文/蔣鵬·北京機(jī)電研究所

賴?guó)P彩·暢豐車橋（中國(guó)）有限公司

汽車前軸精密輥鍛技術(shù)的發(fā)展與擴(kuò)展

文/蔣鵬·北京機(jī)電研究所

賴?guó)P彩·暢豐車橋（中國(guó)）有限公司

前軸坯料軋制與輥鍛生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展過(guò)程

前軸周期軋制型材技術(shù)

1920年，在美國(guó)一些工廠就開(kāi)始試驗(yàn)前軸周期軋制型材，他們?cè)谄胀ㄜ垯C(jī)的開(kāi)式孔型內(nèi)，多道次軋制成形。工字梁部分精軋成形，達(dá)到鍛件尺寸。20世紀(jì)五六十年代，在美國(guó)試驗(yàn)軋制無(wú)飛邊的等寬周期型材成功，但由于增加了軋制道次，限制了周期軋制型材的普及應(yīng)用。20世紀(jì)50年代末，前蘇聯(lián)開(kāi)始采用周期軋制型材取代一般圓坯或方坯鍛造前軸，周期軋制型材切斷后加熱，然后在模鍛錘或熱模鍛壓力機(jī)上彎曲和終鍛成形。這種方法可以提高生產(chǎn)效率1.5～2倍，節(jié)約金屬材料10％。前提是周期軋制型材的批量要大，軋鋼廠才能接受定貨。

輥鍛機(jī)制坯技術(shù)

20世紀(jì)50年代，國(guó)外熱模鍛壓力機(jī)得到迅速發(fā)展，由于熱模鍛壓力機(jī)上不適合拔長(zhǎng)、滾擠等制坯工步。因此，在熱模鍛壓力機(jī)上模鍛軸類鍛件時(shí)，必須配有制坯輔助設(shè)備，這就大大促進(jìn)了輥鍛工藝和輥鍛機(jī)的應(yīng)用和推廣。德國(guó)某汽車廠的前軸鍛造工藝，原用3臺(tái)空氣錘制坯供應(yīng)坯料還很緊張，鍛件質(zhì)量低，金屬消耗大，飛邊損失達(dá)20％。后來(lái)采用一臺(tái)自動(dòng)輥鍛機(jī)制坯就滿足了生產(chǎn)要求，且鍛件質(zhì)量好，材料利用率提高。

前軸成形輥鍛工藝

20世紀(jì)80年代末，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出了前軸成形輥鍛工藝，主要設(shè)備為φ1000mm輥鍛機(jī)和摩擦壓力機(jī)，工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→掉頭輥鍛3道次→掉頭模鍛整形→掉頭切除飛邊→彎曲整形，成形輥鍛工藝的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少，模具費(fèi)用低，適合多品種生產(chǎn)，鍛件成本較低。但由于工藝中采用了掉頭整形和掉頭切邊，生產(chǎn)的鍛件長(zhǎng)度難以保證，誤差較大。鍛件局部充不滿較多，補(bǔ)焊率較高。另外，該工藝全部采用手工操作，對(duì)工人操作水平要求較高，勞動(dòng)條件較差。

前軸精密輥鍛—整體模鍛工藝

20世紀(jì)90年代初，北京機(jī)電研究所開(kāi)發(fā)出前軸精輥—整體模鍛成形工藝，中部工字梁區(qū)段和兩個(gè)彈簧前座由輥鍛成形至鍛件最終尺寸，其余兩端部位由模鍛成形。主要工藝流程為：中頻感應(yīng)加熱→4道次精密輥鍛→彎曲、模鍛→切邊→熱校正。

前軸精密輥鍛工藝的技術(shù)特點(diǎn)為：

⑴采用4道次輥鍛將前軸的大部分（包括工字梁、彈簧座部位）輥至鍛件成品尺寸，僅少部分（主要是兩端拳頭部分）通過(guò)模鍛成形，這樣可以大大降低模鍛設(shè)備噸位，降低生產(chǎn)線總造價(jià)。

⑵使用在引進(jìn)德國(guó)技術(shù)的基礎(chǔ)上專門針對(duì)前軸精密輥鍛技術(shù)開(kāi)發(fā)的，配套程控機(jī)械手的φ1000mm自動(dòng)輥鍛機(jī)，配合與中頻感應(yīng)加熱配套的上下料裝置，使輥鍛工藝過(guò)程自動(dòng)化操作，不僅提高了效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，更重要的是可以獲得穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、溫度均一的輥鍛件。這樣，不僅為后續(xù)工序的穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)，而且成為用該工藝生產(chǎn)高質(zhì)量的前軸鍛件的重要保證。

