周國(guó)勝

（北京福田戴姆勒汽車有限公司，北京101400）

0 引言

目前市場(chǎng)上卡車前軸梁有不同結(jié)構(gòu)。有組合式結(jié)構(gòu)，即由采用無(wú)縫鋼管的中間部分與采用模鍛成型的兩端拳形部分組焊而成［1］，有鋼板拼焊成管狀的前軸梁；也有廣泛使用的工字梁前軸梁。工字梁前軸形狀復(fù)雜，截面起伏較大，特別是彈簧座、工字梁部位具有深而窄的截面，是一種難鍛造的長(zhǎng)軸類零件［2］。而一體式無(wú)縫鋼管前軸梁是個(gè)新技術(shù)，相比工字梁前軸，優(yōu)點(diǎn)為成型簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，質(zhì)量輕，投入設(shè)備費(fèi)用低，其代表卡車前橋梁的另一種發(fā)展趨勢(shì)，是前軸梁在技術(shù)上一種突破。

本文主要闡述一體式無(wú)縫鋼管前軸梁概念、一體式無(wú)縫鋼管前軸梁成型工藝，以及一體式無(wú)縫鋼管前軸梁特點(diǎn)及應(yīng)用。

1 一體式無(wú)縫鋼管前軸梁概念

一體式無(wú)縫鋼管前軸梁是用整段無(wú)縫鋼管通過(guò)熱擠壓成型技術(shù)而制成，中間是中空的，兩端拳頭部分是實(shí)心的前軸梁，一般為SAE1527、Q345B等材料，其橫截面為中空矩形，其三維圖見圖1。

圖1 一體式無(wú)縫鋼管成型的前軸梁三維視圖

圖2 一體式無(wú)縫鋼管成型的前軸梁剖視圖

一體式無(wú)縫鋼管前軸梁由中間部分、拳頭和頸脖三部分組成，如圖2所示。其中間部分壁厚與原材料無(wú)縫鋼管壁厚相同；頸脖部分壁厚比中間部分壁厚要厚些，其壁厚在一定范圍內(nèi)根據(jù)需要進(jìn)行增厚；拳頭是實(shí)心的,由無(wú)縫鋼管鐓實(shí)而成，這是一體式無(wú)縫鋼管前軸梁關(guān)鍵特點(diǎn)所在，拳頭不是焊接的，區(qū)別組合式前軸梁。

2 一體式無(wú)縫鋼管前軸梁成型工藝

2.1 下料

首先根據(jù)前軸梁設(shè)計(jì)參數(shù)選擇好原材料無(wú)縫鋼管，比如無(wú)縫鋼管壁厚、直徑、長(zhǎng)度等。

1）無(wú)縫鋼管外徑及壁厚工藝設(shè)計(jì)。

一體式無(wú)縫鋼管前軸梁中間部分是矩形，設(shè)截面長(zhǎng)為a，寬為b，壁厚為c，原材料無(wú)縫鋼管外徑設(shè)為D，壁厚為 E。D=2（a+b）/π；E=c?？筛鶕?jù) D、E 選擇無(wú)縫鋼管。

2）無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度工藝設(shè)計(jì)。

無(wú)縫鋼管長(zhǎng)度首先包括梁中間長(zhǎng)度、2個(gè)頸脖和2個(gè)拳頭長(zhǎng)度，這部分長(zhǎng)度設(shè)為L(zhǎng)0，其次根據(jù)頸脖增厚、拳頭成為實(shí)心所需要材料體積計(jì)算出額外增加長(zhǎng)度，這部分長(zhǎng)度為L(zhǎng)e，縫鋼管長(zhǎng)度工藝參數(shù)Lg=L0+Le。

根據(jù)設(shè)計(jì)好的工藝參數(shù)D、E和Lg進(jìn)行下料，同時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整。

2.2 增厚

增厚工序?yàn)轭i脖部分增厚，是關(guān)鍵工序，同時(shí)是衡量車橋熱擠壓水平高低。增厚程度高，熱擠壓水平就高。

增厚工序分二工位，一工位是加熱工位，另一工位是擠壓成型工位。

1）加熱工位。加熱裝置是線圈繞成的中頻加熱圈，能根據(jù)設(shè)定溫度可自動(dòng)移動(dòng)，沿著前軸梁軸線方向前后移動(dòng)，線圈長(zhǎng)度是根據(jù)增厚部分長(zhǎng)度確定。

