重載汽車異型前軸批量鍛造工藝分析

呂增印，謝曉宇，陳遠方

（機械工業第六設計研究院有限公司 國際工程院，河南 鄭州 450007）

前軸利用轉向節的擺轉，實現汽車轉向，承受汽車的重量、地面和車架之間的垂直載荷、制動力、側向力以及側向力所引起的彎矩等。據研究，車輛下坡急剎車時，前軸將承受總負荷的2/3，因此對其強度、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，形狀復雜，成形難度系數高?；诖?，找到一種適合重型復雜汽車前軸的批量生產工藝方法對前軸鍛造行業乃至汽車行業均具有重大意義。

1 前軸鍛件特點

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軸類鍛件，特點為：鍛件質量100kg 以上，展開長度達2100 mm 以上；鍛件主軸線上下部分形狀對稱，而左右截面在某些區段具有較大的不對稱性；鍛件形狀復雜，特別是限位塊和彈簧座工字型一側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。根據上述重載前軸的結構特點可以看出，前軸鍛件對成形工藝要求非常高。

2 常用鍛造工藝

2.1 錘上模鍛工藝

國內現有多條160kN（16t）模鍛錘機組，山東某重汽集團鍛造廠現有2 條160kN 模鍛錘機組曲軸、前軸專用生產線。山西某鍛造廠現有2 條160kN 模鍛錘機組生產重型汽車前軸。內蒙古某集團有1 條160kN 模鍛錘生產重型車前軸。

典型工藝流程如下：下料→加熱→輥鍛制坯（930 mm 輥鍛機）→模鍛：彎曲、終鍛（160kN 模鍛錘）→熱切飛邊（12.5MN 閉式單點壓力機）→校正（16MN 油壓機）[2]。該工藝優點：鍛錘堅固耐用，維護簡單，維修費用低，初次投資少，設備立足國內，制造周期短，工藝技術較易掌握，適合多品種中小批量生產，工作萬能性大。該工藝缺點：設備振動噪聲大，工人勞動強度大，生產的鍛件余量、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 熱模鍛壓力機模鍛工藝

在國內，熱模鍛壓力機鍛造線主要分布于汽車及農機公司的鍛造廠等。

典型工藝流程如下：坯料加熱（1250 kW 中頻感應加熱）→輥鍛制坯（?1000 mm 輥鍛機，機械手）→模鍛：彎曲、預鍛、終鍛（125MN 熱模鍛壓力機，左右各一臺機械手）→熱切飛邊（12.5MN 閉式雙點壓力機）→熱精整（15MN 雙曲柄專用壓力機）[3]。該工藝主要優點：鍛件加工余量小，尺寸精度高，模鍛斜度小，鍛件質量穩定。適合自動生產線，工人勞動強度低，生產效率高。該工藝主要缺點：生產線投資巨大，主機裝備制造周期長。

2.3 成形輥鍛工藝

該工藝是20 世紀80 年代某車橋廠開發，主機裝備為?1000 mm 輥鍛機。

典型工藝流程為：中頻感應加熱→掉頭輥鍛3道次→掉頭模鍛整形→掉頭切除飛邊→彎曲整形[4]。工藝主要優點：設備投資少，模具費用低，生產成本低。工藝缺點：采用了掉頭整形和掉頭切邊，生產的鍛件長度難以保證，誤差大，鍛件局部充不滿較多，手工操作，對工人操作水平要求較高，勞動條件差。

2.4 精密輥鍛+整體模鍛工藝

該工藝是某機電研究所開發。典型工藝流程：帶鋸下料→中頻感應加熱（1500kW 加熱爐）→4 道次精密成形輥鍛（?1000 mm 自動輥鍛機組）→整體彎曲、模鍛（25MN 或以上摩擦壓力機）→整體切邊（10000kN 或以上摩擦壓力機）→整體校正（10000kN或以上摩擦壓力機）[5]。工藝特點：中部工字梁區段和兩個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前軸的投影面積的20%～30%，且形狀簡單，因此可以大大減少模鍛打擊力。鍛件質量和壓力機模鍛件相當，材料利用率高，設備投資少。該工藝生產效率低于熱模鍛壓力機鍛造工藝，略高于錘上模鍛工藝。

2.5 電動螺旋壓力機模鍛工藝

筆者于2014 年承擔了某重載前軸鍛造項目，項目年生產綱領30 萬件，產品為戴姆勒高端、異型前軸，重量105kg～138kg。工藝設計要求：①綠色：振動小，噪聲低，能耗低；②高效：全線生產節拍1.1～1.2件/min；③智能：全線選用數控設備，自動化控制；④主機裝備投資、制造周期可控。

