有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

作為重型商用車的重要保安件之一，前軸在汽車行駛過程中承受較大載荷，要求具有較高的強度和較長的疲勞使用壽命[1,2]。目前，國內前軸成形主要采用精密輥鍛-模鍛成形工藝。輥鍛成形工藝的特點是材料利用率高達85%以上，所用設備壓力小、鍛件精度高、表面質量好、生產效率高[3]。但精密輥鍛-模鍛成形工藝較復雜，需考慮各道次間縱向尺寸的合理匹配及“工”字筋和座板等難成形部位對應型腔填充程度等因素，造成前軸在實際生產前需要反復調試，工藝設計難度大及周期長。

以某重型卡車前軸為研究對象，對其進行工藝設計，針對“工”字筋填充不滿的問題，利用有限元分析軟件分析“工”字筋變形過程中金屬流動規律，優化輥鍛模具，最終生產符合要求的前軸鍛件，縮短了開發周期。

1 重型卡車前軸的工藝設計

1.1 前軸結構分析

某重型卡車前軸熱鍛件如圖1所示，所用材料為42CrMo，理論質量為112 kg，兩拳頭主銷孔距離為（1 868.7±3）mm，兩座板中心距為（890.6±1）mm，要求座板中心與兩主銷孔中心連線的偏移量不大于1.0 mm。前軸屬于大型長軸類鍛件，沿軸向方向各部位截面變化大，其中“工”字筋筋部高度為101.2 mm，中間壁厚為18.2 mm，筋板高度與壁厚之比大于5，此處成形時金屬流動劇烈，常出現“工”字筋筋部末端填充不滿的情況。在工藝設計時應盡量提高金屬在高度方向的填充率[4]。

圖1 前軸熱鍛件

1.2 輥鍛工藝方案

輥鍛制坯是決定前軸終鍛成形的關鍵，其道次的正確選擇關系輥鍛件的成形和生產效率，毛坯直徑的正確選擇關系到難成形區域是否充滿、材料的利用率及模具使用壽命等。根據生產現場實際工況和相關設計標準，確定該前軸輥鍛成形為3道次精密輥鍛，減少終鍛成形力，以減小終鍛所需設備的壓力。根據體積相等原則和金屬流動規律，經計算，初步確定原始毛坯尺寸為φ140 mm。

根據前軸的鍛件形狀，可將前軸分為鉗口、拳頭、頸部、座板、“工”字筋5個特征區域。按照3個道次的輥鍛件各特征區域體積相等的原則對前軸進行輥鍛設計。因為鍛件在彎曲過程中，外側部分因拉伸變形而拉薄變窄，內側部分則變寬，在設計時彎曲部分應保留足夠的余料。

為了方便對前軸輥鍛模結構進行修改，采用參數化建模的方法對3個道次的模具進行三維建模[5]，如圖2所示。

圖2 輥鍛模的三維造型

2 前軸精密輥鍛-整體模鍛有限元模型的建立

建立的前軸精密輥鍛-整體模鍛有限元模型如圖3、圖4所示。為保證有限元分析模型分析結果的準確性，模具溫度、始鍛溫度、輥鍛機轉速等設置都與實際生產一致。模具設為剛性體，初始溫度為250℃。坯料為42CrMo，初始溫度為1 150℃。采用純剪切摩擦模型，摩擦因數取0.6[6-9]，彎曲、終鍛時摩擦因數為0.3。輥鍛上、下模旋轉速度為1.57 rad/s，上、下鍛輥中心距為990 mm。前軸彎曲、整體模鍛下行速度為400 mm/s[10]。

圖3 前軸精密輥鍛有限元模型

圖4 彎曲與整體模鍛有限元模型

3 “工”字筋輥鍛型腔的優化

3.1 “工”字筋孔型設計

“工”字筋采用三道次成形，第一道次輥鍛件完成各特征區域坯料的分配后旋轉90°進入第二道次輥鍛模；第二道次“工”字筋的截面形狀與第三道次類似，但筋部高度與中部壁厚大于第三道次，保證第三道次“工”字筋的成形以鐓粗為主；第二道次輥鍛結束后坯料直接進入第三道次進行最終成形，不需要旋轉90°?！肮ぁ弊纸罱孛婵仔驮O計如圖5所示。

圖5 “工”字筋截面孔型

3.2 “工”字筋結構優化方法

通過終鍛模擬結果發現“工”字筋部位對應型腔有填充不滿的現象，如圖6（a）所示。針對這一現象對“工”字筋的模膛進行優化。

圖6 終鍛“工”字筋填充情況

（1）通過減小第二道次“工”字筋截面的圓角半徑，使金屬在進入“工”字筋頂部時受高度方向的壓力減小，有利于“工”字筋頂部的填充。

（2）將第二道次“工”字筋截面頂部寬度增大，保證“工”字筋在第三道次有足夠的金屬進行填充。模具經過優化后，第三道次“工”字筋由圖7（a）所示的填充不滿變為圖7（b）所示的大致充滿，最終鍛造結果如圖6（b）所示，“工”字筋已經完全充滿[11,12]。

圖7 第三道次“工”字筋填充情況

4 物理試驗

將坯料置于中頻爐加熱至1 170℃，經過三道次輥鍛、彎曲、終鍛、切邊、校正后得到前軸鍛件如圖8所示，鍛件充型飽滿，尺寸合格，數值模擬結果與試驗結果基本一致。

圖8 前軸鍛件

5 結束語

通過有限元模擬和物理試驗相結合的方法得到了符合要求的前軸鍛件，縮短了設計周期，提高了產品開發效率。通過數值模擬的方法對前軸“工”字筋填充不滿的問題提出改進措施，最終生產的前軸鍛件充型飽滿，滿足尺寸要求。