CN103586382B - 一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置及方法，该装置包括两对夹持缸，两对夹持缸伸缩臂前端设置有一对夹持部件，两对夹持部件采用导电材料且各自采用导线和一个加热变压器的输出端连接；还包括一个加热变压器，两个相对设置在两对夹持杆中线方向的两端的顶镦缸，以及两个套管和一个芯轴。本方法采用上述装置实施，工艺过程是将两相同规格钢管的端部进行对接，将其放在制备装置上进行局部镦锻，最终一次成形双件半轴套管坯。本发明有效地解决了现有技术中端部较大法兰成形困难的问题，并且该成形工艺只需一道工序就可以完成双件此类通透中空难成形管坯的生产，实现了半轴套管坯的快捷成形。

Description

一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置及方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中金属塑性成形领域。具体涉及一种用于成形半轴套加工钢管及其与此相类似的中空轴类锻坯技术。
背景技术
半轴套管是汽车底盘部分的关键零件，工作条件为重负荷、强冲击和震动。其结构整体呈长筒形，并在一端具有一段直径变大且厚度变厚的区域且在该端端部具有一个用于对接的类似法兰盘形的凸起圆台。在汽车的运行过程中，半轴套管承受着整个车身及车载货物的重量。同时，由于路况的变化，它还要承受各种复杂的交变应力。因此，半轴套管锻造质量的好坏，直接影响到车辆的行驶安全。
目前采用的锻造工艺主要有两种：一种是采用无缝钢管在平锻机上镦挤，另一种是采用圆棒料镦挤后单独设立冲连皮工序或单独设立切端头工序去除连皮。这两种工艺均存在某些不足。无缝钢管镦挤法无法成形端部带较大法兰的锻件，加之材料价格较高，生产成本较高，应用范围正在萎缩。另一种工艺主要存在两个问题：其一是成形内孔采用反挤压法，挤压冲头长度较长（不小于锻件高度）细长比较大，工作中易变形，服役寿命低，生产中需要经常更换冲头，这已成为制约生产率提高的主要因素；其二是在挤压工序后尚需设立单独工序去除反挤压留下的连皮，有时还需设立切端头工序，不但工序长，材料利用率低，而且生产成本高，加工过程复杂，严重影响产品的生产效率。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：怎样提供一种可以既能缩短生产工艺周期、提高生产效率又能容易成形较大端部的半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明中采用了如下的技术方案：
一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置，其特征在于，包括
两对夹持缸，两对夹持缸伸缩臂相对设置且在伸缩臂前端设置有一对夹持部件，所述两对夹持缸水平并列设置且靠所述夹持部件用于实现对加工钢管的夹持，两对夹持部件采用导电材料且各自采用导线和一个加热变压器的输出端连接；
一个加热变压器，加热变压器输入端用于连接电源，输出端通过导线和上述夹持缸的夹持部件连接；
两个顶镦缸，两个顶镦缸相对设置在两对夹持杆中线方向的两端，两个顶镦缸伸缩臂上具有一个用于顶住加工钢管端部的顶板；
两个套管，两个套管用于套设在两个夹持部件之间的加工钢管上且其内径和长度与半轴套管直径变大段的外径和长度一致，套管端部靠夹持部件定位；
一个芯轴，所述芯轴外径和加工钢管内径匹配且用于插接在两个加工钢管之间的位置阻止钢管向内变形。
上述装置可以有效地解决了上述第一种工艺中端部较大法兰成形困难的问题，并且只需一道工序就可以完成双件此类通透中空难成形管坯的生产，实现了半轴套管坯的快捷成形。
作为优化，所述套管采用陶瓷-金属复合套管，所述芯轴采用陶瓷-金属复合芯轴。
本发明还公开一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备方法，其特点在于，将两个加工钢管一端对接后定位，采用一直径和加工钢管内径匹配的芯轴插入到两个加工钢管对接端内的位置，再在两个加工钢管靠近对接端端部位置各套设一个内径和长度与半轴套管直径变大段的外径和长度一致的套管，套管靠钢管定位件进行定位，给加工钢管的对接端通电使钢管对接端发热变软，再从两个钢管外端沿径向施加压力，使其对接端变形得到加工钢管件。
上述方法优选采用上述的制备装置实施得到。具体可以包括以下两个阶段过程：
