汽车前轴精密辊锻技术的发展与扩展

文/蒋鹏·北京机电研究所

赖凤彩·畅丰车桥（中国）有限公司

汽车前轴精密辊锻技术的发展与扩展

文/蒋鹏·北京机电研究所

赖凤彩·畅丰车桥（中国）有限公司

前轴坯料轧制与辊锻生产技术发展过程

前轴周期轧制型材技术

1920年，在美国一些工厂就开始试验前轴周期轧制型材，他们在普通轧机的开式孔型内，多道次轧制成形。工字梁部分精轧成形，达到锻件尺寸。20世纪五六十年代，在美国试验轧制无飞边的等宽周期型材成功，但由于增加了轧制道次，限制了周期轧制型材的普及应用。20世纪50年代末，前苏联开始采用周期轧制型材取代一般圆坯或方坯锻造前轴，周期轧制型材切断后加热，然后在模锻锤或热模锻压力机上弯曲和终锻成形。这种方法可以提高生产效率1.5～2倍，节约金属材料10％。前提是周期轧制型材的批量要大，轧钢厂才能接受定货。

辊锻机制坯技术

20世纪50年代，国外热模锻压力机得到迅速发展，由于热模锻压力机上不适合拔长、滚挤等制坯工步。因此，在热模锻压力机上模锻轴类锻件时，必须配有制坯辅助设备，这就大大促进了辊锻工艺和辊锻机的应用和推广。德国某汽车厂的前轴锻造工艺，原用3台空气锤制坯供应坯料还很紧张，锻件质量低，金属消耗大，飞边损失达20％。后来采用一台自动辊锻机制坯就满足了生产要求，且锻件质量好，材料利用率提高。

前轴成形辊锻工艺

20世纪80年代末，国内开发出了前轴成形辊锻工艺，主要设备为φ1000mm辊锻机和摩擦压力机，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，成形辊锻工艺的优点是设备投资少，模具费用低，适合多品种生产，锻件成本较低。但由于工艺中采用了掉头整形和掉头切边，生产的锻件长度难以保证，误差较大。锻件局部充不满较多，补焊率较高。另外，该工艺全部采用手工操作，对工人操作水平要求较高，劳动条件较差。

前轴精密辊锻—整体模锻工艺

20世纪90年代初，北京机电研究所开发出前轴精辊—整体模锻成形工艺，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。主要工艺流程为：中频感应加热→4道次精密辊锻→弯曲、模锻→切边→热校正。

前轴精密辊锻工艺的技术特点为：

⑴采用4道次辊锻将前轴的大部分（包括工字梁、弹簧座部位）辊至锻件成品尺寸，仅少部分（主要是两端拳头部分）通过模锻成形，这样可以大大降低模锻设备吨位，降低生产线总造价。

⑵使用在引进德国技术的基础上专门针对前轴精密辊锻技术开发的，配套程控机械手的φ1000mm自动辊锻机，配合与中频感应加热配套的上下料装置，使辊锻工艺过程自动化操作，不仅提高了效率，减轻了工人的劳动强度，更重要的是可以获得稳定、优质、温度均一的辊锻件。这样，不仅为后续工序的稳定生产奠定了基础，而且成为用该工艺生产高质量的前轴锻件的重要保证。

前轴精密辊锻的技术与装备的进步

从有料头辊锻到无料头辊锻

最初的前轴精密辊锻件中包含料头，这一部分材料切边后随飞边变成废料，降低了锻件材料利用率。后来尝试将夹持部分作为模锻坯料的一部分模锻成形，这样可以明显提高材料利用率，目前锻件材料利用率一般可以达到90％以上。

无料头辊锻大大提高了锻件材料的利用率，但是由于一端带料头，一端经过辊锻变形更加接近锻件形状，结果造成锻造时前后方向打击力的偏载，这种情况下对打击吨位较小的设备有较大的影响。为了消除偏载的情况，曾经考虑过在自动辊锻机上添加装置，完成掉头辊锻的技术方案。但是，由于掉头后定位等技术问题以及掉头后的效率问题等未能采用。现在，新上的前轴锻造生产线锻造吨位越来越大，料头造成打击偏载对设备的影响越来越不明显。

