CN103537791B - 铝合金制传动轴的摩擦压接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供铝合金制传动轴及该传动轴的摩擦压接方法，能够抑制因摩擦压接法而产生的各铝合金制传动轴的全长的偏差，从而提高成品率。所述方法包括：摩擦工序，一边使各轭部件（2、3）旋转，一边使其与轴管的两端部（1a、1b）的前端压接面对接，并利用规定压接力从轴向挤压；位移检测工序，通过因摩擦工序而在轴管与两轭部件之间产生的总留量，检测轴向的位移量（规定量LA）；旋转停止工序，在检测出的位移量成为规定量时，使各轭部件的旋转停止；镦锻工序，在输出旋转停止信号而使各轭部件的旋转完全停止前的规定角度（F2θ），输出镦锻压力指令信号，利用比摩擦工序的规定压接力（P1）大的镦锻压力（P2）向轴管方向挤压两轭部件。

Description

铝合金制传动轴的摩擦压接方法

技术领域

本发明涉及一种作为例如车辆用动力传递装置的铝合金制传动轴及该传动轴的摩擦压接方法。

背景技术

众所周知，作为将例如汽车用传动轴的轴管(チューブ)与轭部件(ヨーク部材)接合的方法，除了MIG焊接、TIG焊接等以外，还有能够进行高精度接合的摩擦压接法。

例如，如以下专利文献1所记载，该摩擦压接法是一边使一方的部件即轭部件经由主轴旋转，一边使之与作为固定侧部件的轴管的两端部摩擦，并采用令部件在规定预热压力下彼此挤压而升温至规定温度的预热工序，以获得压接所需的热量，接着，将主轴的转速和摩擦压力设定为规定大小，将部件的接合界面加热至摩擦压接所需的温度。

之后，在结束摩擦工序的阶段，停止主轴旋转，以规定的镦锻延迟时间进入镦锻工序。利用该镦锻压力，将接合界面的氧化物、热软化物作为烧瘤排出至外部，进行新生面彼此的固相接合，但是，如果所述镦锻压力低，则氧化物排出不足，如果所述镦锻压力过高，则接合部产生塑性变形或裂纹，无论哪种情况都降低了接合质量，因此，根据其与所述摩擦压力的关系适当地进行调整。

并且，所述预热工序及摩擦工序由计时器管理，被设定为从所述预热工序开始到主轴停止旋转的这段时间，另一方面，所述镦锻工序也由计时器管理，被设定为在所述主轴停止旋转之后持续规定时间。在该镦锻时间内，当从摩擦压力向镦锻压力切换时，设定镦锻延迟时间并控制在摩擦过程中对部件施加的热量输入和热影响范围而进入镦锻工序。

专利文献1：(日本)特开平11-156562号公报

但是，所述铝合金材料与铁材料相比散热性强，因此需要在极短的时间内完成接合，另外，如果热量输入大，则产生热软化而导致铝合金母材的机械强度降低。而且，铝合金材料的总留量(寄り代)变化速度快，有可能由于压力时机的偏差而使所述总留量变化，导致传动轴全长的尺寸精度变差。

并且，如所述公报所记载的现有技术那样，在摩擦压力、镦锻压力等全部由计时器管理的情况下，容易因轭部件和轴管的轴向尺寸偏差等而使总留量变化速度等接合条件产生偏差。因此，如上所述，引发了如下技术问题，即，传动轴的全长尺寸特别容易产生偏差，导致产品的成品率变差。

发明内容

本发明是鉴于所述现有摩擦压接法的技术问题而做出的，其目的在于提供一种能够有效地抑制传动轴的长度尺寸偏差的铝合金制传动轴及其摩擦压接方法。

本发明第一方面所记载的技术方案涉及一种铝合金制传动轴，其特征在于，具有：铝合金制的轴管；铝合金制的一对轭部件，其各自的基端部从轴向与所述轴管的两端部对接并通过摩擦压接接合，并且在其各自的两叉状的前端部分别在径向上对置地设置有保持轴承环的一对轴承保持孔；从一个所述轭部件的轴承保持孔的中心到另一个轭部件的轴承保持孔的中心这一区间的长度被设定为，相对于基准长度在±2.0mm的范围内。

