高压共轨辊锻制坯及成本分析

文／张海建，张海峰·江苏理研科技股份有限公司

李朔·淄博宏杰锻压设备有限公司

随着国家对汽车排放管控要求越来越高，高压共轨在汽车上使用也会越来越普及。共轨管的作用是将供油泵提供的高压燃油分配到各喷油嘴中，在车行驶过程中压力传感器向ECU 提供高压油轨的压力信号；液流缓冲器的作用是保证在喷油器出现燃油漏泄故障时立即切断向喷油器的供油，并且同时减小共轨和高压油管中的压力；压力限制器保证高压油轨在出现压力异常时，迅速将高压油轨进行泄压。所以考虑特殊使用环境，锻造高压共轨的市场需求也越来越明显。

日前市面上比较普遍的高压共轨的锻造制坯工艺有两种，一种是原材料加热后直接锻造，另一种是使用自由锻制坯。原材料直接锻造，造成了原材料过多的浪费，产品的制造成本会居高不下，这与现在成本观背道而驰。自由锻制坯对职工的技能要求比较高，在制造过程中，产品的不可控因素比较多。本文主要阐述了辊锻工艺用于高压共轨的锻造前道制坯工艺可行性分析及对比。

产品结构分析

图1为某高压共轨产品，原材料牌号为1.4301(现市场上原材料的单价成本约在24500元/吨，含税单价)，总长330.6mm，高度46.2mm，单重约1.54kg。

图1 某高压共轨产品

现行的锻造工艺

参考产品结构，现行的锻造加工工艺为：锯料→加热→预锻→终锻→切边。根据产品总长、最大截面积并结合有限元分析，设计初期选择原材料规格为φ34mm×320mm，见图2)，原材料重量为2.28kg，产品材料利用率为67.5%。

图2 原材料及成品

调整后的锻造工艺

此产品最高月需求量不少于100000 件，现行的锻造工艺造成原材料浪费过多，原材料成本居高不下，且大部分原材料都以废料的方式损耗了。

根据产品的结构特点，考虑增加制坯工艺来提高原材料利用率。目前行业中杆类零件常用的制坯工艺有楔横轧及辊锻，考虑到辊锻相对于楔横轧，在截面变化上更为丰富一点，从而我们选择辊锻制坯的工艺。调整后的锻造工艺为：锯料→加热→辊锻→预锻→终锻→切边。

应按照计算毛坯图的要求选择坯料，根据最大变形程度计算出辊锻道次，选择型槽系，合理分配道次变形量。根据变形规律计算出每道次的坯料截面尺寸，使各道次变形相适应，合理选择型槽系统是关键。粗略选择圆→椭圆→圆的型槽变化，根据调整后的工艺，做以下技术可行性分析。

⑴设计辊锻后的辊锻件。

根据产品总长及各段截面积的分布，使用UG 或者其他3D 软件，计算各区域的截面积，从而设计辊锻后的辊锻件(图3)，设计后的理论辊锻锻件重量为2.031kg，选择原材料规格为φ34mm×285mm，产品材料利用率为75.8%。

图3 辊锻件设计及尺寸

⑵锻造有限元分析。

对设计好的辊锻件进行有限元分析，模拟材料在模具型腔内的填充情况，如图4 所示，坯料在模具型腔内填充良好，飞边分布均匀，初步确定辊锻毛坯设计合理，可以继续设计辊锻模具。

图4 坯料在模具型腔内填充良好

⑶辊锻模具设计及辊锻有限元分析。

辊锻模具设计(图5)步骤如下。

图5 辊锻模具设计

1)辊锻后最小截面圆为φ26mm，原始原材料规格是φ34mm，根据辊锻道次计算公式n=lg(S1/S2)/lgγ，式中：S1表示辊锻前截面积，S2表示辊锻后截面积，γ 表示平均延伸系数，一般是1.4 ～1.6。计算理论辊锻道次n ≈1.32 道次，从而确定辊锻道次为2 道次。

2)根据公式S2=S1/10n×lgγ，考虑各道次截面的变化，计算各道次截面面积。

3)根据体积不变的原理，确定各分段的长度L=V/S。

4)角度制及弧度制的换算,α=(L/Rz)×57.2958(Rz 为辊锻型槽的最浅半径，Rz=辊锻模的半径-相应矩形高度/2，此项根据计算人员的理解不同，在计算形式上会有少量差异)。

5)因 产 品 辊 压 变 形 量 比 较 小(φ34mm →φ26mm)，最后建议使用有限元分析软件，验证一下型腔设计是否合理。

6)利用有限元分析软件进行辊锻分析，见图6。

图6 辊锻有限元分析

7)最后根据模拟结果，逐步分析锻造缺陷、锻造温度、锻造流线、产品填充以及模具受力分析，一切都完成后，进行模具的加工制造。

⑷辊锻设备选型及辊锻模具加工。

根据与设备厂家探讨，结合坯料规格，选用淄博宏杰300 全自动辊锻机(图7)。考虑产品的开发周期以及加工锻造模具的经验，辊锻模具委托玉环新驰模具厂加工。

图7 淄博宏杰300全自动辊锻机

⑸辊锻工艺调试及改善前后对比。

如图8 所示，改善后产品的最终成形状态，各区域充型完好，辊锻一个坯料需要的时间是5s 左右，即辊锻没有对产品锻造节拍产生明显影响。

图8 改善前后产品对比

结束语

通过实际结果的验证，单件产品节约原材料0.249kg，材料利用率提高8.3%，按产品的月需求量，其产生的经济效益相当可观。

考虑辊锻成形的工艺特点：生产效率高，所需吨位小，可实现小设备做大产品，劳动环境好，模具磨损小，模具寿命高，操作简单，很容易实现机械化与自动化，适用于坯料截面减小的塑性变形，锻件质量高，产品一致性好以及材料利用率高。针对高压共轨的辊锻制坯工艺，在当前竞争激烈的市场环境下，很值得推荐。