(1)预热阶段：加热变压器的次级线圈、加工钢管和两对夹持部件构成回路通电，采取恒定的镦粗电流9550A，同时两端顶镦缸保持静止不动，加工钢管的坯料逐步在自身电阻及夹持部件与坯料端面接触产生的焦耳热作用下预热到锻造温度范围；一般中碳钢和中碳合金钢的始锻温度取为1150～1200℃，耐热不锈钢的始锻温度取1150～1200℃。一般中碳钢和中碳合金钢的终锻温度取为800～850℃，耐热不锈钢的终锻温度取为900～925℃。预热时间应该根据成形件规格、材料种类以及电镦加热设备情况而定，通常预热时间为1～6s。预热阶段并不是电镦锻成形过程的必须的预设的环节。
(2)镦粗阶段：两端镦粗缸（即前述顶镦缸）均以速度v'和镦粗力P（15～20MPa）向中间运动，坯料热端在两镦粗缸的速度的作用下实现坯料局部聚集；镦粗缸向中间运动的主要目的是把冷料加入成形区间；进入成形区间的冷料在大电流的作用下迅速加热，达到变形温度，在镦粗压力的作用下镦粗，使中部聚料；当两缸完成预设的运动路程，加工钢管也同时达到了一定的形状与尺寸。进一步地，所述速度v'为呈阶梯状逐渐变小的速度以尽量保持变形处应变速率为近似恒定值；使材料发生稳健变形并获得较好的微观组织。
这样分为预热和镦粗两个阶段，可以更好地控制钢管变形，确保加工精度。
综上所述，本发明能够一次加工出两个半轴套管坯，具有装置简单，加工方便，生产工艺周期短，生产效率高，方便加工成形出较大端部等优点。
附图说明
图1为具体实施方式中本发明的半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置具体使用时候的结构示意图。
图2为具体实施方式中本发明加工各阶段变形速度控制示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构作进一步的详细说明。
具体实施时，如图1所示，一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置，包括
两对夹持缸2，两对夹持缸2伸缩臂相对设置且在伸缩臂前端设置有一对夹持部件3（即电极材料），所述两对夹持缸水平并列设置且靠所述夹持部件3用于实现对加工钢管7的夹持，两对夹持部件3采用导电材料且各自采用导线和一个加热变压器1的输出端连接；
一个加热变压器1，加热变压器1输入端用于连接电源，输出端通过导线和上述夹持缸3的夹持部件连接；
两个顶镦缸4，两个顶镦缸4相对设置在两对夹持杆中线方向的两端，两个顶镦缸伸缩臂上具有一个用于顶住加工钢管端部的顶板；
两个套管6，两个套管6用于套设在两个夹持部件3之间的加工钢管7上且其内径和长度与半轴套管直径变大段的外径和长度一致，套管端部靠夹持部件定位；
一个芯轴5，所述芯轴外径和加工钢管内径匹配且用于插接在两个加工钢管之间的位置阻止钢管向内变形。
具体地说具体实施时，其中，电极材料选具有断弧性能好、导电导热好、热膨胀小、高温不软化、高强度、高密度、高硬度等一系列优点的Cu80W20铜钨。顶镦缸的材料选用具有较高强度的40Cr合金钢。加热变压器的副边线圈两端与左右夹持电极及坯料构成通电回路，在低电压、大电流的作用下，毛坯被加热到锻造温度，在顶镦缸的推压下局部镦粗聚料成形。
具体实施时，整个工艺过程如下：对两个相同规格的无缝钢管的端面（Ra为0.8μm）进行对接，里面穿一根直径与钢管内径相等陶瓷-金属复合芯轴，外面套有左右对称的两根直径适当大于钢管外径的陶瓷-金属复合套管，并将两根陶瓷-金属复合套管分别固定在两端的夹持缸上。将其对称地放在上述电镦设备上进行电热镦粗变形。本发明的第一个特点是陶瓷-金属复合芯轴和陶瓷-金属复合套管的运用。芯轴采用陶瓷-金属复合结构，优选为在氧化铝陶瓷内圈和40Cr合金钢轴的结合部分采用快固丙烯酸酯胶黏剂，使得钢轴完全被陶瓷覆盖。这种结构的芯轴既满足了绝缘隔热的要求，又具有较高的强度，能够一定程度上控制钢管内壁金属在周向方向的流动，能有效地防止在成形过程中产生折叠等缺陷。套管结构优选为在40Cr合金套管的内壁、外壁和端部采用快固丙烯酸酯胶黏剂粘有一层氧化铝陶瓷。这种结构的套管满足了绝缘要求，还可以有效地控制外侧金属在成形过程中周向的流动，使多余的金属形成较大的端部，保证了半轴套管坯在外形和尺寸上的精度。
根据金属的流动状态，本发明具体电镦工艺过程可分为预热和镦粗两个过程。
(1)预热阶段：次级线圈、管坯、和两端导电夹电极构成回路通电，采取恒定的镦粗电流9550A，同时两端顶镦缸保持静止不动，坯料逐步在自身电阻及导电夹电极与坯料端面接触产生的焦耳热作用下预热到锻造温度范围。一般中碳钢和中碳合金钢的始锻温度取为1150～1200℃，耐热不锈钢的始锻温度取1150～1200℃。一般中碳钢和中碳合金钢的终锻温度取为800～850℃，耐热不锈钢的终锻温度取为900～925℃。预热时间应该根据成形件规格、材料种类以及电镦加热设备情况而定，通常预热时间为1～6s。预热阶段并不是电镦锻成形过程的必须的预设的环节。
