低底盘商用车前轴锻造工艺改进与优化

文／潘海江，武络，霍威，叶婷婷，李晶·内蒙古一机集团富成锻造有限责任公司

前轴是大型商用车底盘系统的重要零部件之一，其形状复杂，使用中会承受较大的冲击载荷，特别是在车辆行进当中会承担一半以上的车辆总负荷，因此生产中对其综合性能要求较高。市场上前轴的基本生产工艺主要为锻造，以确保产品具有较高的综合性能。

国内前轴锻件的典型生产工艺

锤上模锻工艺

国内一些厂家采用10t、16t 模锻锤对前轴进行整体性锻造生产，同时采用自由锻制坯，该方式的不足之处主要表现为生产时需进行多次加热，锻件质量不高，废品率较高，生产效率和模具寿命低，但适用于多品种小批量生产方式。

热模锻压力机锻造工艺

同锤上锻造相比，采用该种生产方式完成的前轴毛坯具有显著的优势，主要表现为：加工余量小、尺寸精度高、模锻斜度小、锻件质量稳定等，适合在机加工自动线上加工，后续加工量小，一般设计成自动线。

前轴成形辊锻生产工艺

由于此生产工艺具有投资少、模具投入费用低、适合多品种生产以及毛坯综合成本低的特点，该工艺被主要前轴生产厂家所青睐，但也具有因部分生产缺陷导致产品误差大、长度尺寸难保证以及因局部充型不足而补焊率较高的劣势。湖北三环是国内较早使用辊锻工艺生产前轴的厂家，随着锻造工艺及水平的不断提高，大部分生产线都改造为精密辊锻-整体模锻工艺。

前轴精辊－模锻工艺

前轴精辊－模锻工艺是我国针对前轴产品自主开发的新型成形工艺技术，与其他工艺技术相比，利用该种工艺技术生产的锻件，其表面质量、尺寸精度基本相当，但总体设备投资却减少了90%左右。该成形工艺的主要技术指标如表1 所示。

表1 前轴精辊－模锻工艺主要技术指标

开发产品介绍

本次开发低底盘客车前轴锻件产品成双落差结构，同时板簧座位于中间部位呈花瓣状。较以往开发的重卡前轴形状和结构更为复杂，经计算，该低底盘客车前轴锻件的锻造复杂系数S=mf/mn=0.148。按评定准则S ≤0.16，故此前轴锻件属于复杂类锻件。开发的目标产品三维实体如图1 所示。

图1 锻件三维实体

工艺方案制定

此项目前轴锻件的总长尺寸精度要求较高，公差范围小；锻件除加工桥拳、板簧座外，其他表面全部为非加工面；板簧座位于中间拐角处且呈花瓣形状，从锻造成形方面来说，板簧座不易充满模膛。

根据产品整体结构分析，结合产品的外形尺寸及锻件锻重，考虑到产品表面大部分为非加工面，必须保证产品表面精度，公司只有16000t 压力机自动化生产线能够满足此前轴加工要求。通过项目组多次讨论，制定了此前轴在16000t 生产线上的锻造工艺方案(图2）。

为了确保此低底盘客车前轴研制开发的成功，项目组从人、机、料、法、环、测等几个方面进行了全面控制，确保产品研制过程处于受控状态，保证产品最终质量。

锻件研制过程中的难点分析

锻件结构复杂，成形困难

该研制产品为双落差结构，板簧座位于中间拐角处并呈花瓣状，此处模具模膛上会形成深而窄的沟槽，不利于金属流动，不易充满模膛。同时，由于板簧座一侧形状呈现高而窄的结构，热能损失快，温度下降明显，金属流动性变差，对板簧座的充满更加不利。

图2 前轴锻造工艺方案

外观质量要求高

依据该产品的锻件图和零件图，此前轴锻件除加工桥拳两端面、主销孔和板簧座两侧外，其他表面全部为非加工面，锻件表面外观质量要求高。

锻件落差过大

产品所用生产线，在设计主机模板时，是以三工步锻造工艺为基础设计的，相对锻件宽度方向的顶杆孔位置调整量较小。此客车前轴整体落差过大，已达到355mm，若按正常模具分布设计，会导致此前轴无法正常生产。