前軸精密輥鍛的技術(shù)與裝備的進(jìn)步

從有料頭輥鍛到無(wú)料頭輥鍛

最初的前軸精密輥鍛件中包含料頭，這一部分材料切邊后隨飛邊變成廢料，降低了鍛件材料利用率。后來(lái)嘗試將夾持部分作為模鍛坯料的一部分模鍛成形，這樣可以明顯提高材料利用率，目前鍛件材料利用率一般可以達(dá)到90％以上。

無(wú)料頭輥鍛大大提高了鍛件材料的利用率，但是由于一端帶料頭，一端經(jīng)過(guò)輥鍛變形更加接近鍛件形狀，結(jié)果造成鍛造時(shí)前后方向打擊力的偏載，這種情況下對(duì)打擊噸位較小的設(shè)備有較大的影響。為了消除偏載的情況，曾經(jīng)考慮過(guò)在自動(dòng)輥鍛機(jī)上添加裝置，完成掉頭輥鍛的技術(shù)方案。但是，由于掉頭后定位等技術(shù)問(wèn)題以及掉頭后的效率問(wèn)題等未能采用。現(xiàn)在，新上的前軸鍛造生產(chǎn)線鍛造噸位越來(lái)越大，料頭造成打擊偏載對(duì)設(shè)備的影響越來(lái)越不明顯。

從四道次輥鍛到三道次輥鍛

最初的精密輥鍛設(shè)計(jì)為四道次輥鍛，其中第一道次輥鍛的變形比較小，變形部位不多，變形部位的延伸率一般在1.1以下。經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為有可能將第一道次和第二道次合并，用一道次輥鍛完成兩道次的成形。這種思路后來(lái)投入應(yīng)用并取得成功，該工序有如下優(yōu)點(diǎn)：

⑴可以明顯提高生產(chǎn)效率。輥鍛效率低一直是前軸精密輥鍛－整體模鍛生產(chǎn)線影響生產(chǎn)效率的關(guān)鍵因素，精密輥鍛從四道次到三道次的改進(jìn)可以明顯提高生產(chǎn)效率。

⑵縮短工藝調(diào)試時(shí)間。原來(lái)四道次輥鍛的時(shí)候，第一道次和第二道次輥鍛件和輥鍛模型槽之間的匹配問(wèn)題一直是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。將原第一道次和第二道次輥鍛合并成一道次以后，這個(gè)問(wèn)題就不存在了。

輥鍛機(jī)的不斷強(qiáng)化

最初北京機(jī)電研究所曾經(jīng)開(kāi)發(fā)出一臺(tái)用于前軸輥鍛的加強(qiáng)型φ680mm輥鍛機(jī)，用于小型前軸的精密輥鍛，這臺(tái)設(shè)備至今還在重慶某公司使用。但是，該機(jī)器只能用于50kg以下的小型前軸的精密輥鍛。為了擴(kuò)展輥鍛機(jī)的工藝應(yīng)用領(lǐng)域，北京機(jī)電研究所開(kāi)發(fā)出φ1000mm輥鍛機(jī)。該機(jī)是在引進(jìn)德國(guó)EUMUCO公司技術(shù)的φ930mm輥鍛機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)后的產(chǎn)品，具有液壓慢速啟動(dòng)，快速輥鍛成形的特點(diǎn)。2003年以前，該種輥鍛機(jī)被用于裝備國(guó)內(nèi)多條前軸輥鍛生產(chǎn)線。在生產(chǎn)使用中發(fā)現(xiàn)，該種輥鍛機(jī)在進(jìn)行100kg以上的前軸精密輥鍛生產(chǎn)時(shí)有力能不足的現(xiàn)象，于是又開(kāi)發(fā)了加強(qiáng)型φ1000mm輥鍛機(jī)，第一臺(tái)設(shè)備用于雅安車橋廠的前軸生產(chǎn)線。