基于上述要求，現有常規鍛造工藝均不能滿足客戶要求。筆者對國內外前軸鍛造工藝和主機裝備進行了調研，經與客戶和主機制造廠家充分溝通，保障技術可靠的前提下，制定如下工藝：

數控下料（智能鋸切中心）→中頻感應加熱（6000kW）→輥鍛制坯（1000 型輥鍛機，2 道次）→彎曲、預鍛、終鍛（PZS900 電動螺旋壓力機）→熱切→沖孔、熱校。各工序工藝設計如下。

2.5.1 數控下料

選用智能鋸切中心一套，技術特性為：①自動完成定尺下料，鋸切最大直徑?200mm；②加熱爐自動推送進料；③下料節拍滿足1.1～1.2 件/min。

本套裝置與傳統帶機床相比，實現了自動定尺、自動上下料功能，減少了人工搬運，為全線自動化控制提供了條件。

2.5.2 中頻感應加熱

與燃氣加熱爐相比，中頻感應加熱爐的感應加熱設備隨時啟動和關閉，無點火和停爐的燃料損失；加熱過程易實行自動化，工人勞動強度??；能量轉換效率高，節能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%；加熱過程穩定，可提高生產率10%～30%，提高模具壽命10%～20%。

本工藝中頻感應加熱爐主要技術參數：加熱爐溫達到1300℃；加熱坯件重量為120kg～250kg；坯料規格為?140 mm～?200 mm，長度為600 mm～2000 mm；加熱節拍為1.2 件/min；加熱用電源的總功率為6000kW，頻率500Hz～1200Hz，對于較大坯料建議用雙頻分段預熱、加熱，提高熱效率和透熱性；設備配有溫控裝置、坯料加熱溫度的測量、分選設備、冷卻感應線圈的冷卻水裝置、專用變壓器、計算機控制器、控制系統及上料裝置等。

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經濟優越性，效率高，約為錘上模鍛的5～10 倍，材料利用率在80%以上、鍛坯內在質量優、勞動條件好、并易于實行機械化和自動化。

本工藝坯料直徑?140mm～?200mm；長度為600mm～2000mm；生產節拍為1.2 件/min。

本工藝選用輥鍛機主要技術參數：

2.5.4 模鍛成形

模鍛工藝選用PZS900F 電動螺旋壓力機[6]，本機組用于前軸預鍛、終鍛工序。較熱模鍛壓機、電液驅動錘、蒸—空模鍛機有如下的優點：無下死點；不必調整模具高度；鍛造精度高；鍛造能量大；負載下不會悶車；可實現閉式模鍛；對同一鍛件能實現不同能量下的多次打擊；接觸模具時間短；模具壽命長；電機直接反轉，節省能量；操作簡單，培訓時間短，維修簡便；噪聲低。

筆者對PZS900F 電動螺旋壓力機與KP12500熱模鍛壓力機技術參數、運行成本進行了對比，結果表明電動螺旋壓力機更適應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 電動螺旋與熱模鍛壓機技術參數對比表

表2 電動螺旋與熱模鍛壓機運行費用對比表

2.5.5 切邊

切邊機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。切邊機噸位一般取成形主機噸位的10%，并考慮留有一定的冗余能力，可選用20000kN（2000t）機械壓力機。

2.5.6 沖孔、校正壓力機

對于前軸鍛件，由于考慮到在切邊后，要發生翹曲變形。為保證其精度符合產品圖紙的要求，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。

2.5.7 其他

本工藝流程中，從中頻感應電爐加熱開始，經制坯、預鍛、模鍛、熱切飛邊、精整校正，需配備5 臺機器人或機械手，組成全自動精密鍛造線。其它工序的運輸、轉移及上下料等，用機械手、運輸小車、傳送帶、平衡吊等傳輸方式完成。

基于本工藝的生產線建成后（如圖1），線上各生產設備均配置了數據采集端口，實現了全線聯動控制，為打造智能化鍛造車間提供了物理條件。經測，全線生產率達到1.2 件/min，鍛件表面成形良好，達到工藝設計要求。

圖1 重載汽車異型前軸批量鍛造生產線

3 結論

筆者對上述前軸鍛造工藝方法技術特征、適用性進行了梳理，見表3。

表3 前軸鍛造工藝方法對比表

從表3 對比可知，160MN 電動螺旋壓力機模鍛工藝生產效率高，產品質量好，裝備投資適中，勞動條件好，運營成本低，適合大批量重載異型汽車前軸的生產。近年來，該種鍛造工藝日益獲得國內外重載汽車鍛造行業的青睞，必將成為重載汽車前軸批量成形的主流工藝。