本发明第二方面所记载的技术方案的特征在于，将所述各轭部件的所述两轴承保持孔的中心彼此连结的线的周向相位被设定为，在各轭部件之间沿周向在±3°以内。

本发明第三方面所记载的技术方案的特征在于，所述铝合金制的轴管是6000系列铝合金，板厚为3mm。

本发明第四方面所记载的技术方案的特征在于，以进行所述摩擦压接后的所述轴管与所述轭部件的接合界面为中心的热软化范围是左右5mm以内的范围。

本发明第五方面所记载的技术方案的特征在于，母材在所述左右5mm以内的范围内的硬度降低量为40HV以内。

本发明第六方面所记载的技术方案是一种铝合金制传动轴的摩擦压接方法，所述铝合金制传动轴具有：铝合金制的轴管；铝合金制的一对轭部件，在其各自的两叉状的前端部分别在径向上对置地设置有保持轴承环的一对轴承保持孔；所述铝合金制传动轴使该两轭部件的各基端部从轴向与所述轴管的两端部对接并通过摩擦压接接合，所述铝合金制传动轴的摩擦压接方法的特征在于，包括：摩擦工序，将所述轴管或两轭部件中的一方的部件固定，并且使另一方的部件旋转，利用规定压接力，从轴向挤压所述轴管的两端部的前端压接面和与该前端压接面对接的所述两轭部件的各基端部的对置压接面；位移检测工序，通过因所述摩擦工序而在所述轴管与两轭部件之间产生的总留量，检测轴向的位移量；旋转停止工序，在通过所述位移检测工序检测出的位移量成为规定量时，输出使所述另一方的部件的旋转停止的旋转停止信号；镦锻工序，在输出所述旋转停止信号而使另一方的部件的旋转完全停止以前的这段期间，输出镦锻压力指令信号，利用比所述摩擦工序中的规定压接力大的镦锻压力，向轴管方向挤压所述两轭部件。

本发明第七方面所记载的技术方案的特征在于，在所述旋转停止工序中，利用停止时间算出部，算出在输出所述停止信号之后到所述另一方的部件的旋转完全停止为止的停止时间。

本发明第八方面所记载的技术方案的特征在于，在所述镦锻工序中，在到达由所述停止时间算出部算出的停止时间之前的时刻，开始施加所述镦锻压力。

本发明第九方面所记载的技术方案的特征在于，在所述镦锻工序中，在所述另一方的部件的旋转停止后，以规定时间施加所述镦锻压力。

本发明第十方面所记载的技术方案的特征在于，在将到所述旋转完全停止为止的相位变化设为100％时，通过在进入到旋转完全停止前的20％～50％的范围内时输出镦锻压力指令信号，施加所述镦锻压力。

根据本发明，尤其能够有效地抑制铝合金制传动轴的长度尺寸偏差，从而能够使产品的成品率良好。

附图说明

图1是表示本发明的铝合金制传动轴的实施方式的局部剖视图。

图2的(A)～(G)表示本实施方式的铝合金制传动轴的制造工序，(A)、(B)表示向装置上安装轴管和轭部件的状态，(C)表示坯料长度的确认工序，(D)表示两轭部件的旋转开始状态，(E)表示摩擦工序，(F)表示镦锻工序，(G)表示传动轴制造完成后，装置回到初始位置的工序。

图3(A)、(B)是表示总留量的检测方法的示意图。

图4是对摩擦压接方法中现有的基于时间的控制以及本实施方式的位置控制进行实验的控制图。

图5是对本实施方式的位置控制和镦锻压力的定时延迟控制进行实验的控制图。

图6是表示实验1～3的结果的表。

图7是摩擦压接部的热软化范围的硬度分布图。

附图标记说明

1轴管

1a、1b两端部

2、3两轭部件

4、4基端部

5、5前端部

5a、5a轴承保持孔

S基准点

LA规定量

F2θ镦锻压力指令角度控制

Q、Q1各轴承保持孔的中心线

L长度

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的铝合金制传动轴和该传动轴的摩擦压接方法的实施方式进行详细说明。

