商用车前轴精密辊锻成形工艺研究

文/李伟，陈文琳·合肥工业大学材料科学与工程学院

朱腾，陈驰·合肥汽车锻件有限责任公司

商用车前轴精密辊锻成形工艺研究

文/李伟，陈文琳·合肥工业大学材料科学与工程学院

朱腾，陈驰·合肥汽车锻件有限责任公司

精密辊锻前轴的难点在于孔形的选择与匹配。本文以某商用车前轴为例，提出一种新的设计方法，首先设计出前轴各道次不同区段的孔形，结合数值模拟分析，确定匹配良好的孔形系；在孔形系确定后，通过理论计算设计前轴各道次不同区段纵向尺寸，并设计各道次辊锻模具；采用数值模拟与物理实验相结合的方法，最终得到符合要求的辊锻件。

前轴锻件形状复杂，锻造成形难度大。20世纪末，我国独立开发了精密辊锻—整体模锻前轴成形工艺，该工艺的难点是孔形的选择与匹配。前轴工字梁采用精密辊锻可达到最终成形尺寸，模锻时该部位不再产生塑性变形，显著降低了模锻成形力，对锻造设备的吨位要求也大大降低。但该工艺难度较大，辊锻成形时，金属流动情况复杂。传统前轴工艺设计时，在各道次辊锻模具设计完成后，对整个辊锻过程进行物理实验，需要同时考虑孔形系的充满与纵向尺寸的匹配，需要多次修模、试模，浪费大量资源、能源。

本文将成形时较难控制的工字筋、座板部位孔形单独设计，并对不同区段孔形系进行局部数值模拟研究，在准确掌握了各道次孔形的填充情况后再结合理论计算对辊锻毛坯与辊锻模具进行整体设计，最后结合有限元数值模拟与物理实验确定前轴精密辊锻成形工艺方案，该设计方法大大减少了产品开发时间与产品调试次数。

前轴精密辊锻工艺分析

重型商用车前轴简图如图1所示，两主销孔间距为（1858±3）mm，允许误差仅为0.16%，精度要求较高。座板截面与工字筋截面为前轴精密辊锻中最难成形的截面，座板上下筋差别较大，材料分布不均匀，工字筋窄而深，成形难度较大。在精密辊锻—整体模锻成形工艺中，工字筋及座板在辊锻时已经基本成形完毕。一般采用三道次辊锻成形，第一道次辊锻对金属坯料进行分配，第二道次辊锻预成形座板、工字筋，并进一步分配颈部金属坯料，第三道完成工字筋部分成形。由于辊锻过程中金属变形与流动规律复杂，不同道次坯料形状、尺寸相互影响，很容易出现模具孔形充不满及纵向长度不匹配等缺陷。

图1 前轴简图

前轴精密辊锻工艺设计

座板截面辊锻成形研究

座板截面为前轴最大截面，为减少辊锻道次，坯料直径选择能充满座板截面的较小值，结合工字筋及其他截面延伸系数来确定最终坯料直径。为保证终锻时座板截面的形状，辊锻件留有一定变形余量，座板处采用两道次辊锻成形，第一道辊锻件旋转90°进入第二道。

初步选取φ150mm的棒料，为准确分析各道次辊锻过程中孔形充满情况，按实际情况设置边界条件，对座板截面辊锻成形进行数值模拟。由于辊锻过程为典型连续局部成形，为节省运算时间，提高设计效率，可采用分段式模拟方法对座板截面进行局部模拟。各道次孔形充满情况为第一道截面孔形采用“礼帽式”孔形，截面形状符合要求，第二道孔形充满，座板截面孔形设计符合要求。

工字筋截面辊锻成形研究

前轴工字筋截面（图2），完全采用辊锻成形。工字筋上下筋为不对称结构，且筋部窄而高，与幅板落差较大，这种结构大大增加了成形难度，工字筋在成形时，轴向方向无约束，金属更易沿轴向流动，金属流动复杂，增加了其成形难度，因此对金属坯料的分配及预成形形状要求较高。

工字筋一般采用三道次辊锻成形，坯料由第一道进入第二道时旋转90°，第二道进入第三道时不旋转。辊锻成形时，金属以压下变形为主，为保证第三道辊锻时，工字筋孔形能充满，第二道辊锻件高度应该较第三道高。由于第二道变形量较大，为保证能准确得到所需第二道辊锻件截面形状，第一道、第二道之间需要较高的延伸系数，第一道孔形应容纳尽可能多的金属坯料。工字筋孔形系设计如图2所示。采用分段式模拟方法对工字筋截面进行成形性分析，各道次孔形都能充满，并产生少量飞边，工字筋截面孔形设计符合要求。