加強(qiáng)型φ1000mm輥鍛機(jī)及配套機(jī)械手是在原φ1000mm輥鍛機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，具體如圖1所示。經(jīng)改進(jìn)后，輥鍛機(jī)的扭矩、抗軸向力的能力明顯加強(qiáng)，可以滿足中、重型卡車和大型客車前軸精密輥鍛的工藝要求。

加強(qiáng)型φ1000mm輥鍛機(jī)主要進(jìn)行了以下改進(jìn)：

圖1 加強(qiáng)型φ1000mm輥鍛機(jī)及配套機(jī)械手

⑴增大輥鍛扭矩和輥鍛力，提高飛輪能量。具體措施是增大離合器摩擦塊和氣缸面積，相應(yīng)增加飛輪轉(zhuǎn)速等。由此進(jìn)行傳動(dòng)箱、離合器機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)比、齒輪、傳動(dòng)軸、軸承和箱體等），同時(shí)立柱相應(yīng)要加寬，銅套直徑加大、加寬等。

⑵鍛輥增強(qiáng)承受軸向力的能力，且結(jié)構(gòu)上要便于磨損后進(jìn)行軸向間隙調(diào)整，承壓面配有潤(rùn)滑。

⑶鍛輥提高材料牌號(hào)，提高表面硬度。

圖2 暢豐車橋前軸生產(chǎn)線中的使用了框架式液壓機(jī)進(jìn)行切邊校正

⑷為便于裝拆及調(diào)整，離合器、制動(dòng)器及大齒輪等取消楔鍵結(jié)構(gòu)，采用脹套固緊結(jié)構(gòu)。

⑸輥鍛機(jī)傳動(dòng)箱散熱采用下通冷空氣，上排熱空氣方法降低溫度。

輥鍛機(jī)械手和φ1000mm輥鍛機(jī)配套使用，可自動(dòng)完成接料、多道輥鍛，并將輥鍛后的工件送到下一臺(tái)模鍛設(shè)備上的相應(yīng)模膛中（自動(dòng)線）或模鍛工便于操作的地方（人工操作線）進(jìn)行模鍛成形。輥鍛機(jī)械手共有4個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)速度快，定位精確，技術(shù)成熟。

近年來(lái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輥鍛機(jī)械手應(yīng)用逐漸廣泛，和原液壓驅(qū)動(dòng)相比，特點(diǎn)如下：

⑴伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手的縱向位置，可以在操作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)設(shè)置，并可以隨時(shí)修改數(shù)據(jù)。這樣，工件在各道次的各個(gè)特征段的縱向位置容易相互匹配一致。而液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，在縱向位置的前始點(diǎn)采用的機(jī)械擋塊，各道次不能錯(cuò)開(kāi)確定前始點(diǎn)。

⑵伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手由于取消了液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手縱向固定中位的設(shè)計(jì)，因此，機(jī)械手可以在設(shè)定的位置上橫移而不需要回到中位橫移，因而可以節(jié)省走車時(shí)間。經(jīng)測(cè)算，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輥鍛機(jī)械手完成三道次輥鍛的時(shí)間可以比液壓驅(qū)動(dòng)的設(shè)備快10s。

模鍛主機(jī)的大型化

原來(lái)國(guó)內(nèi)普遍采用25000kN摩擦壓力機(jī)為前軸精密輥鍛整體模鍛的模鍛主機(jī)，后來(lái)湖北三環(huán)車橋公司在其前軸四線上使用25000kN高能螺旋壓力機(jī)作為模鍛主機(jī)，之后又在其前軸六線上使用40000kN高能螺旋壓力機(jī)為模鍛主機(jī)。再往后，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)更大型的摩擦壓力機(jī)，在新建生產(chǎn)線中，選擇采用大噸位摩擦壓力機(jī)的廠家也在逐漸增多。

切邊、校正方式的多樣化

前軸切邊校正設(shè)備開(kāi)始使用比較多的是兩臺(tái)摩擦壓力機(jī)分別完成切邊和校正工序。后來(lái)嘗試在四柱式切邊校正液壓機(jī)切邊校正，暢豐車橋的鍛造生產(chǎn)線中使用了帶強(qiáng)力壓邊的框架式切邊校正液壓機(jī)切邊校正，見(jiàn)圖2。

自動(dòng)化操作成為趨勢(shì)