本实施方式的传动轴应用于例如车辆(汽车)，安装在车辆的变速器与差动齿轮之间。

即，图1表示车辆用传动轴的一部分，具有长的圆筒状的轴管1和一对轭部件2、3，轴管1沿车身前后方向设置，一对轭部件2、3从轴向与该轴管1的两端部1a、1b接合。

所述轴管1整体上通过铝合金制造(例如6000系列铝合金T6、T8处理)而一体地形成为筒状，其壁厚S被设定为例如大约3mm，并且外径D被设定为例如105mm的均匀直径，所述轴管1形成为平坦状而未形成任何细齿等。另外，包含轴管1在内的所述两轭部件2、3的后述各轴承保持孔5a、5a、5a、5a的中心线Q、Q1之间距离的长度L被设定为例如大约1200mm的规定长度，该全长是包含后述摩擦压接时的总留量在内的长度。

所述一对轭部件2、3通过铝合金材料形成为相同外径，其由基端部4、4和前端部5、5构成，基端部4、4从轴向与所述轴管1的两端部1a、1b对接并通过摩擦压接法而被接合，前端部5、5分别从该各基端部4、4向轴向延伸。另外，该轭部件2、3各自的轴向长度被设定为包含后述摩擦压接时的总留量在内的长度。

所述各基端部4、4形成为外径与所述轴管1的外径相同的圆筒状，壁厚在从所述各前端部5、5到轴管1一侧的端缘4a、4a的范围内形成为阶梯状，该端缘4a、4a一侧的壁厚形成为与轴管1的壁厚基本相同。

所述各前端部5、5分别形成为两叉状，并且在大致中央位置向径向贯穿分别形成有一对轴承保持孔5a、5a、5a、5a，各所述一对轴承保持孔5a、5a、5a、5a保持设置在未图示的十字轴接头的十字轴上的轴承环。该各轴承保持孔5a、5a和5a、5a从径向来看形成在同一轴线上并被设定为相同内径。

另外，在图1中，6是沿内周面固定在所述轴管1的轴向大致中央位置的缓冲材料。

并且，所述轴管1的两端部1a、1b与各轭部件2、3的基端部4、4使自它们的轴向对接的对接部位通过以下的摩擦压接法接合。

[基于摩擦压接机的摩擦压接法]

摩擦压接机具有夹具机构8、旋转滑动机构(加压机构)和控制单元等，夹具机构8夹持固定所述轴管1的两端部1a、1b，旋转滑动机构利用未图示的伺服电机经由主轴使所述各轭部件2、3旋转，并且使所述各轭部件2、3沿轴向进退自如地滑移，控制单元控制该旋转滑动机构。

另外，摩擦压接机具有伺服机构，该伺服机构检测后述摩擦加压中的总留量，即，如图2C所示，该伺服机构例如将左侧轭部件2与轴管1接触的位置作为基准点，在摩擦加压中，通过检测左侧的轴承保持孔5a、5a的中心线Q和右侧的轴承保持孔5a、5a的中心线Q1的位置，来检测中心线Q、Q1之间距离的长度L的位移量即总留量。

即，所述总留量是指，如图2C及图3A所示，例如在考察左侧的轭部件2与轴管1之间的总留量U时，在将左侧轭部件2与轴管1接触的位置作为基准点S的情况下，将从该基准点S到所述左侧的轴承保持孔5a、5a的中心线Q之间的长度设为L1。并且，如图3B所示，由于摩擦压接后的卷曲9，从所述基准点S到左侧的轴承保持孔5a、5a的中心线Q之间在位移后的长度被设为L2，则从所述L1中减去L2后所得的值就被设为总留量U。该总留量U也同样产生在右侧的轭部件3与轴管1之间，因此，整体的总留量是右侧和左侧各自的U之和。

所述控制单元除了控制所述旋转滑动机构的旋转速度、旋转停止等以外，还控制轴向的加压力，并且还基于所述伺服机构的位置检测信号输出镦锻压力指令信号。

作为基于所述摩擦压接机的摩擦压接方法，首先，如图2A所示，利用所述夹具机构8、8夹持固定所述轴管1的两端部1a、1b，并且利用未图示的旋转滑动机构的轭卡盘安装固定所述左右的轭部件2、3的基端部4、4而使所述左右的轭部件2、3的基端部4、4与主轴同轴。