解决措施

重新设计模具结构

针对低底盘客车前轴双落差结构，在现有主机模板的基础上，重新设计模具结构。结合锻件本身结构特点，特将该前轴的模具设计成为一体模(图3）。因前轴落差过大，压弯模下模无法实现装夹，故下模将压弯、预锻、终锻模膛设计为一体模；为实现锻件的顺利顶出，上下预、终锻中间顶杆共用一组顶出横梁。

图3 上下模结构

优化压弯顶杆结构

原模板压弯处的顶杆孔为φ100mm的两个通孔，孔中心距为800mm。而该前轴的板簧座内侧距离约为1000mm，使用原位置顶出坯料，会导致顶出过高与部分机械干涉，同时会导致坯料侧翻的现象，所以需对压弯顶杆结构进行优化。优化方案如图4 所示，采用杠杆连接，对模板局部进行调整后，将顶出位置更改到中间位置，其顶出块长度避让开3 号机械手，防止干涉。

图4 压弯顶出结构和杠杆

模拟情况

⑴模拟参数的设置。

辊锻的模拟参数如表2 所示。

表2 辊锻模拟参数

⑵辊锻的模拟结果。

受设备局限，辊锻机最多设计两道次模膛。图5 所示为坯料经过两道次辊锻后的模拟结果及能量曲线。

⑶压弯的模拟结果。

图6 所示为压弯后坯料的基本外形和打击力曲线，压弯打击力为3t，压弯后的径向截面变化较大。

图6 压弯模拟及打击力

⑷预锻模拟问题。

压弯后将坯料放入预锻模膛后进行模拟，分析在预锻模膛内坯料的流动情况，发现靠近外板簧座的相对位置可能是产品产生缺陷的主要位置(图7），对优化整体锻造工艺起到很大帮助。

图7 预锻模拟情况

⑸终锻模拟情况。

在终锻时，因板簧座位置处于拐角处，此处不易充满模膛；板簧座相对位置因截面变化较大，局部金属流动方向发生改变造成折叠伤(图8）。

图8 终锻模拟情况

优化方案

⑴优化辊锻毛坯。

通过数值模拟分析，预锻板簧座外侧坯料在成形过程中，金属充满此处模膛后迅速向内侧流动，与工字梁处的坯料汇合产生折叠伤。针对此问题，在保证锻件充满的状态下，优化辊锻毛坯，减小板簧座外侧预留的坯料(图9）。

图9 优化辊锻毛坯前后

⑵优化预锻和压弯模膛。

根据终锻模拟情况，因前轴板簧座位于中间拐角处，又呈花瓣形状，故板簧座内侧花瓣不易充满。针对此问题对预锻模膛局部进行优化，同时将压弯模膛板簧座处的形状结构进行调整，优化为“心”形截面，具体结构如图10 所示。

图10 预锻和压弯优化

切边模优化

为提高模具寿命，延缓阴模磨损，保证自动化生产线顺利生产，将切边阴模刃口结构优化为阶梯式(图11）。

图11 优化后的阴模

图12 低底盘客车前轴锻件实物

试生产

经过锻造生产试制以及最终的探伤和检验，试制结果如下：

⑴锻件尺寸满足图纸要求，表面质量良好，锻件检测合格，满足批量生产要求。

⑵对热处理后的锻件进行机械性能检测，发现各项性能指标均符合图纸要求，产品实物如图12 所示。

结论

通过工艺改进与试生产验证，工艺参数及工艺流程方案合理可行，可指导批量生产；现有的低底盘客车前轴生产设备、工装、检测手段能够满足产品的质量要求；试生产的前轴锻件各项检测指标均达到图纸、标准及技术协议要求，用户试加工后能够满足其使用要求。