图2 工字筋截面孔形系

前轴精密辊锻纵向尺寸设计

采用上述工艺设计及分段式数值模拟方法可以确定前轴不同截面辊锻成形时的孔形系。在精密辊锻—整体模锻成形工艺中，前轴两“拳头”部位在终锻时成形，根据热锻件形状及等体积原理设计出不同道次辊锻件。

前轴精密辊锻成形研究

精密辊锻有限元研究

由于前轴长度较长，在精密辊锻模具设计时要充分考虑前滑的影响，结合生产实践经验，前轴精密辊锻不同道次、不同区段采用不同前滑值。利用三维造型软件建立前轴精密辊锻几何模型，并导入有限元数值模拟软件中，建立图3所示的精密辊锻有限元模型。

图3 精密辊锻有限元模型

图4 前轴精密辊锻工艺模拟结果

利用三维有限元软件对精密辊锻过程进行数值模拟，各道次数值模拟结果如图4所示。第一道辊锻为制坯辊锻，主要目的是对轴向金属进行合理分配，并对座板部位进行预成形。由于第一道变形非常不均匀，辊锻件易发生弯曲，在辊锻件前端必须施加径向约束来模拟机械手的夹持固定作用。从图4a中可以看出，其孔形充满情况与分段式模拟相同，验证了分段式模拟的可行性，座板处“礼帽式”孔形实现了其强制展宽的作用，工字筋处箱式孔形充满，为后续变形预留足够的材料。第一道辊锻过程中，“礼帽式”孔形与箱式孔组合，辊锻件不易倾倒，辊锻稳定性较高。

第二道辊锻是整个辊锻过程中变形最剧烈的阶段，前后臂及座板基本成形完毕，工字筋部位为预成形。金属流动复杂，第一道辊锻后辊锻件旋转90°送入第二道辊锻模具，第一道“礼帽式”展宽部位恰好落入第二道孔形座板位置，辊锻件不会因为变形不均匀而发生左右摆动，增加了工艺的稳定性。随后第一道箱式截面进入工字筋预成形孔形，左右也被孔形侧壁限制，同样不会发生左右摆动。从图4b中可以看出，孔形均充满，工字筋处产生少量飞边，辊锻件符合设计要求。

第三道辊锻为成形辊锻，该工步完成工字筋截面的终成形，其前后臂及座板均不参与成形。第二道辊锻件直接放入第三道辊锻模具中，不再进行旋转。从图4c中可以看出，工字筋孔形填充良好，飞边分布均匀，符合设计要求。

精密辊锻物理实验研究

前轴精密辊锻成形是一种连续局部成形工艺，成形过程中，金属流动复杂，影响因素较多，到目前为止，还未能对其进行准确的理论计算、分析，在实际生产过程中有限元数值模拟能够对工艺设计起到一定的指导作用，但模拟时的边界条件设置等不可能完全与实际生产保持一致，因此需要对前轴辊锻过程进行物理实验，对生产工艺进行调试。前轴精密辊锻数值模拟研究确定了工艺设计方案的正确性，为尽量保证物理实验与数值模拟的一致性，将所建立辊锻模具几何模型导入加工中心，按照设计方案加工辊锻模具，采用42CrMo钢棒料对前轴精密辊锻过程进行调试。

辊锻工艺调试时主要的问题是辊锻模具孔形是否充满、孔形系是否匹配，辊锻件长度是否符合设计要求。各道次辊锻实验件如图5所示，从图5中可以看出，实验结果与模拟结果相吻合，辊锻模具孔形充满，孔形系匹配良好，辊锻件长度符合设计要求，验证了前轴精密辊锻有限元模型的正确性，同时也验证了该工艺设计方法的可行性，大大减少了调试次数。

图5 前轴精密辊锻工艺实验结果

结束语

通过对前轴进行工艺分析，提出了一种新的前轴精密辊锻工艺设计方法：

⑴对前轴的特征截面工字筋、座板部位孔形单独设计，对各特征截面孔形系进行局部数值模拟研究。

⑵准确掌握各道次孔形的充满情况后，结合理论计算设计辊锻毛坯与相对应辊锻模具。

⑶采用有限元数值模拟与物理实验相结合的方法对前轴精密辊锻成形工艺方案进行验证，在较短的调试时间内得到了尺寸合格的辊锻件。