一体式无缝钢管前轴梁成型工艺的探讨

周国胜

（北京福田戴姆勒汽车有限公司，北京101400）

0 引言

目前市场上卡车前轴梁有不同结构。有组合式结构，即由采用无缝钢管的中间部分与采用模锻成型的两端拳形部分组焊而成［1］，有钢板拼焊成管状的前轴梁；也有广泛使用的工字梁前轴梁。工字梁前轴形状复杂，截面起伏较大，特别是弹簧座、工字梁部位具有深而窄的截面，是一种难锻造的长轴类零件［2］。而一体式无缝钢管前轴梁是个新技术，相比工字梁前轴，优点为成型简单，强度高，质量轻，投入设备费用低，其代表卡车前桥梁的另一种发展趋势，是前轴梁在技术上一种突破。

本文主要阐述一体式无缝钢管前轴梁概念、一体式无缝钢管前轴梁成型工艺，以及一体式无缝钢管前轴梁特点及应用。

1 一体式无缝钢管前轴梁概念

一体式无缝钢管前轴梁是用整段无缝钢管通过热挤压成型技术而制成，中间是中空的，两端拳头部分是实心的前轴梁，一般为SAE1527、Q345B等材料，其横截面为中空矩形，其三维图见图1。

图1 一体式无缝钢管成型的前轴梁三维视图

图2 一体式无缝钢管成型的前轴梁剖视图

一体式无缝钢管前轴梁由中间部分、拳头和颈脖三部分组成，如图2所示。其中间部分壁厚与原材料无缝钢管壁厚相同；颈脖部分壁厚比中间部分壁厚要厚些，其壁厚在一定范围内根据需要进行增厚；拳头是实心的,由无缝钢管镦实而成，这是一体式无缝钢管前轴梁关键特点所在，拳头不是焊接的，区别组合式前轴梁。

2 一体式无缝钢管前轴梁成型工艺

2.1 下料

首先根据前轴梁设计参数选择好原材料无缝钢管，比如无缝钢管壁厚、直径、长度等。

1）无缝钢管外径及壁厚工艺设计。

一体式无缝钢管前轴梁中间部分是矩形，设截面长为a，宽为b，壁厚为c，原材料无缝钢管外径设为D，壁厚为 E。D=2（a+b）/π；E=c。可根据 D、E 选择无缝钢管。

2）无缝钢管长度工艺设计。

无缝钢管长度首先包括梁中间长度、2个颈脖和2个拳头长度，这部分长度设为L0，其次根据颈脖增厚、拳头成为实心所需要材料体积计算出额外增加长度，这部分长度为Le，缝钢管长度工艺参数Lg=L0+Le。

根据设计好的工艺参数D、E和Lg进行下料，同时根据经验进行调整。

2.2 增厚

增厚工序为颈脖部分增厚，是关键工序，同时是衡量车桥热挤压水平高低。增厚程度高，热挤压水平就高。

增厚工序分二工位，一工位是加热工位，另一工位是挤压成型工位。

1）加热工位。加热装置是线圈绕成的中频加热圈，能根据设定温度可自动移动，沿着前轴梁轴线方向前后移动，线圈长度是根据增厚部分长度确定。

两中频加热线圈从前轴梁两端移动到需要增厚部分，见示意图3（a），然后加热再结晶点以上某个温度值后（如SAE1527材料加热温度为850℃，实际误差允许±5℃），两中频加热线圈从前轴梁两端同时退出（自动移动是依据设备自动化程度而定），然后前轴梁被转移到热挤压成型工位。

图3

2）增厚热挤压工位。加热后前轴梁被送入增厚热挤压工位，模具可以沿着无缝钢管轴线方向前后移动，增厚成型模具从前轴梁两端进入，然后挤压。一次挤压增厚厚度达不到设计尺寸，可以多次加热，多次热挤压，直到增厚尺寸满足设计值为止。增厚尺寸满足后，模具退出。前轴梁进行空冷，空冷后被转移到推方工序。增厚可以一端先增厚，另一端后增厚，也可以两端同时增厚，如图3（b）。

2.3 推方

推方就是把前轴梁圆截面变成矩形截面，这样车桥承载能力增加10%以上。推方用推方机器把圆管渐变式变成矩形截面，如图4所示。推方过程是冷挤压成型过程。推方完成之后无缝钢管被转移到镦实工序。

图4 推方渐变示意图

2.4 镦实

镦实工序是利用热挤压技术把前轴梁两端挤压成实心，镦实需要一端一端地进行。根据经验无缝钢管壁厚太薄，强度低，不能完成镦实，因为镦实从两端处用力挤压，强度低，壁厚薄无缝钢管不能承受此力，中间部分就会变形拱起，完成不了镦实工序。目前工艺水平能做到10 mm壁厚无缝钢管完成镦实工艺。镦实工序是关键工序，会直接影响前轴梁疲劳寿命。如图5所示实心到壁厚处过渡部分，这是个非常重要的工艺参数，过渡部分要平滑，平滑程度直接影响前轴梁寿命。这个参数是根据经验不断摸索而来，一般使用正交法做试验得来的。过渡部分平滑程度由加热温度、热挤压强度和材料流动综合因素决定。

