汽車前軸輥鍛飛邊缺陷研究

文／謝杰鋒，李亮群，彭添·桂林福達重工鍛造有限公司

汽車前軸是汽車的重要零件之一，其形狀復雜、承受多向負荷，特別是沖擊負荷，尤其是在汽車下坡急剎車時，前軸將承受汽車三分之二的負荷。

前軸具有截面深而窄，且起伏較大的特點，鍛造成形難度大。由于汽車前軸各截面差別較大，為保證材料利用率，控制制造成本，前軸鍛造成形過程中通常采用輥鍛+模鍛的方法，即將圓棒料輥壓延長成適當長度和形狀的輥鍛工件，再將輥鍛工件轉運到熱模鍛壓力機上完成模鍛成形。前軸鍛造成形工藝中包含了輥鍛、模鍛、切邊等工序。

在輥鍛工序工件產生的缺陷有很多種，最常見的缺陷是飛邊，該類缺陷工件在后續模鍛成形工序中容易形成折紋而導致產品報廢。本文從前軸輥鍛飛邊缺陷形成的原因及影響因素等方面進行研究，并提出了一些具備可行性的建議，提高前軸輥鍛工件質量，從而達到降低生產成本的目的。

前軸熱模鍛工藝介紹

目前國內外主流的汽車前軸鍛件生產采用熱模鍛壓力機模鍛成形工藝，模鍛成形工藝可細分為制坯輥鍛+模鍛成形工藝和精密輥鍛+模鍛成形工藝，本文將著重介紹制坯輥鍛+模鍛成形工藝下輥鍛飛邊缺陷的形成原因及影響因素。

制坯輥鍛+模鍛成形工藝具體流程：原材料入庫檢驗→下料→加熱→去氧化皮→制坯輥鍛→模鍛(壓彎、預鍛、終鍛)→切邊→熱校正→調質(淬火、回火)→冷校直→初拋丸→探傷→外觀修整→終檢→復拋丸→噴漆→包裝→入庫→出庫。

輥鍛機是制坯輥鍛工序的主要設備，種類繁多，例如ZGD 自動輥鍛機系列、ARWS 自動輥鍛機系列等。本文研究的制坯工序是在ZGD1000mm 自動輥鍛機上進行的，其主要技術參數見表1。

制坯輥鍛工序一般采用兩道次成形，圓棒料經過輥鍛一道次工序后得到橢圓形的一道次工件，一道次工件旋轉90°并移動到二道次輥鍛模再進行二道次工序，最終通過二道次工序得到方形的輥鍛工件，如圖1 所示。

圖1 制坯輥鍛工序

前軸輥鍛過程分析

一道次工序后輥鍛夾鉗連同工件旋轉90°并平移至二道輥鍛模型腔位置再進行二道次工序，因此輥鍛過程中可變的工藝參數有兩個：一個是一道次工序至二道次工序的橫向位移；另一個是一道次工序至二道次工序的工件的旋轉角度。

首先從理論方面驗證橫向位移、旋轉角度的變化是否會導致輥鍛工件形成缺陷，為此借助FORGE 軟件進行模擬仿真。

FORGE 軟件由法國材料成形研究中心研究開發，FORGE 軟件基于有限元方法建立，被廣泛用于模擬熱、溫和冷鍛金屬成形工藝。FORGE 軟件可以進行3D 模擬，也可以進行2D 模擬應用于長零件成形，研究橫斷面的變形過程或者應用于軸對稱零件成形，研究徑向切面變形過程。FORGE 軟件可以對鍛造生產的全過程進行模擬：棒料剪切下料、輥鍛、橫軋、輾環、冷鍛、溫鍛、熱鍛、切邊、熱處理和晶粒形成等，是專業的工業模擬仿真軟件，模擬仿真如圖2 所示。

圖2 輥鍛模擬仿真示意

前軸輥鍛模擬方案及結果分析

為驗證橫向位移以及旋轉角度對輥鍛工件的影響，使用FORGE 模擬仿真軟件進行不同參數的模擬仿真，模擬方案設置見表2。

表2 模擬方案設置

以下是上述方案的模擬結果。

⑴方案一：輥鍛工件未出現變形、飛邊等缺陷，如圖3 所示。

圖3 方案一模擬結果

⑵方案二：輥鍛工件咬入口位置變形，出現飛邊，工件其余位置未出現變形、飛邊等缺陷。飛邊缺陷長度約50mm，如圖4 所示。

圖4 方案二模擬結果

⑶方案三：輥鍛工件咬入口位置變形，出現飛邊，工件其余位置未出現變形、飛邊等缺陷。飛邊缺陷長度約100mm，如圖5 所示。

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圖5 方案三模擬結果

⑷方案四：輥鍛工件尾端位置變形，出現飛邊，工件其余位置未出現變形、飛邊等缺陷。飛邊缺陷長度約300mm，如圖6 所示。

圖6 方案四模擬結果

⑸方案五：輥鍛工件從中間位置開始變形直至尾端，出現大飛邊，工件其余位置未出現變形、飛邊等缺陷。飛邊缺陷長度約900mm，如圖7 所示。

圖7 方案五模擬結果

從表3 模擬結果可知，橫向位移和旋轉角度的偏差變化均能導致輥鍛工件形成缺陷，其缺陷模式為飛邊，偏差程度越大形成的飛邊缺陷就越嚴重。同時結合橫向位移和旋轉角度的模擬結果分析對比，旋轉角度因素對輥鍛工件缺陷的影響更大。