从四道次辊锻到三道次辊锻

最初的精密辊锻设计为四道次辊锻，其中第一道次辊锻的变形比较小，变形部位不多，变形部位的延伸率一般在1.1以下。经过分析，认为有可能将第一道次和第二道次合并，用一道次辊锻完成两道次的成形。这种思路后来投入应用并取得成功，该工序有如下优点：

⑴可以明显提高生产效率。辊锻效率低一直是前轴精密辊锻－整体模锻生产线影响生产效率的关键因素，精密辊锻从四道次到三道次的改进可以明显提高生产效率。

⑵缩短工艺调试时间。原来四道次辊锻的时候，第一道次和第二道次辊锻件和辊锻模型槽之间的匹配问题一直是一个很难解决的问题。将原第一道次和第二道次辊锻合并成一道次以后，这个问题就不存在了。

辊锻机的不断强化

最初北京机电研究所曾经开发出一台用于前轴辊锻的加强型φ680mm辊锻机，用于小型前轴的精密辊锻，这台设备至今还在重庆某公司使用。但是，该机器只能用于50kg以下的小型前轴的精密辊锻。为了扩展辊锻机的工艺应用领域，北京机电研究所开发出φ1000mm辊锻机。该机是在引进德国EUMUCO公司技术的φ930mm辊锻机的基础上进行改进后的产品，具有液压慢速启动，快速辊锻成形的特点。2003年以前，该种辊锻机被用于装备国内多条前轴辊锻生产线。在生产使用中发现，该种辊锻机在进行100kg以上的前轴精密辊锻生产时有力能不足的现象，于是又开发了加强型φ1000mm辊锻机，第一台设备用于雅安车桥厂的前轴生产线。

加强型φ1000mm辊锻机及配套机械手是在原φ1000mm辊锻机的基础上进行了改进设计的产品，具体如图1所示。经改进后，辊锻机的扭矩、抗轴向力的能力明显加强，可以满足中、重型卡车和大型客车前轴精密辊锻的工艺要求。

加强型φ1000mm辊锻机主要进行了以下改进：

图1 加强型φ1000mm辊锻机及配套机械手

⑴增大辊锻扭矩和辊锻力，提高飞轮能量。具体措施是增大离合器摩擦块和气缸面积，相应增加飞轮转速等。由此进行传动箱、离合器机构的改进设计（包括传动比、齿轮、传动轴、轴承和箱体等），同时立柱相应要加宽，铜套直径加大、加宽等。

⑵锻辊增强承受轴向力的能力，且结构上要便于磨损后进行轴向间隙调整，承压面配有润滑。

⑶锻辊提高材料牌号，提高表面硬度。

图2 畅丰车桥前轴生产线中的使用了框架式液压机进行切边校正

⑷为便于装拆及调整，离合器、制动器及大齿轮等取消楔键结构，采用胀套固紧结构。

⑸辊锻机传动箱散热采用下通冷空气，上排热空气方法降低温度。

辊锻机械手和φ1000mm辊锻机配套使用，可自动完成接料、多道辊锻，并将辊锻后的工件送到下一台模锻设备上的相应模膛中（自动线）或模锻工便于操作的地方（人工操作线）进行模锻成形。辊锻机械手共有4个自由度，运动速度快，定位精确，技术成熟。

近年来伺服电机驱动的辊锻机械手应用逐渐广泛，和原液压驱动相比，特点如下：

⑴伺服电机驱动的机械手的纵向位置，可以在操作台上实现设置，并可以随时修改数据。这样，工件在各道次的各个特征段的纵向位置容易相互匹配一致。而液压驱动的机械手，在纵向位置的前始点采用的机械挡块，各道次不能错开确定前始点。

⑵伺服电机驱动的机械手由于取消了液压驱动的机械手纵向固定中位的设计，因此，机械手可以在设定的位置上横移而不需要回到中位横移，因而可以节省走车时间。经测算，伺服电机驱动的辊锻机械手完成三道次辊锻的时间可以比液压驱动的设备快10s。