图5 镦实

2.5 压颈脖

压颈脖是前轴梁颈脖部分局部热挤压成型。先加热后用成型模具进行挤压，形状如图6所示，该工序关键在于温度控制和成型模具精度。温度控制得好，成型模具精度高，挤压出的颈脖非常漂亮，这个影响到前轴梁美学视觉效果。压颈脖之后转移整体成型。

图6 压颈脖

2.6 整体成型

整体成型工序就是把前轴梁压制成成品毛坯（不包括主销孔）形成一体式无缝钢管前轴梁，其尺寸符合一体式无缝钢管前轴梁设计尺寸。整体成型示意图见图7。

图7 一体式无缝钢管前轴梁整体成型示意图

整体成型工序分二工位：加热工位，成型工位。

1）加热工位。加热工位用加热装置把颈部加热，温度控制在700～800℃范围内，满足整体成型需要。温度控制成了关键，温度高低影响材料流动。材料流动过快，颈脖与中间部分的过渡部分壁厚被挤压很薄，降低前轴梁疲劳寿命。

2）成型工位。成型模具分上成型模具和下成型模具，成型时用液压机给上成形模加力，在压力下，上下成型模具合力把前轴梁成型出来，两模闭合后，要静压5 min以上方才开模，这样一体式无缝钢管前轴梁就制造出来。静压时间太短，材料有弹性回弹现象，会导致成型失败。

2.7 热处理

整体成型后前轴梁需要调质处理，使材料达到设计性能要求。因为一体式无缝钢管前轴梁不再是直线，而是两端颈脖翘起，在热处理时容易变形，因此要有防止前轴梁变形措施。

3 一体式无缝钢管前轴梁特点及应用

3.1 一体式无缝钢管前轴梁特点

1）轻量化。一体式无缝钢管前轴梁特点是中空矩形截面，特别节约材料。根据市场对比，一体式无缝钢管前轴梁比在中国市场上相同额定轴荷工字梁前轴质量轻，一般轻10 kg左右。

2）承载能力强。一体式无缝钢管前轴梁在轻量化基础上，由于中空矩形截面设计，其承载能力比在中国市场相同额定轴荷工字梁提高6%以上，比相同截面面积圆截面车轴提高10%以上。具体表现在设计额定轴荷7.5 t一体式无缝钢管前轴梁，用8t载荷做了一组台架试验，试验数据见表1，试验结果平均寿命95.2万次，最低寿命为76.4万次，大于70万次寿命标准。7.5 t前轴梁达到8t桥承载能力。台架试验标准执行QC/T513-1999和QC/T483-1999标准。试验上限载荷为3.5倍额定轴荷，下限载荷为0.5倍额定轴荷。前轴疲劳寿命同时达到B5不小于30万次（或B10不小于38万次）和B50不小于70万次双指标的为合格品［3］

表1 台架试验数据

3）成型简单。一体式无缝钢管前轴梁成型工艺相比辊锻成型工字梁前轴成型工艺要简单，投入设备成本要低很多。

4）不足之处：一体式无缝钢管前轴梁需要多次加热，材料晶粒容易变粗大，影响材料的力学性能；其次，坯料必须加热至热锻温度进行挤压，常伴有较严重的氧化和脱碳等加热缺陷，影响了挤压件的尺寸精度和表面粗糙度等。

同时目前由于受到无缝钢管刚度技术限制，5 t以下的一体式无缝钢管前轴梁暂时制造不出来。

3.2 应用

一体式无缝钢管前轴梁应用非常广泛，能应用到公路和非公路汽车，还包括工程机械用车。目前市场上有5～9 t一体式无缝钢管前轴梁，基本涵盖重卡匹配前桥需要。一体式无缝钢管前轴梁特别适合匹配具有轻量化设计中重卡车，承载能力强且质量轻。

4 结语

1）通过探讨得到一体式无缝钢管前轴梁成型工艺，共7道工序，包括下料、增厚、推方、镦实、压颈脖、整体成型、热处理。

2）论述了一体式无缝钢管前轴梁优点和不足。优点是轻量化、承载强、成型简单；不足是材料多次加热，材料晶粒粗大，影响材料机械性能，目前受到无缝钢管刚度限制，5 t的一体式无缝钢管前轴梁暂时制造不出来。

3）根据一体式无缝钢管前轴梁特点，其应用范围包括公路和非公路车辆用桥，特别适合匹配轻量化设计的中重卡车。

［1］ 刘惟信.汽车设计［M］.北京：清华大学出版社，2001：418.

［2］ 魏科，王高潮，李宁，等.基于DEFORM和正交试验法的前轴辊锻工艺优化［J］.塑性工程学报，2012，19（1）：6-10.

［3］ 刘彦成.汽车标准汇编：第4卷［M］.北京：中国汽车技术研究中心汽车标准化研究所，2000：137.