之后，如图2A及图2B所示，分别从径向朝所述各轴承保持孔5a、5a和5a、5a中穿插配置座圈孔销7、7。由此，将两轭部件2、3的相对于所述轴管1的周向角度相位θ预先设定为相同。

接着，如图2C所示，利用所述旋转滑动机构使左右的轭部件2、3向彼此接近的方向移动，从而使各基端部4、4从轴向与所述轴管1的两端部1a、1b对接。由此，确认坯料的全长尺寸，检测所述基准点S。在确认完坯料的全长尺寸后，也就是检测出基准点S后，使两轭部件2、3分别后退移动至原来的位置。

接着，如图2D所示，通过旋转滑动机构的主轴使暂时离开所述轴管1的各轭部件2、3向同一方向旋转。该旋转速度被控制为，使各轭部件2、3侧都以规定的转速变为基本相同的转速。

接着，如图2E所示，利用旋转滑动机构使处于旋转状态的左右的轭部件2、3彼此向轴管1的两端部1a、1b方向旋转。也就是说，使各基端部4、4的端缘4a、4a从轴向与轴管1的两端部1a、1b对接，并通过预热压力(P0)和摩擦压力(P1)进行摩擦压接(摩擦工序)。

之后，检测分别在所述轴管1的两端部1a、1b与两轭部件2、3的各基端部4、4的端缘4a、4a之间产生的卷曲(烧瘤)9即各总留量U。也就是说，如上所述，利用伺服机构检测从在所述图2C的工序中检测出的基准点S到两轭部件2、3的各中心线Q、Q1的轴向位置，从而检测出各自的实际总留量U(位移检测工序)。

并且，在该总留量U变为图4所示的规定量LA的时刻，控制单元向电动机输出主轴的旋转停止信号(图4的M点)，从而使所述两轭部件2、3的旋转停止(旋转停止工序)。

并且，从输出所述主轴的旋转停止信号的时刻(M点)开始，该主轴在完全停止以前借助惯性力旋转数圈，在由该完全停止以前的旋转角度进行反算，主轴的旋转角度变为规定旋转角度位置(F2θ)的情况下，向所述旋转滑动机构输出镦锻压力指令信号(镦锻工序)。

在此，所述规定旋转角度位置(F2θ)是指，使轭部件具有例如静扭强度、扭转疲劳强度等规定强度，并且破坏形态不在轭部件2、3与轴管1的接合边界而在因摩擦压接时的散热而产生的热软化部位这样的旋转角度位置。

所述镦锻压力P2是比所述摩擦工序的摩擦压力P1大的压力，该镦锻压力P2在主轴完全停止旋转之后维持到经过规定时间为止。如图5所示，利用该镦锻压力P2，进一步发生位移而使总留量U2变大。利用通过该镦锻压力P2产生的总留量(U2)和通过所述摩擦压力P1产生的总留量(U1)相加所得的全总留量(U＝U1+U2)，确定摩擦压接后的轴管1和两轭部件2、3的图1所示的最终长度L。

另外，如上所述，在输出主轴的旋转停止信号的时刻(M点)的同时，利用旋转滑动机构控制所述两轭部件2、3旋转，以使所述各轭部件2、3的两轴承保持孔5a、5a的中心线Q与两轴承保持孔5a、5a的中心线Q1的周向相位大致相同，从而以所述双方的中心线Q、Q1的周向角度相位在±3°以内的方式控制旋转。

之后，如图2G所示，所述各旋转滑动机构从所述各轴承保持孔5a、5a、5a、5a拔出各座圈孔销7、7，从各轭部件2、3向后退方向返回至初始位置，取出传动轴而结束一系列的摩擦压接作业。

[基于实验的具体控制图]

以下，说明本申请发明人对多个控制方式进行实验1～3的结果，该多个控制方式是指现有的基于时间的计时器控制、本实施方式那样的位置控制和如上所述的将位置控制和F2θ控制组合起来的情况。

