重载汽车异型前轴批量锻造工艺分析

吕增印，谢晓宇，陈远方

（机械工业第六设计研究院有限公司 国际工程院，河南 郑州 450007）

前轴利用转向节的摆转，实现汽车转向，承受汽车的重量、地面和车架之间的垂直载荷、制动力、侧向力以及侧向力所引起的弯矩等。据研究，车辆下坡急刹车时，前轴将承受总负荷的2/3，因此对其强度、刚性和疲劳寿命要求较高[1]。另一方面，重载汽车前轴重量大，尺寸大，形状复杂，成形难度系数高。基于此，找到一种适合重型复杂汽车前轴的批量生产工艺方法对前轴锻造行业乃至汽车行业均具有重大意义。

1 前轴锻件特点

重载汽车前轴锻件是具有弯曲轴线的零件，将其展开后则是主轴线和分模线为直线的长轴类锻件，特点为：锻件质量100kg 以上，展开长度达2100 mm 以上；锻件主轴线上下部分形状对称，而左右截面在某些区段具有较大的不对称性；锻件形状复杂，特别是限位块和弹簧座工字型一侧的外形反映在锻模型腔上为深而窄的沟槽，金属较难填充成形；锻件纵向截面起伏变化较多，某些部位具有较大的高度落差。根据上述重载前轴的结构特点可以看出，前轴锻件对成形工艺要求非常高。

2 常用锻造工艺

2.1 锤上模锻工艺

国内现有多条160kN（16t）模锻锤机组，山东某重汽集团锻造厂现有2 条160kN 模锻锤机组曲轴、前轴专用生产线。山西某锻造厂现有2 条160kN 模锻锤机组生产重型汽车前轴。内蒙古某集团有1 条160kN 模锻锤生产重型车前轴。

典型工艺流程如下：下料→加热→辊锻制坯（930 mm 辊锻机）→模锻：弯曲、终锻（160kN 模锻锤）→热切飞边（12.5MN 闭式单点压力机）→校正（16MN 油压机）[2]。该工艺优点：锻锤坚固耐用，维护简单，维修费用低，初次投资少，设备立足国内，制造周期短，工艺技术较易掌握，适合多品种中小批量生产，工作万能性大。该工艺缺点：设备振动噪声大，工人劳动强度大，生产的锻件余量、公差、模锻斜度大，锻件精度差，返修率和废品率高，模具寿命低。

2.2 热模锻压力机模锻工艺

在国内，热模锻压力机锻造线主要分布于汽车及农机公司的锻造厂等。

典型工艺流程如下：坯料加热（1250 kW 中频感应加热）→辊锻制坯（ø1000 mm 辊锻机，机械手）→模锻：弯曲、预锻、终锻（125MN 热模锻压力机，左右各一台机械手）→热切飞边（12.5MN 闭式双点压力机）→热精整（15MN 双曲柄专用压力机）[3]。该工艺主要优点：锻件加工余量小，尺寸精度高，模锻斜度小，锻件质量稳定。适合自动生产线，工人劳动强度低，生产效率高。该工艺主要缺点：生产线投资巨大，主机装备制造周期长。

2.3 成形辊锻工艺

该工艺是20 世纪80 年代某车桥厂开发，主机装备为ø1000 mm 辊锻机。

典型工艺流程为：中频感应加热→掉头辊锻3道次→掉头模锻整形→掉头切除飞边→弯曲整形[4]。工艺主要优点：设备投资少，模具费用低，生产成本低。工艺缺点：采用了掉头整形和掉头切边，生产的锻件长度难以保证，误差大，锻件局部充不满较多，手工操作，对工人操作水平要求较高，劳动条件差。

2.4 精密辊锻+整体模锻工艺

该工艺是某机电研究所开发。典型工艺流程：带锯下料→中频感应加热（1500kW 加热炉）→4 道次精密成形辊锻（ø1000 mm 自动辊锻机组）→整体弯曲、模锻（25MN 或以上摩擦压力机）→整体切边（10000kN 或以上摩擦压力机）→整体校正（10000kN或以上摩擦压力机）[5]。工艺特点：中部工字梁区段和两个弹簧前座由辊锻成形至锻件最终尺寸，其余两端部位由模锻成形。由于模锻成型部分占整个前轴的投影面积的20%～30%，且形状简单，因此可以大大减少模锻打击力。锻件质量和压力机模锻件相当，材料利用率高，设备投资少。该工艺生产效率低于热模锻压力机锻造工艺，略高于锤上模锻工艺。

2.5 电动螺旋压力机模锻工艺

笔者于2014 年承担了某重载前轴锻造项目，项目年生产纲领30 万件，产品为戴姆勒高端、异型前轴，重量105kg～138kg。工艺设计要求：①绿色：振动小，噪声低，能耗低；②高效：全线生产节拍1.1～1.2件/min；③智能：全线选用数控设备，自动化控制；④主机装备投资、制造周期可控。