(2)镦粗阶段：两端镦粗缸均以速度v'和镦粗力P（15～20MPa）向中间运动，坯料热端在两缸的速度的作用下实现坯料局部聚集。镦粗缸向中间运动的主要目的是把冷料加入成形区间。进入成形区间的冷料在大电流的作用下迅速加热，达到变形温度，在镦粗压力的作用下镦粗，使中部聚料。当两缸完成预设的运动路程，管坯也同时达到了一定的形状与尺寸。
在电镦成形过程中，坯料在轴向的变形速度v由镦粗缸的前进速度v'控制，且v=v'。要想保持应变速率为某一恒定值，则需要控制坯料的变形速度v不断减小，即由操作者随时间的变化进行手动控制不断调整v，以实现近似的恒值。由于较小的变形速率可以为材料高温变形时发生动态再结晶提供时间及能量上的积累，有助于动态再结晶的发生，使材料发生稳健变形并获得较好的微观组织。变形过程中，控制变形速率为0.01s-1，最大相对误差δe不超过10%，则：
第一步，确定变形时间间隔△t，即每阶段的变形时间为20s。
第二步，确定总变形时间ti或时间段数i，即变形过程共需45s，变形共需3个阶段，变形在第三个阶段到第5秒的时候结束。
第三步，再由来确定各恒速变形阶段的坯料变形速度vi，各阶段变形速度可以优选如图2所示。
本发明的第二个特点是采用电镦的方法成形管坯大端。无缝钢管镦挤法无法成形端部带较大法兰的锻件，而电镦对于此类锻件却具有独特的适应性，所以在本发明中很好地解决了这个问题。在电镦过程中，利用的是工件本身电阻在通过低压大电流时产生的热量，加热和镦粗同时进行，不但可以节省人力，而且提高了生产效率。
本发明的第三个特点是在该成形工艺中实现了一次双件同时成形。由于电镦前是对两个相同规格的钢管进行无缝对接，对称地放在电镦机上，并且在电镦过程中左右两端施加的速度（或镦粗力）也是相同的，所以每次电镦完成后，可以得到两个相同规格的半轴套管坯。这样做不仅能够大大地提高生产效率，同时也可以减少生产设备投资，其经济效益将会十分显著。

Claims (6)

1.一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置，其特征在于，包括
两对夹持缸，两对夹持缸伸缩臂相对设置且在伸缩臂前端设置有一对夹持部件，所述两对夹持缸水平并列设置且靠所述夹持部件用于实现对加工钢管的夹持，两对夹持部件采用导电材料且各自采用导线和一个加热变压器的输出端连接；
一个加热变压器，加热变压器输入端用于连接电源，输出端通过导线和上述夹持缸的夹持部件连接；
两个顶镦缸，两个顶镦缸相对设置在两对夹持杆中线方向的两端，两个顶镦缸伸缩臂上具有一个用于顶住加工钢管端部的顶板；
两个套管，两个套管用于套设在两个夹持部件之间的加工钢管上且其内径和长度与半轴套管直径变大段的外径和长度一致，套管端部靠夹持部件定位；
一个芯轴，所述芯轴外径和加工钢管内径匹配且用于插接在两个加工钢管之间的位置阻止钢管向内变形。
2.如权利要求1所述的半轴套管坯一次双件局部电镦制备装置，其特征在于，所述套管采用陶瓷-金属复合套管，所述芯轴采用陶瓷-金属复合芯轴。
3.一种半轴套管坯一次双件局部电镦制备方法，其特征在于，将两个加工钢管一端对接后定位，采用一外径和加工钢管内径匹配的芯轴插入到两个加工钢管对接端内的位置，再在两个加工钢管靠近对接端端部位置各套设一个内径和长度与半轴套管直径变大段的外径和长度一致的套管，套管靠钢管定位件进行定位，给加工钢管的对接端通电使钢管对接端发热变软，再从两个钢管外端沿径向施加压力，使其对接端变形得到加工钢管件。
4.如权利要求3所述的半轴套管坯一次双件局部电镦制备方法，其特征在于，采用了如权利要求2所述的制备装置实施得到。
5.如权利要求4所述的半轴套管坯一次双件局部电镦制备方法，其特征在于，具体包括以下两个阶段过程：
(1) 预热阶段：加热变压器的次级线圈、加工钢管和两对夹持部件构成回路通电，采取恒定的镦粗电流9550A，同时两端顶镦缸保持静止不动，加工钢管的坯料逐步在自身电阻及夹持部件与坯料端面接触产生的焦耳热作用下预热到锻造温度范围；
 (2) 镦粗阶段：两端镦粗缸均以速度                                               和镦粗力P为15~20Mpa压强向中间运动，坯料热端在两镦粗缸的速度的作用下实现坯料局部聚集；镦粗缸向中间运动的主要目的是把冷料加入成形区间；进入成形区间的冷料在大电流的作用下迅速加热，达到变形温度，在镦粗压力的作用下镦粗，使中部聚料；当两缸完成预设的运动路程，加工钢管也同时达到了一定的形状与尺寸。
6.如权利要求5所述的半轴套管坯一次双件局部电镦制备方法，其特征在于，所述速度为呈阶梯状逐渐变小的速度以保持变形处应变速率为恒定值。
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