CN103008511B - 一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置及工艺，装置包括振动器和中高频感应加热器，振动器通过夹具与坯料轴向串联，中高频感应加热器及滚轧模具布局在坯料进给方向的前方；工艺是由夹具及模花键集成顶尖对坯料前后夹紧，运动至坯料花键齿形段完全进入中高频感应加热器内腔，对花键齿形段表面金属进行快速加热至预设温度，滚轧模具通过模花键集成顶尖带动坯料转动，振动器对坯料施加轴向振动，通过滚轧模具的作用，完成花键轴复合滚轧成形，坯料反向退出，快速淬火处理，本发明具有成形载荷小、耗能小、效率高、成形质量好、加工范围广等优点。
Description
技术领域
本发明属于先进材料成形技术领域，具体涉及一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置及工艺。
背景技术
花键联接具有联接强度高、结构紧凑、可靠性高、装卸方便等优点，广泛应用于机械系统中传递轴与轴之间的运动和扭矩，例如航天航空、汽车、拖拉机、船舶、机床、工程机械等。花键联接的广泛应用对花键轴零件的需求量及使用性能提出了更高的要求，因此，对花键轴零件生产工艺的研究就显得十分重要。
滚轧是一种重要的花键轴塑性成形工艺，符合轻量化生产目标，且具有齿形表层材料组织密度大、有残余压应力、抗疲劳强度高、表面光滑、效率高等优点，其工艺过程如下：首先通过夹具和模花键集成顶尖将花键轴坯料前后夹紧；然后三个滚轧模具开始同步、同速、同向转动，并且与模花键集成顶尖上的花键齿形段啮合传动，进而带动模花键集成顶尖及坯料转动；坯料继续沿进给方向送进，通过滚轧模具的作用，坯料花键齿形段表面金属发生塑性变形，进而完成花键轴的滚轧成形；最后，坯料反向推出，卸料。通过有限元及实验分析，在花键轴滚轧成形过程中，仅有坯料表层的金属发生塑性变形，变形层厚度约为5mm~8mm，坯料心部基本不发生塑性变形。
中高频感应加热工艺，多数用于工业金属零件表面淬火、金属熔炼、棒料透热等多个领域，是使零件表面产生一定的感应电流，迅速加热零件表面，达到表面迅速加热，而心部温升较小的效果。
振动辅助金属塑性成形工艺，是指在传统金属塑性成形工艺中，施加辅助振动，以获得改善工艺效果、提高成形质量的工艺过程。相对传统金属塑性成形工艺，振动辅助金属塑性工艺具有成形载荷小、金属流动性好、摩擦力小、金属塑性成形能力高、产品质量高等优点。并且科学研究表明，不同金属在某个变形温度区间内存在变形抗力对应变速率以及振动频率敏感的现象，引起变形抗力明显下降，金属塑性明显提高。
但目前花键轴的滚轧工艺通常在室温下进行，属于冷成形加工，且传统花键轴材料40Cr、35CrMo钢已被具有更高机械性能的42CrMo钢所取代，因而造成常温下滚轧成形载荷大，金属材料流动能力差，花键轴齿形角隅填充质量差，且滚轧成形后需进行调质处理，工艺步骤复杂。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置及工艺，解决了传统滚轧工艺中成形载荷大、齿形角隅填充质量差、工艺步骤复杂等问题，同时还具有成形载荷小、变形均匀、齿形角隅填充质量高、表面质量好、工艺步骤简单、节省能源、加工范围广等优点。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置，包括振动器1和中高频感应加热器4，振动器1的左端与夹具2联接，夹具2与模花键集成顶尖6实现对坯料3的前后夹紧，振动器1实现花键轴滚轧过程中对坯料3施加振动，沿坯料3圆周方向120°等间距阵列有三个滚轧模具5，中高频感应加热器4布局在滚轧模具5的前方，模花键集成顶尖6的花键齿形段Ⅲ与滚轧模具5上的花键齿形相啮合，坯料3从中高频感应加热器4的内腔中穿过，实现对坯料3花键齿形段Ⅱ表面金属进行快速中高频感应加热。
一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的工艺，包括以下步骤：
a）、装夹坯料3，夹具2先对坯料3夹持段Ⅰ进行夹紧，并将坯料3的另一端穿过中高频感应加热器4的内腔，通过模花键集成顶尖6前后夹紧；
b）、坯料3沿坯料进给方向送进，进给速度为1~5mm/sec，直至坯料3花键齿形段Ⅱ完全进入中高频感应加热器4的内腔；
c）、由中高频感应加热器4对坯料3花键齿形段Ⅱ表面金属进行快速加热至预设温度，加热时间为5sec~15sec，加热温度为400℃~600℃；
d）、沿坯料3圆周方向120°等间距阵列的三个滚轧模具5开始同步、同速、同向转动，转速为50RPM~100RPM，通过滚轧模具5花键齿形与模花键集成顶尖6上花键齿形段Ⅲ的啮合传动，坯料3在夹具2与模花键集成顶尖6的夹紧作用下开始转动；
e）、坯料3再次沿坯料进给方向送进，同时振动器1开始工作，对坯料3施加轴向振动，振动频率为10Hz~40Hz，振幅为0.5mm~1.0mm；
f）、通过滚轧模具5的作用，坯料3的花键齿形段Ⅱ完成花键轴的滚轧成形；
g）、花键轴完全成形后，振动器1停止工作，坯料3由夹具2及模花键集成顶尖6前后夹紧的同时反向退出，将坯料3取下进行快速淬火处理，完毕。
本发明具有以下优点：
