前轴精密成形辊锻及精密模锻工艺与模具CAD

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一、引言

前轴(图1) 是汽车上承受载荷较大的重要保安件之一，要求具有较高的强度和疲劳寿命。该零件形状复杂，虽然左右形状对称，但其截面起伏较大，特别是钢板位、限位块部位具有深而窄的截面，这些都给辊锻工艺带来困难，因而其模具设计较为复杂。其重点是要解决不均匀变形、毛坯的咬入及难成形区的成形。汽车前轴采用精密成形辊锻及整体模锻复合工艺，是在成形辊锻工艺的基础上，引入整体模锻工艺，原理上汲取各自的优点，组成优于两者的新工艺，属国内外首创。谷城车桥有限公司同北京机电研究所合作，按照这种工艺方案建设了一条新的生产线，取得了很好的效益。

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图1 　前轴锻件

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市场经济和科学技术的飞速发展，极大地推动了产品结构的更新换代，传统的手工绘图以及二维的CAD (AutoCAD 或者InterCAD) 和手工编制NC 代码已经远远不能满足市场瞬息万变的需要，因此我们在UG平台上开发了汽车前轴精密成形辊锻及精密模锻工艺与模具三维CAD 系统，并即将充实CAM 模块。

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二、前轴精密成形辊锻和精密模锻复合工艺

1. 工艺流程

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前轴精密成形辊锻及精密模锻工艺流程如下：

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(1) 下料： 采用G4032 带锯下料。
　　(2) 加热： 采用KGPS25021 中频感应炉加热。
　　(3) 成形辊锻： 采用Φ1000mm 辊锻机，进行制坯、预成形、成形和终成形4 道次辊锻。
　　(4) 弯曲和整体模锻： 采用25MN 高能螺旋压力机分2 工步进行弯曲和整体模锻。
　　(5) 切边： 采用10MN 高能螺旋压力机切边。
　　(6) 热校正： 采用16MN 摩擦压力机进行热校正。

该工艺将圆钢通过制坯、预成形、成形辊锻和终成形辊锻4 道次辊锻制成带飞边直长锻件，实现前轴中段工字型断面的成形和两端的制坯，接着在25MN 高能螺旋压力机上进行弯曲和整体模锻成形，而整体模锻成形主要是在限定长度尺寸的前提下对两端进行模锻终成形。这种复合成形工艺彻底克服了单纯成形辊锻前轴长度误差大和120MN 热模锻压力机上整体模锻设备昂贵的缺点，使前轴的关键尺寸即前轴锻件的长度尺寸精度达到120MN 热模锻压力机上整体模锻的水平，同时其设备投资仅为整体模锻工艺所需设备投资的1/ 10 。

2. 前轴精密成形辊锻工艺的特点

(1) 制坯模具设计了独特的异型截面： 礼帽型槽，以解决辊锻中产生的不均匀变形和要求的宽展。
　　(2) 为解决辊锻各道次周期啮合，选取合适的前滑值。
　　(3) 为解决锻件两个拳头的良好成形，需分别在后壁易成形区各成形一个拳头。
　　(4) 为保证制坯辊锻件平直出模，采用了“上压力”轧制方式。

三、前轴精密成形辊锻及精密模锻三维CAD

前轴锻件几何形状属于复杂的三维结构，采用二维CAD 软件(例如AutoCAD 或者InterCAD) 设计时，其计算毛坯设计精度低，锻件体积计算误差大，不能满足精密成形辊锻和精密模锻的设计要求，本次开发工作将三维实体造型与参数化设计相结合，实现前轴锻件的三维CAD 设计，即用UG进行三维实体造型，利用UG的二次开发接口，开发出适用于长轴类锻件的CAD 系统，能更方便的创建一系列在形状和功能上相似的设计方案，将大大提高产品的开发和设计速度。

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1. 系统总体结构图

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本CAD 系统总体结构图如图2 。

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图2 　系统总体结构图

(1) 零件设计　输入零件的几何相关尺寸、材料和工艺条件等信息，生成零件的三维实体，并可以方便地修改零件尺寸，得到新的实体，可以输出其二维工程图。

(2) 锻件设计　设计冷锻件图和热锻件图，包括补充机加工余量、添加圆角和拔模斜度、考虑热膨胀系数等，可以方便地修改锻件尺寸，得到新的实体，输出锻件的二维工程图。

(3) 工艺设计　包括3 个部分： 第1 部分是从头至尾扫描锻件，得到一系列横截面面积，保存到一个文本文档里，并可得到锻件体积、最大长度和重量；第2 部分是根据截面面积数据绘制计算毛坯截面图和计算毛坯直径图。由于UG提供的绘图命令及其他工具不能很好地绘制我们所需要的截面图和直径图，并考虑到用户的其他要求，例如数据查询、截面图的简化、动态缩放截面图和直径图等，我们选择了Visual C + + 来完成这第2 部分，从主控界面可以直接调用第2 个模块，也可以独立执行第2 个模块；第3 部分是确定辊锻制坯时需要的道次数以及每一道次需要的延伸系数。

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(4) 锻模设计　包括精密成形辊锻和精密模锻模具型腔、模具结构的自动设计，可以方便地修改锻模尺寸，得到新的模具实体，可以输出模具的二维工程图。

2. 获取截面面积模块

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这里重点介绍一下如何扫描锻件，得到锻件的截面面积。

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利用UG交互式造型时，可以很方便地用Anal2ysis 菜单里面的“Area using faces”来计算一个横截面的面积，但是我们需要的是一系列横截面面积，而在UGAPI 函数里面没有和“Area using faces”相对应的函数来直接计算一个face 的面积，所以只能间接求出。本模块采取的方法是，用一个参考平面datum plane 和锻件实体solid body 相交，返回交线(可能是多个环形的曲线)，利用交线生成相应的bounded plane (可能是多个)，然后求出所有bound2ed plane 的面积即为所需要的横截面面积。程序流程图如图3 。

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3. 应用实例

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利用本系统完成了谷城车桥有限公司的ZC1022前轴所需要的全部锻模设计，取得了良好效果。设计的前轴锻件如图1 所示，整体模锻模具图4 所示，辊锻模具图5 所示。

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