某重型卡车前轴精密辊锻工艺设计与优化

2021-03-29潘琪琛陈文琳

模具工业 2021年3期

王星，刘宁，潘琪琛，朱腾，陈文琳

（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥 230009；2.安徽合肥汽车锻件有限公司，安徽合肥 230031）

0 引言

作为重型商用车的重要保安件之一，前轴在汽车行驶过程中承受较大载荷，要求具有较高的强度和较长的疲劳使用寿命[1,2]。目前，国内前轴成形主要采用精密辊锻-模锻成形工艺。辊锻成形工艺的特点是材料利用率高达85%以上，所用设备压力小、锻件精度高、表面质量好、生产效率高[3]。但精密辊锻-模锻成形工艺较复杂，需考虑各道次间纵向尺寸的合理匹配及“工”字筋和座板等难成形部位对应型腔填充程度等因素，造成前轴在实际生产前需要反复调试，工艺设计难度大及周期长。

以某重型卡车前轴为研究对象，对其进行工艺设计，针对“工”字筋填充不满的问题，利用有限元分析软件分析“工”字筋变形过程中金属流动规律，优化辊锻模具，最终生产符合要求的前轴锻件，缩短了开发周期。

1 重型卡车前轴的工艺设计

1.1 前轴结构分析

某重型卡车前轴热锻件如图1所示，所用材料为42CrMo，理论质量为112 kg，两拳头主销孔距离为（1 868.7±3）mm，两座板中心距为（890.6±1）mm，要求座板中心与两主销孔中心连线的偏移量不大于1.0 mm。前轴属于大型长轴类锻件，沿轴向方向各部位截面变化大，其中“工”字筋筋部高度为101.2 mm，中间壁厚为18.2 mm，筋板高度与壁厚之比大于5，此处成形时金属流动剧烈，常出现“工”字筋筋部末端填充不满的情况。在工艺设计时应尽量提高金属在高度方向的填充率[4]。

图1 前轴热锻件

1.2 辊锻工艺方案

辊锻制坯是决定前轴终锻成形的关键，其道次的正确选择关系辊锻件的成形和生产效率，毛坯直径的正确选择关系到难成形区域是否充满、材料的利用率及模具使用寿命等。根据生产现场实际工况和相关设计标准，确定该前轴辊锻成形为3道次精密辊锻，减少终锻成形力，以减小终锻所需设备的压力。根据体积相等原则和金属流动规律，经计算，初步确定原始毛坯尺寸为φ140 mm。

根据前轴的锻件形状，可将前轴分为钳口、拳头、颈部、座板、“工”字筋5个特征区域。按照3个道次的辊锻件各特征区域体积相等的原则对前轴进行辊锻设计。因为锻件在弯曲过程中，外侧部分因拉伸变形而拉薄变窄，内侧部分则变宽，在设计时弯曲部分应保留足够的余料。

为了方便对前轴辊锻模结构进行修改，采用参数化建模的方法对3个道次的模具进行三维建模[5]，如图2所示。

图2 辊锻模的三维造型

2 前轴精密辊锻-整体模锻有限元模型的建立

建立的前轴精密辊锻-整体模锻有限元模型如图3、图4所示。为保证有限元分析模型分析结果的准确性，模具温度、始锻温度、辊锻机转速等设置都与实际生产一致。模具设为刚性体，初始温度为250℃。坯料为42CrMo，初始温度为1 150℃。采用纯剪切摩擦模型，摩擦因数取0.6[6-9]，弯曲、终锻时摩擦因数为0.3。辊锻上、下模旋转速度为1.57 rad/s，上、下锻辊中心距为990 mm。前轴弯曲、整体模锻下行速度为400 mm/s[10]。

图3 前轴精密辊锻有限元模型

图4 弯曲与整体模锻有限元模型

3 “工”字筋辊锻型腔的优化

3.1 “工”字筋孔型设计

“工”字筋采用三道次成形，第一道次辊锻件完成各特征区域坯料的分配后旋转90°进入第二道次辊锻模；第二道次“工”字筋的截面形状与第三道次类似，但筋部高度与中部壁厚大于第三道次，保证第三道次“工”字筋的成形以镦粗为主；第二道次辊锻结束后坯料直接进入第三道次进行最终成形，不需要旋转90°。“工”字筋截面孔型设计如图5所示。