模锻主机的大型化

原来国内普遍采用25000kN摩擦压力机为前轴精密辊锻整体模锻的模锻主机，后来湖北三环车桥公司在其前轴四线上使用25000kN高能螺旋压力机作为模锻主机，之后又在其前轴六线上使用40000kN高能螺旋压力机为模锻主机。再往后，国内出现更大型的摩擦压力机，在新建生产线中，选择采用大吨位摩擦压力机的厂家也在逐渐增多。

切边、校正方式的多样化

前轴切边校正设备开始使用比较多的是两台摩擦压力机分别完成切边和校正工序。后来尝试在四柱式切边校正液压机切边校正，畅丰车桥的锻造生产线中使用了带强力压边的框架式切边校正液压机切边校正，见图2。

自动化操作成为趋势

前轴锻件比较重，手工操作劳动强度较大，因此有必要采用自动化操作方式。第一条前轴自动化生产线应该是湖北三环车桥公司在其前轴四线，该线采用坐标式机械手操作，实现了主要工序的无人化。后来，多关节机器人技术逐渐成熟和普及，其在前轴生产线中获得了越来越广泛的应用。

精密辊锻技术的应用扩展

平衡轴的精密辊锻模锻生产技术

平衡轴是重型卡车上的的一种零件，是一种弯曲的长轴类件，目前采用精密辊锻-模锻生产技术可以成熟地应用于生产，图3是重庆某厂在前轴精密辊锻整体模锻生产线上生产的平衡轴锻件。

图3 平衡轴锻件产品

铁路货车钩尾框的精密辊锻工艺

为适应铁路货车车辆重载提速的要求，铁路车辆近几年来铸件改锻件的趋势明显。和铸件相比，锻件的强度和可靠性大大加强，品质提升效果明显。但同时由于铁路锻件普遍体积大，质量大，而且从铸件转化为锻件时一般仍保留许多铸件的结构特点而导致形状复杂。这些特点都形成了铁路锻件锻造的特点：需要大吨位的锻造设备、锻造工艺复杂，成形难度大。

铁路车辆钩尾框锻件主要形状如图4所示。锻造钩尾框最初采用自由锻制坯，31500kN摩擦压力机模锻的工艺，其主要工艺为：下料→自由锻制坯→摩擦压力机上锻造（展开锻造）→液压机上折弯→整形。需要两火或三火才能成形。该工艺方案的缺点是：自由锻制坯效率低，火次多，材料利用率低，模锻打击力大，综合成本较高。

借鉴前轴精密辊锻－模锻技术针对锻造钩尾框制定研究开发工艺方案，其工艺路线为：下料→加热→φ1000mm辊锻机上4道次部分成形辊锻→25000kN以上摩擦压力机锻造→切边→在通用设备上用专用工装或用专用液压折弯机折弯→整形。用该工艺生产的钩尾框成品图见图5。

图4 钩尾框锻件图

图5 钩尾框辊锻成品图

结束语

汽车前轴精密辊锻技术是我国自主开发成功的有中国特色的一种实用技术，经过多年的研究、发展、推广和应用，已经成为汽车前轴锻造的主流工前采用这种技术的生产线在国内以上，已经形成很强的生产能汽车工业特别是商用车的快速发展提供了有力的保障和支持。该工艺除了平衡轴、铁路货车钩尾框之外，在大型长轴类锻件生产技术中还有开发推广的良好前景。目前，采用精密辊锻技术生产汽车前轴的厂家可能共同面临两个问题，一个是市场需求不如前几年强劲；另一个是用户对质量，特别是外在质量提出了更高的要求。因此，继续完善提高精密辊锻技术和装备水平，生产出优质锻件，才能在国内市场上站稳脚跟，并且有希望迈向更广阔的国际市场。

蒋鹏，工学博士，研究员，北京机电研究所塑性成形工程技术中心主任，机械科学研究总院博士生导师。中国机械工程学会塑性工程分会理事、精密锻造学术委员会主任委员等。