兩中頻加熱線圈從前軸梁兩端移動(dòng)到需要增厚部分，見示意圖3（a），然后加熱再結(jié)晶點(diǎn)以上某個(gè)溫度值后（如SAE1527材料加熱溫度為850℃，實(shí)際誤差允許±5℃），兩中頻加熱線圈從前軸梁兩端同時(shí)退出（自動(dòng)移動(dòng)是依據(jù)設(shè)備自動(dòng)化程度而定），然后前軸梁被轉(zhuǎn)移到熱擠壓成型工位。

圖3

2）增厚熱擠壓工位。加熱后前軸梁被送入增厚熱擠壓工位，模具可以沿著無(wú)縫鋼管軸線方向前后移動(dòng)，增厚成型模具從前軸梁兩端進(jìn)入，然后擠壓。一次擠壓增厚厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)尺寸，可以多次加熱，多次熱擠壓，直到增厚尺寸滿足設(shè)計(jì)值為止。增厚尺寸滿足后，模具退出。前軸梁進(jìn)行空冷，空冷后被轉(zhuǎn)移到推方工序。增厚可以一端先增厚，另一端后增厚，也可以兩端同時(shí)增厚，如圖3（b）。

2.3 推方

推方就是把前軸梁圓截面變成矩形截面，這樣車橋承載能力增加10%以上。推方用推方機(jī)器把圓管漸變式變成矩形截面，如圖4所示。推方過(guò)程是冷擠壓成型過(guò)程。推方完成之后無(wú)縫鋼管被轉(zhuǎn)移到鐓實(shí)工序。

圖4 推方漸變示意圖

2.4 鐓實(shí)

鐓實(shí)工序是利用熱擠壓技術(shù)把前軸梁兩端擠壓成實(shí)心，鐓實(shí)需要一端一端地進(jìn)行。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)無(wú)縫鋼管壁厚太薄，強(qiáng)度低，不能完成鐓實(shí)，因?yàn)殓厡?shí)從兩端處用力擠壓，強(qiáng)度低，壁厚薄無(wú)縫鋼管不能承受此力，中間部分就會(huì)變形拱起，完成不了鐓實(shí)工序。目前工藝水平能做到10 mm壁厚無(wú)縫鋼管完成鐓實(shí)工藝。鐓實(shí)工序是關(guān)鍵工序，會(huì)直接影響前軸梁疲勞壽命。如圖5所示實(shí)心到壁厚處過(guò)渡部分，這是個(gè)非常重要的工藝參數(shù)，過(guò)渡部分要平滑，平滑程度直接影響前軸梁壽命。這個(gè)參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)不斷摸索而來(lái)，一般使用正交法做試驗(yàn)得來(lái)的。過(guò)渡部分平滑程度由加熱溫度、熱擠壓強(qiáng)度和材料流動(dòng)綜合因素決定。

圖5 鐓實(shí)

2.5 壓頸脖

壓頸脖是前軸梁頸脖部分局部熱擠壓成型。先加熱后用成型模具進(jìn)行擠壓，形狀如圖6所示，該工序關(guān)鍵在于溫度控制和成型模具精度。溫度控制得好，成型模具精度高，擠壓出的頸脖非常漂亮，這個(gè)影響到前軸梁美學(xué)視覺效果。壓頸脖之后轉(zhuǎn)移整體成型。

圖6 壓頸脖

2.6 整體成型

整體成型工序就是把前軸梁壓制成成品毛坯（不包括主銷孔）形成一體式無(wú)縫鋼管前軸梁，其尺寸符合一體式無(wú)縫鋼管前軸梁設(shè)計(jì)尺寸。整體成型示意圖見圖7。

圖7 一體式無(wú)縫鋼管前軸梁整體成型示意圖

整體成型工序分二工位：加熱工位，成型工位。

1）加熱工位。加熱工位用加熱裝置把頸部加熱，溫度控制在700～800℃范圍內(nèi)，滿足整體成型需要。溫度控制成了關(guān)鍵，溫度高低影響材料流動(dòng)。材料流動(dòng)過(guò)快，頸脖與中間部分的過(guò)渡部分壁厚被擠壓很薄，降低前軸梁疲勞壽命。

2）成型工位。成型模具分上成型模具和下成型模具，成型時(shí)用液壓機(jī)給上成形模加力，在壓力下，上下成型模具合力把前軸梁成型出來(lái)，兩模閉合后，要靜壓5 min以上方才開模，這樣一體式無(wú)縫鋼管前軸梁就制造出來(lái)。靜壓時(shí)間太短，材料有彈性回彈現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致成型失敗。