表3 方案結果分析

前軸鍛件的缺陷分析至關重要，實際鍛造生產之前可以用模擬軟件進行分析，對比現場實際生產，慢慢積累經驗，是解決此類問題的關鍵。

前軸輥鍛飛邊缺陷形成原因分析

在制坯輥鍛一道次工序中坯料截面由圓形變成橢圓形，圓形截面轉變成橢圓形截面從金屬流動方面來說變形阻力相對較小；二道次工序時坯料截面由橢圓形變成方形，橢圓形截面轉變成方形截面從金屬流動方面來說變形阻力大，因此輥鍛工件形成飛邊缺陷應在二道次輥鍛工序。形成輥鍛飛邊缺陷有兩方面原因：一方面是設計原因導致，另一方面是生產過程原因導致。

設計原因：輥鍛模具設計不匹配

前軸各截面的大小不同，設計輥鍛模各截面的型腔也不同，輥鍛工序中各截面變形量差異大，因此一道次輥鍛模型腔與二道次輥鍛模型腔匹配是設計的基礎。相對于成形輥鍛來說，制坯輥鍛是一種粗獷型設計，經驗不足的技術人員在設計時往往會忽略型腔匹配問題或是沒有經過反復理論驗證，導致實際生產時出現一、二道次型腔錯位而形成飛邊。

生產過程原因：工藝參數設置不合理

一道次工件的中心與二道次輥鍛模中心不一致(橫向位移偏差)，一道次工件在二道次輥鍛模型腔成形過程中會出現受力不均變形，其缺陷位置多數位于工件前端，如圖8 所示。

圖8 橫向位移偏差示意

橫向位移和旋轉角度的偏差會大大增加輥鍛工件扭轉的風險，輥鍛工件扭轉后會形成飛邊缺陷。實際生產的輥鍛飛邊缺陷件，如圖10 所示。

圖10 出現飛邊缺陷的輥鍛工件實物

可行性建議

輥鍛模設計和實際生產過程可能會出現各種各樣的問題，例如設計不合理、設備異常、人為操作失誤等等，均會在不同程度上影響輥鍛工件質量。為提高輥鍛工件的質量，筆者根據企業自身實際生產經驗提出以下幾點建議。

⑴使用專業的設計軟件(如VeraCAD 軟件)精細化設計輥鍛模，同時利用專業的模擬仿真軟件(如FORGE 軟件)驗證輥鍛模設計方案，從源頭抓起，嚴把設計關，經過反復的理論驗證后才能制造模具實物。

⑵生產前使用圓棒料確認輥鍛工序的橫向位移和旋轉角度(輥鍛設備試機自動運行，發現工件位置不對時立即調整)，確保各道次工件位于輥鍛模型腔中心位置，以及一道次工件在二道模具的旋轉角度正確，杜絕因橫向位移或旋轉角度的偏差造成輥鍛工件扭轉產生飛邊。

⑶將輥鍛飛邊缺陷醒目化，缺陷件懸掛在現場并培訓模鍛員工，過程偶發的輥鍛飛邊缺陷件需隔離處置，若連續出現輥鍛飛邊缺陷件應立即停機處理，加強過程質量管控。

⑷前軸是一種長軸類零件，輥鍛一道次工序后工件會出現輕微下垂的現象(特別是尾端)，輥鍛夾鉗對于后半截工件控制力差，二道次輥鍛過程中工件大部分懸空，沒有導向和支撐而導致工件無規律的擺動，輥鍛工件扭轉后會形成飛邊缺陷。因此可增加前軸輥鍛導向工裝，在前軸輥鍛二道次過程中為一道次工件提供支撐和導向，降低輥鍛工件出現扭轉的風險。

結束語

隨著近些年來汽車市場的快速發展，高質量、低成本是未來的發展方向，在如何提高產品質量的同時降低生產成本已經成為企業發展的重中之重。產品是設計和制造出來的，對于鍛造企業來說，合理的設計和有效的過程管控是保證產品質量的關鍵。專業的軟件有助于提高設計可靠性，高效利用各種軟件輔助設計，把控設計源頭，同時對生產過程出現的問題進行改進和防錯，才能在保證產品質量的同時控制生產成本。

本文對制坯輥鍛工藝下前軸輥鍛飛邊缺陷形成原因及影響因素進行了深入研究，分析了在前軸輥鍛設計和生產過程中存在的問題，并提出了幾點建議，希望能為該領域的生產企業提供一定的借鑒和指導意義，做到質量先行，以品質立身。