图4表示控制时刻与压力等的关系，虚线表示例如现有技术那样的时间控制的情况(实验1)，实线表示本实施方式的所述位置控制，也就是将因摩擦压力而产生的总留量作为主体进行控制的情况(实验2)。

首先，观察虚线所示的计时器控制，在将轴管1和两轭部件2、3设置在摩擦压接机上之后，使两轭部件2、3伴同主轴的旋转而从轴向对接，从而使之与轴管1的两端部1a、1b接触(坯料接触)，同时如图4的虚线所示，利用规定的预热压力P0开始预热压力，接着，在经过0.1秒后的那一时刻，利用规定的摩擦压力P1开始摩擦压接。

之后，在经过0.2秒后的那一时刻，输出主轴的旋转停止信号。在该主轴完全停止以前的这段期间，也就是从所述坯料接触开始经过0.5秒后，输出镦锻压力指令信号，从而施加该镦锻压力P2直到主轴旋转完全停止后。

根据该实验1，如图6所记载，左右的轭部件2、3的轴承保持孔5a、5a和5a、5a的两中心线Q、Q1之间的长度相对于基准长度的偏差幅度为±2.8mm。

相对于此，在进行本实施方式的位置控制的情况下，也就是说，在从所述坯料接触开始施加摩擦压力P1后，检测轴管1和两轭部件2、3的当前轴向位置，在实际的总留量变为规定量LA的时刻，输出主轴的旋转停止信号。在输出该停止信号的同时，输出镦锻压力指令信号，从而施加镦锻压力P2直到主轴完全停止旋转后的规定时间为止。

如图6所记载，该实验2的结果为，左右的轭部件2、3的轴承保持孔5a、5a和5a、5a的两中心线Q、Q1之间的长度相对于基准长度的偏差幅度为±2.1mm。

接着，观察所述图2(A)～(G)所示的本实施方式的将位置控制与F2θ控制组合起来的实验3，首先，在与上述同样地施加摩擦压力P1之后，检测轴管1和两轭部件2、3的当前轴向位置，在实际的总留量变为规定量LA的时刻，输出主轴的旋转停止信号。

之后，在将直到所述主轴的旋转完全停止为止的数圈旋转的相位变化设为100％时，将所述主轴的旋转完全停止前的旋转角度位置(F2θ)设定为20％～50％，在进入该范围内时输出镦锻压力指令信号。

即，在所述F2θ<20％时，通过镦锻压力P2而产生的总留量U2的量变少而使氧化物排出不足，因此会扩大摩擦压接时的热软化范围，导致强度不足、接合不良，反过来，在F2θ>50％时，所述总留量U2的绝对值变大，因此，长度的偏差量变大，长度L的尺寸精度不足。

在强度方面希望尽量缩小所述热软化范围，减小母材的硬度降低，图7表示硬度分布。以摩擦压接时的轴管1与轭部件3的接合界面为中心的热软化范围是左右5mm以内的范围，可知，在该范围内，母材硬度的降低量为40HV以内。因此，选择F2θ作为决定所述热软化范围的主轴旋转角度位置，从输出旋转停止信号的时刻开始，将主轴完全停止前的旋转角度位置(F2θ)设定为20％～50％。

该镦锻压力P2在主轴完全停止旋转之后维持到经过规定时间为止。

另外，在输出主轴的旋转停止信号的时刻(M点)的同时，利用所述旋转滑动机构控制旋转，以使所述各轭部件2、3的两轴承保持孔5a、5a和5a、5a的中心线Q、Q1的周向角度相位在±3°以内。

如图6所记载，该实验3的结果为，从所述基准点S测量的左右的轭部件2、3的轴承保持孔5a、5a和5a、5a的两中心线Q、Q1之间的长度相对于基准长度的偏差幅度为±1.2mm。

如上所述，在进行计时器控制的实验例1中，如图1所示，左右的轭部件2、3的轴承保持孔5a、5a和5a、5a的两中心线Q、Q1之间的长度L的偏差幅度为±2.8mm，因此，所制造的各传动轴的全长的偏差变大，导致成品率大幅度变差。