前軸鍛件比較重，手工操作勞動(dòng)強(qiáng)度較大，因此有必要采用自動(dòng)化操作方式。第一條前軸自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)該是湖北三環(huán)車橋公司在其前軸四線，該線采用坐標(biāo)式機(jī)械手操作，實(shí)現(xiàn)了主要工序的無(wú)人化。后來(lái)，多關(guān)節(jié)機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟和普及，其在前軸生產(chǎn)線中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

精密輥鍛技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展

平衡軸的精密輥鍛模鍛生產(chǎn)技術(shù)

平衡軸是重型卡車上的的一種零件，是一種彎曲的長(zhǎng)軸類件，目前采用精密輥鍛-模鍛生產(chǎn)技術(shù)可以成熟地應(yīng)用于生產(chǎn)，圖3是重慶某廠在前軸精密輥鍛整體模鍛生產(chǎn)線上生產(chǎn)的平衡軸鍛件。

圖3 平衡軸鍛件產(chǎn)品

鐵路貨車鉤尾框的精密輥鍛工藝

為適應(yīng)鐵路貨車車輛重載提速的要求，鐵路車輛近幾年來(lái)鑄件改鍛件的趨勢(shì)明顯。和鑄件相比，鍛件的強(qiáng)度和可靠性大大加強(qiáng)，品質(zhì)提升效果明顯。但同時(shí)由于鐵路鍛件普遍體積大，質(zhì)量大，而且從鑄件轉(zhuǎn)化為鍛件時(shí)一般仍保留許多鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而導(dǎo)致形狀復(fù)雜。這些特點(diǎn)都形成了鐵路鍛件鍛造的特點(diǎn)：需要大噸位的鍛造設(shè)備、鍛造工藝復(fù)雜，成形難度大。

鐵路車輛鉤尾框鍛件主要形狀如圖4所示。鍛造鉤尾框最初采用自由鍛制坯，31500kN摩擦壓力機(jī)模鍛的工藝，其主要工藝為：下料→自由鍛制坯→摩擦壓力機(jī)上鍛造（展開(kāi)鍛造）→液壓機(jī)上折彎→整形。需要兩火或三火才能成形。該工藝方案的缺點(diǎn)是：自由鍛制坯效率低，火次多，材料利用率低，模鍛打擊力大，綜合成本較高。

借鑒前軸精密輥鍛－模鍛技術(shù)針對(duì)鍛造鉤尾框制定研究開(kāi)發(fā)工藝方案，其工藝路線為：下料→加熱→φ1000mm輥鍛機(jī)上4道次部分成形輥鍛→25000kN以上摩擦壓力機(jī)鍛造→切邊→在通用設(shè)備上用專用工裝或用專用液壓折彎?rùn)C(jī)折彎→整形。用該工藝生產(chǎn)的鉤尾框成品圖見(jiàn)圖5。

圖4 鉤尾框鍛件圖

圖5 鉤尾框輥鍛成品圖

結(jié)束語(yǔ)

汽車前軸精密輥鍛技術(shù)是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)成功的有中國(guó)特色的一種實(shí)用技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的研究、發(fā)展、推廣和應(yīng)用，已經(jīng)成為汽車前軸鍛造的主流工前采用這種技術(shù)的生產(chǎn)線在國(guó)內(nèi)以上，已經(jīng)形成很強(qiáng)的生產(chǎn)能汽車工業(yè)特別是商用車的快速發(fā)展提供了有力的保障和支持。該工藝除了平衡軸、鐵路貨車鉤尾框之外，在大型長(zhǎng)軸類鍛件生產(chǎn)技術(shù)中還有開(kāi)發(fā)推廣的良好前景。目前，采用精密輥鍛技術(shù)生產(chǎn)汽車前軸的廠家可能共同面臨兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是市場(chǎng)需求不如前幾年強(qiáng)勁；另一個(gè)是用戶對(duì)質(zhì)量，特別是外在質(zhì)量提出了更高的要求。因此，繼續(xù)完善提高精密輥鍛技術(shù)和裝備水平，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)鍛件，才能在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟，并且有希望邁向更廣闊的國(guó)際市場(chǎng)。

蔣鵬，工學(xué)博士，研究員，北京機(jī)電研究所塑性成形工程技術(shù)中心主任，機(jī)械科學(xué)研究總院博士生導(dǎo)師。中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)塑性工程分會(huì)理事、精密鍛造學(xué)術(shù)委員會(huì)主任委員等。