共轨系统油轨分段加热分段挤压成形工艺研究

2021-05-15庄晓伟江苏龙城精锻集团有限公司

锻造与冲压 2021年9期

文／庄晓伟·江苏龙城精锻集团有限公司

杨程·西安建筑科技大学

高压共轨系统可实现压力可调、独立控制喷油正时、喷油速率变化和喷油量，其控制精度高，高压油路中不会出现气泡和残压为零的现象，可提高燃油效率和降低排放，在国家相关节能降耗的产业政策指引下，应用越来越广泛，高压共轨系统如图1 所示。

油轨在高压共轨系统中属于关键零部件，因其具有复杂枝杈类形状，导致生产难度较高。传统的油轨一般采用开式模锻制坯，然后机加工内孔的方式获得，存在着加工余量大、原材料浪费严重，工序多、生产效率低下，切边时金属流线被切断破坏组织的完整性，力学性能难以保证等问题，油轨锻件如图2 所示。

图1 高压共轨系统

随着汽车提升燃油效率和降低排放的要求越发严格，油轨需要承受越来越高的内压，对其性能提出了更高的要求。采用闭式热挤压的方法能很好地避免上述问题，闭式热挤压时金属处于三向压应力状态下，成形件具有金属流线完整、力学性能好，不需要切边等工序、节约原材料，成形工序少、生产效率高等优点。但是闭式热挤压油轨时，由于坯料镦粗贴模，金属沿轴向流动距离长，摩擦力大，导致四个枝杈模腔难以充满，尤其是中间的两个枝杈。即使采用多步成形，由于摩擦和温度下降等导致坯料流动困难，也不能充满模腔。且挤压冲头如长时间和高温坯料接触，温度升高会导致其强度大幅下降。

图2 油轨锻件

工艺规划

为实现多枝杈油轨的闭式挤压成形，本文设想了局部加热+两步挤压成形的工艺。

第一步，对需要变形的中部进行加热，然后将坯料放入预锻模中挤压，和挤压冲头接触的坯料温度较低，成形初期难以发生镦粗，变形只集中在中部需要充填的部位，完成中间枝杈的成形。由于成形时只有中部的坯料贴模，坯料流长减少，摩擦阻力大幅下降，有利于材料流动和中间型腔的充填，成形载荷也大幅下降。

第二步，将预锻件取出，对两端需要变形的区域进行加热，然后放入终锻模腔中，完成两端枝杈的成形。此时变形只集中在两端需要充填的部位，中间已变形区基本不产生变形，这样终锻时摩擦阻力也大幅下降，坯料经再次加热后流动性好，利于两端型腔的充填。

工艺验证

为验证该设想，采用有限元方法对四个工序进行模拟，分别为：加热坯料中部、预锻(完成中部型腔充填)、两端加热、终锻(完成两端型腔充填)。模拟工艺参数如表1 所示。

工序一：将坯料中部区域进行感应加热，如图3所示，将坯料中部温度加热至始锻温度并均温一定时间，加热区域长度L1 由需要变形的金属体积计算获得。

工序二：预锻，如图4 所示，将中部加热好的坯料放置在预锻下模上，预锻上模和预锻下模合模并保持一定的合模力，防止坯料挤入预锻上模和预锻下模的间隙中。左右冲头同时以相同的速度挤压坯料，变形发生在坯料加热的中部，流入预锻下模的中间模腔中，直至充满中间模腔。图5 为预锻完成后坯料的贴模情况，从图中可见中间型腔部位已完全充满，而两端还有大量未贴模部位，可有效减少摩擦。预锻完成后，预锻上模打开，将预锻件从预锻下模中顶出，获得如图6 所示的预锻件，可见中部温度较高，在1200℃左右，而两端仍然维持在低于328℃的低温。

图3 局部加热

图4 预锻

图5 预锻贴模

表1 模拟工艺参数

图6 预锻件温度

工序三：加热预锻件的两端变形区。根据锻件两端枝杈位置，对预锻件的两端变形区进行局部加热，如图7 所示。将预锻件两端变形区加热至始锻温度并均温一定时间，加热区域长度L2 由需要变形的金属体积计算获得。

图7 预锻件加热两端示意图

工序四：终锻，如图8 所示，将两端加热好的预锻件置于终锻下模中，终锻上模和终锻下模合模并保持一定的合模力。左右冲头同时以相同的速度挤压坯料，使端部坯料充满终锻模腔。图9 为终锻时锻件的贴模情况，可见此时锻件与型腔完全贴合，型腔完全充满。终锻完成后，终锻上模打开，将终锻件从终锻下模中顶出。终锻件温度分布如图10 所示，此时型腔部位的坯料仍然维持较高温度，而与左右冲头接触的坯料仍然维持在较低温度。