1、在花键轴坯料进行滚轧前，对坯料花键齿形段的表面金属进行快速中高频感应加热，提高了金属材料的塑性，降低了成形载荷、扩大了加工范围；同时根据花键轴滚轧工艺中仅有坯料表面金属发生塑性变形的特点确定加热厚度，从而进一步确定加热时间及加热温度，避免对坯料的整体加热，节省能源、加热效率高。
2、在坯料送进系统中轴向串入振动器，实现了在花键轴滚轧过程中一定变形温度下对坯料施加轴向振动，降低了金属的变形抗力，改善了坯料与模具间的摩擦状况，使得成形载荷更小，表面质量更高。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为本发明的坯料3示意图。
图3为本发明的中高频感应加热器4正面示意图。
图4为本发明的模花键集成顶尖6示意图。
图5为本发明滚轧后花键轴示意图。
图6为本发明滚轧后花键轴局部示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细描述。
参照图1，一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置，包括振动器1和中高频感应加热器4，振动器1的左端与夹具2联接，夹具2与模花键集成顶尖6实现对坯料3的前后夹紧，振动器1实现花键轴滚轧过程中对坯料3施加振动，沿坯料3圆周方向120°等间距阵列有三个滚轧模具5，中高频感应加热器4布局在滚轧模具5的前方，模花键集成顶尖6的花键齿形段Ⅲ与滚轧模具5上的花键齿形相啮合，参照图2和图3，坯料3从中高频感应加热器4的内腔中穿过，实现对坯料3花键齿形段Ⅱ表面金属进行快速中高频感应加热。
一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的工艺，包括以下步骤：
a）、参照图1，装夹坯料3，夹具2先对坯料3夹持段Ⅰ进行夹紧，并将坯料3的另一端穿过中高频感应加热器4的内腔，通过模花键集成顶尖6前后夹紧；
b）、参照图1、图2和图3，坯料3沿坯料进给方向送进，进给速度为1~5mm/sec，直至坯料3花键齿形段Ⅱ完全进入中高频感应加热器4的内腔；
c）、参照图1、图3，由中高频感应加热器4对坯料3花键齿形段Ⅱ表面金属进行快速加热至预设温度，加热时间为5sec~15sec，加热温度为400℃~600℃；
d）、参照图1、图4，沿坯料3圆周方向120°等间距阵列的三个滚轧模具5开始同步、同速、同向转动，转速为50RPM~100RPM，通过滚轧模具5花键齿形与模花键集成顶尖6上花键齿形段Ⅲ的啮合传动，坯料3在夹具2与模花键集成顶尖6的夹紧作用下开始转动；
e）、参照图1，坯料3再次沿坯料进给方向送进，同时振动器1开始工作，对坯料3施加轴向振动，振动频率为10Hz~40Hz，振幅为0.5mm~1.0mm；
f）、参照图1、图5和图6，通过滚轧模具5的作用，坯料3的花键齿形段Ⅱ完成花键轴的滚轧成形；
g）、参照图1，花键轴完全成形后，振动器1停止工作，坯料3由夹具2及模花键集成顶尖6前后夹紧的同时反向退出，将坯料3取下进行快速淬火处理，完毕。
Claims (2)
1.一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置，包括振动器（1）和中高频感应加热器（4），其特征在于：振动器（1）的左端与夹具（2）联接，夹具（2）与模花键集成顶尖（6）实现对坯料（3）的前后夹紧，振动器（1）实现花键轴滚轧成形过程中对坯料（3）施加轴向振动，沿坯料（3）圆周方向120°等间距阵列有三个滚轧模具（5），中高频感应加热器（4）布局在滚轧模具（5）的前方，模花键集成顶尖（6）的花键齿形段（Ⅲ）与滚轧模具（5）上的花键齿形相啮合，坯料（3）从中高频感应加热器（4）的内腔中穿过，实现对坯料（3）花键齿形段（Ⅱ）表面金属进行快速中高频感应加热。
2.根据权利要求1所述的一种中高频感应加热与振动复合滚轧花键轴的装置所进行的工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a）、装夹坯料（3），夹具（2）先对坯料（3）夹持段（Ⅰ）进行夹紧，并将坯料（3）的另一端穿过中高频感应加热器（4）的内腔，通过模花键集成顶尖（6）前后夹紧；
b）、坯料（3）沿坯料进给方向送进，进给速度为1~5mm/sec，直至坯料（3）上花键齿形段（Ⅱ）完全进入中高频感应加热器（4）的内腔；
c）、由中高频感应加热器（4）对坯料（3）花键齿形段（Ⅱ）表面金属进行快速加热至预设温度，加热时间为5sec~15sec，加热温度为400℃~600℃；
d）、沿坯料（3）圆周方向120°等间距阵列的三个滚轧模具（5）开始同步、同速、同向转动，转速为50RPM~100RPM，通过滚轧模具（5）花键齿形与模花键集成顶尖（6）上花键齿形段（Ⅲ）的啮合传动，坯料（3）在夹具（2）与模花键集成顶尖（6）的夹紧作用下开始转动；
e）、坯料（3）再次沿坯料进给方向送进，同时振动器（1）开始工作，对坯料（3）施加轴向振动，振动频率为10Hz~40Hz，振幅为0.5mm~1.0mm；
f）、通过滚轧模具（5）的作用，坯料（3）的花键齿形段（Ⅱ）完成花键轴的滚轧成形；
g）、花键轴完全成形后，振动器（1）停止工作，坯料（3）由夹具（2）及模花键集成顶尖（6）前后夹紧的同时反向退出，将坯料（3）取下进行快速淬火处理，完毕。
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