2.7 熱處理

整體成型后前軸梁需要調(diào)質(zhì)處理，使材料達(dá)到設(shè)計(jì)性能要求。因?yàn)橐惑w式無(wú)縫鋼管前軸梁不再是直線，而是兩端頸脖翹起，在熱處理時(shí)容易變形，因此要有防止前軸梁變形措施。

3 一體式無(wú)縫鋼管前軸梁特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 一體式無(wú)縫鋼管前軸梁特點(diǎn)

1）輕量化。一體式無(wú)縫鋼管前軸梁特點(diǎn)是中空矩形截面，特別節(jié)約材料。根據(jù)市場(chǎng)對(duì)比，一體式無(wú)縫鋼管前軸梁比在中國(guó)市場(chǎng)上相同額定軸荷工字梁前軸質(zhì)量輕，一般輕10 kg左右。

2）承載能力強(qiáng)。一體式無(wú)縫鋼管前軸梁在輕量化基礎(chǔ)上，由于中空矩形截面設(shè)計(jì)，其承載能力比在中國(guó)市場(chǎng)相同額定軸荷工字梁提高6%以上，比相同截面面積圓截面車軸提高10%以上。具體表現(xiàn)在設(shè)計(jì)額定軸荷7.5 t一體式無(wú)縫鋼管前軸梁，用8t載荷做了一組臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1，試驗(yàn)結(jié)果平均壽命95.2萬(wàn)次，最低壽命為76.4萬(wàn)次，大于70萬(wàn)次壽命標(biāo)準(zhǔn)。7.5 t前軸梁達(dá)到8t橋承載能力。臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行QC/T513-1999和QC/T483-1999標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)上限載荷為3.5倍額定軸荷，下限載荷為0.5倍額定軸荷。前軸疲勞壽命同時(shí)達(dá)到B5不小于30萬(wàn)次（或B10不小于38萬(wàn)次）和B50不小于70萬(wàn)次雙指標(biāo)的為合格品［3］

表1 臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3）成型簡(jiǎn)單。一體式無(wú)縫鋼管前軸梁成型工藝相比輥鍛成型工字梁前軸成型工藝要簡(jiǎn)單，投入設(shè)備成本要低很多。

4）不足之處：一體式無(wú)縫鋼管前軸梁需要多次加熱，材料晶粒容易變粗大，影響材料的力學(xué)性能；其次，坯料必須加熱至熱鍛溫度進(jìn)行擠壓，常伴有較嚴(yán)重的氧化和脫碳等加熱缺陷，影響了擠壓件的尺寸精度和表面粗糙度等。

同時(shí)目前由于受到無(wú)縫鋼管剛度技術(shù)限制，5 t以下的一體式無(wú)縫鋼管前軸梁暫時(shí)制造不出來(lái)。

3.2 應(yīng)用

一體式無(wú)縫鋼管前軸梁應(yīng)用非常廣泛，能應(yīng)用到公路和非公路汽車，還包括工程機(jī)械用車。目前市場(chǎng)上有5～9 t一體式無(wú)縫鋼管前軸梁，基本涵蓋重卡匹配前橋需要。一體式無(wú)縫鋼管前軸梁特別適合匹配具有輕量化設(shè)計(jì)中重卡車，承載能力強(qiáng)且質(zhì)量輕。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)探討得到一體式無(wú)縫鋼管前軸梁成型工藝，共7道工序，包括下料、增厚、推方、鐓實(shí)、壓頸脖、整體成型、熱處理。

2）論述了一體式無(wú)縫鋼管前軸梁優(yōu)點(diǎn)和不足。優(yōu)點(diǎn)是輕量化、承載強(qiáng)、成型簡(jiǎn)單；不足是材料多次加熱，材料晶粒粗大，影響材料機(jī)械性能，目前受到無(wú)縫鋼管剛度限制，5 t的一體式無(wú)縫鋼管前軸梁暫時(shí)制造不出來(lái)。

3）根據(jù)一體式無(wú)縫鋼管前軸梁特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍包括公路和非公路車輛用橋，特別適合匹配輕量化設(shè)計(jì)的中重卡車。

［1］ 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001：418.

［2］ 魏科，王高潮，李寧，等.基于DEFORM和正交試驗(yàn)法的前軸輥鍛工藝優(yōu)化［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2012，19（1）：6-10.

［3］ 劉彥成.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編：第4卷［M］.北京：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心汽車標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2000：137.