另外，特别是由于镦锻压力指令也由时间管理，因此会导致对总留量影响大的各摩擦接合部位的机械强度也产生偏差。

因此，在通过上述时间管理进行制造的情况下，尤其会造成传动轴的成品率变差，因此不得已提高了制造成本。

在实验例2中，利用位置控制开始镦锻压力，因此，能够将左右的轭部件2、3的轴承保持孔5a、5a和5a、5a的两中心线Q、Q1之间的长度L的偏差幅度抑制为±2.1mm，因此，产品的成品率处于能够允许的范围内。

在实验例3中，除了所述位置控制以外，还通过F2θ控制在镦锻压力指令期间进行控制，推迟了镦锻压力P2的开始时刻，因此，左右的轭部件2、3的轴承保持孔5a、5a和5a、5a的两中心线Q、Q1之间的长度L的偏差幅度变为±1.2mm，获得了大幅度抑制偏差幅度的效果。由此，使传动轴的成品率极为良好。其结果是，降低了制造成本。

另外，特别是能够通过所述F2θ控制高精度地控制总留量，能够在强度确保方面获得理想的硬度分布，因此，还提高了所述各接合部位的机械强度。

即，通过在位置控制的基础上采用F2θ控制，能够将偏差幅度抑制为±1.2mm，因此，还能够充分地确保作为摩擦压接的接合部位的接合强度的静扭强度，其结果是，获得了高品质的传动轴。

另外，如果所述轴承保持孔的中心线Q、Q1之间的长度L的偏差幅度最大为±2.0mm，则能够在满足考虑了车辆的动态行为及尺寸偏差后的允许安装长度的基础上，安装在车辆的变速器与差动齿轮之间。

另外，在该实验例3中，如本实施方式所说明的那样，在输出主轴的旋转停止信号的时刻(M点)的同时，通过相位匹配控制而使两轴承保持孔5a、5a和5a、5a的各中心线Q、Q1的周向角度相位在±3°以内，因此提高了产品精度，从这一点来看也降低了制造成本。

另外，能够从所述各轴承保持孔5a、5a、5a、5a顺畅地拔出座圈孔销7、7，并且提高了各十字接头的十字轴的轴承环的安装精度。

本发明并不限于所述实施方式，通过传动轴的长度、外径等结构上的改变，例如能够任意地设定进行所述位置控制的规定量LA的大小，并且能够任意地设定所述镦锻压力指令信号的发送时刻也就是F2θ的值。

另外，作为传动轴，还能够适用于车辆用以外的船舶等的传动轴。

Claims (1)

1.一种铝合金制传动轴的摩擦压接方法，其特征在于，所述铝合金制传动轴具有：铝合金制的轴管；铝合金制的一对轭部件，在其各自的两叉状的前端部分别在径向上对置地设置有保持轴承环的一对轴承保持孔，该两轭部件的各基端部从轴向与所述轴管的两端部对接并通过摩擦压接接合，

所述铝合金制传动轴的摩擦压接方法包括：

摩擦工序，将所述轴管或两轭部件中的一方的部件固定，并且使另一方的部件旋转，利用规定压接力，从轴向挤压所述轴管的两端部的前端压接面和与该前端压接面对接的所述两轭部件的各基端部的对置压接面；

位移检测工序，通过因所述摩擦工序而在所述轴管与两轭部件之间产生的总留量，检测轴向的位移量；

旋转停止工序，在通过所述位移检测工序检测出的位移量成为规定量时，输出使所述另一方的部件的旋转停止的旋转停止信号；

镦锻工序，在输出所述旋转停止信号而使另一方的部件的旋转完全停止以前的这段期间，输出镦锻压力指令信号，利用比所述摩擦工序中的规定压接力大的镦锻压力，向轴管方向挤压所述两轭部件，

在所述镦锻工序中，在所述旋转停止工序输出所述旋转停止信号之后，所述另一方的部件的旋转在直到完全停止以前的这段期间的规定的旋转角度位置，输出所述镦锻压力指令信号而开始施加镦锻压力，并且，以即使在所述另一方的部件的旋转完全停止后也增加总留量的方式，施加所述镦锻压力。