基于上述要求，现有常规锻造工艺均不能满足客户要求。笔者对国内外前轴锻造工艺和主机装备进行了调研，经与客户和主机制造厂家充分沟通，保障技术可靠的前提下，制定如下工艺：

数控下料（智能锯切中心）→中频感应加热（6000kW）→辊锻制坯（1000 型辊锻机，2 道次）→弯曲、预锻、终锻（PZS900 电动螺旋压力机）→热切→冲孔、热校。各工序工艺设计如下。

2.5.1 数控下料

选用智能锯切中心一套，技术特性为：①自动完成定尺下料，锯切最大直径ø200mm；②加热炉自动推送进料；③下料节拍满足1.1～1.2 件/min。

本套装置与传统带机床相比，实现了自动定尺、自动上下料功能，减少了人工搬运，为全线自动化控制提供了条件。

2.5.2 中频感应加热

与燃气加热炉相比，中频感应加热炉的感应加热设备随时启动和关闭，无点火和停炉的燃料损失；加热过程易实行自动化，工人劳动强度小；能量转换效率高，节能15%～40%；能减少锻件加热坯料的氧化皮损失，降低坯料重量1%～2%；加热过程稳定，可提高生产率10%～30%，提高模具寿命10%～20%。

本工艺中频感应加热炉主要技术参数：加热炉温达到1300℃；加热坯件重量为120kg～250kg；坯料规格为ø140 mm～ø200 mm，长度为600 mm～2000 mm；加热节拍为1.2 件/min；加热用电源的总功率为6000kW，频率500Hz～1200Hz，对于较大坯料建议用双频分段预热、加热，提高热效率和透热性；设备配有温控装置、坯料加热温度的测量、分选设备、冷却感应线圈的冷却水装置、专用变压器、计算机控制器、控制系统及上料装置等。

2.5.3 辊锻制坯

辊锻多用于以延伸变形为主的锻造过程，比模锻具有较高的技术经济优越性，效率高，约为锤上模锻的5～10 倍，材料利用率在80%以上、锻坯内在质量优、劳动条件好、并易于实行机械化和自动化。

本工艺坯料直径ø140mm～ø200mm；长度为600mm～2000mm；生产节拍为1.2 件/min。

本工艺选用辊锻机主要技术参数：

2.5.4 模锻成形

模锻工艺选用PZS900F 电动螺旋压力机[6]，本机组用于前轴预锻、终锻工序。较热模锻压机、电液驱动锤、蒸—空模锻机有如下的优点：无下死点；不必调整模具高度；锻造精度高；锻造能量大；负载下不会闷车；可实现闭式模锻；对同一锻件能实现不同能量下的多次打击；接触模具时间短；模具寿命长；电机直接反转，节省能量；操作简单，培训时间短，维修简便；噪声低。

笔者对PZS900F 电动螺旋压力机与KP12500热模锻压力机技术参数、运行成本进行了对比，结果表明电动螺旋压力机更适应重载异型汽车前轴的批量锻造工艺要求，参见表1、表2。

表1 电动螺旋与热模锻压机技术参数对比表

表2 电动螺旋与热模锻压机运行费用对比表

2.5.5 切边

切边机是为了完成锻件锻后的锻件与锻件飞边分离工作，即前轴锻件的切边工序。切边机吨位一般取成形主机吨位的10%，并考虑留有一定的冗余能力，可选用20000kN（2000t）机械压力机。

2.5.6 冲孔、校正压力机

对于前轴锻件，由于考虑到在切边后，要发生翘曲变形。为保证其精度符合产品图纸的要求，都需要在后道工序添加热校正工序，通过精整后，保证锻件的精度和加工余量为最小。本工艺选用5000kN（500t）液压冲孔校正压力机。

2.5.7 其他

本工艺流程中，从中频感应电炉加热开始，经制坯、预锻、模锻、热切飞边、精整校正，需配备5 台机器人或机械手，组成全自动精密锻造线。其它工序的运输、转移及上下料等，用机械手、运输小车、传送带、平衡吊等传输方式完成。

基于本工艺的生产线建成后（如图1），线上各生产设备均配置了数据采集端口，实现了全线联动控制，为打造智能化锻造车间提供了物理条件。经测，全线生产率达到1.2 件/min，锻件表面成形良好，达到工艺设计要求。

图1 重载汽车异型前轴批量锻造生产线

3 结论

笔者对上述前轴锻造工艺方法技术特征、适用性进行了梳理，见表3。

表3 前轴锻造工艺方法对比表

从表3 对比可知，160MN 电动螺旋压力机模锻工艺生产效率高，产品质量好，装备投资适中，劳动条件好，运营成本低，适合大批量重载异型汽车前轴的生产。近年来，该种锻造工艺日益获得国内外重载汽车锻造行业的青睐，必将成为重载汽车前轴批量成形的主流工艺。