CN104043769B - 热挤压空心车轴直接成型工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热挤压空心车轴直接成型工艺，其通过管料检验加工、梯度加热处理、上模、水平和径向加载、脱模后整体加热、再上模、再加载，以及重复上述步骤和检验处理后，有效完成了空心车轴的直接变径热挤压成型。具有工艺设计合理，模具结构简单、镦粗速度快、成品率高、使用效果好、成本低廉的优点，在大大降低车轴重量的同时，有效提高和保证了空心车轴的强度和扭矩力，特别适合高速列车车轴的大批量工业化生产。

Description

热挤压空心车轴直接成型工艺

技术领域

本发明涉及一种热挤压成型管料技术，特别涉及一种利用平锻液压机进行热挤压空心车轴的成型工艺，属于金属锻造加工领域。

背景技术

近年来，随着高速铁路的发展，对高速列车的要求不断提高。其中，为保证列车运行速度，降低磨擦对能量的损耗，减轻列车重量已成为高速列车发展的必然。而减轻簧下质量，降低车轴重量，采用空心车轴就成为首选。

现阶段，空心车轴的加工主要延续锻造工艺进行锻造，然后用机械加工钻孔的方式生产不变径空心车轴，生产出的空心车轴，原料消耗大，加工周期长，生产成本居高不下，同时，生产工艺受到较大限制，没能全面发挥空心车轴的使用效果。而直接使用空心管坯锻造车轴，明显具有节约原材料、缩短工艺流程和加工周期的优点，但受热挤压空心车轴变径成型技术工艺的限制，其加工质量一直无法保证，特别是车轴水平横向锻造属于三维成形问题，其变形部位具有瞬时局部性和连续性的特点，计算量极大，到目前为止相关报道还未出现。在我国列车车轴的重点生产企业——太原重型机械厂和晋西车轴股份有限公司中，也只是用快锻油压机锻造实心车轴，而热挤压空心车轴受技术和设备的限制，也只停留在理论探讨中。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明旨在提供一种镦粗速度快、成品率高、成本低、使用效果好、适于大批量生产的热挤压变径空心车轴镦粗加工方法，以满足高速列车车轴、重载列车车轴、轻轨列车车轴以及一般列车车轴直接镦粗成型的需要。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种热挤压空心车轴直接成型工艺，空心车轴的两侧由外向内分别为轴承座位置和轮座位置，具体步骤包括：

步骤一、对进厂管料进行超声波和磁粉探伤，按产品规格下料后，以管料外径为加工基准进行内孔加工。

步骤二、采用梯度加热的方式，对轮座变形区以及变形区与内侧非变形区之间的过渡区进行满足始锻温度的加热，保证变形区温度高于过渡区温度80～100℃。

步骤三、将上、下分体模具中的下半模固定在工作台上，上半模对应固定在垂直方向的竖直加载液压机上，将车轴一端梯度加热处理完成的轮座变形区及内侧非变形区水平放入分体模具的相应位置处，通过竖直加载液压机产生径向加载力压紧上、下半模，并保持上、下半模间隙为1～2mm。

步骤四、通过卧式水平加载液压机和变径芯棒，采用定程定压的方式对轮座变形区进行热挤压，形成轮座变形区的内镦粗，同时，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％。

步骤五、对车轴进行脱模，对轮座热挤压完成端的轴承座变形位置进行整体加热，使加热温度再次达到始锻温度。

步骤六、重新上模，将内镦粗完成端的车轴轮座水平放入分体模具的相应位置处，轴承座变形区在模腔外，非变形区在模腔内，通过竖直加载液压机加载径向压力压紧上、下半模，保持上、下半模间隙为1～2mm。

步骤七、采用定程定压的方式，通过卧式水平加载液压机上的轴承座收口模具对轴承座变形区进行水平推进方式下的热挤压变形收口，同时，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％。

步骤八、再次脱模后，重复上述步骤二至步骤七，完成车轴另一端的热挤压加工。

步骤九、对车轴毛坯检验→正火→粗加工、钻镗内孔→检验→热处理→喷丸处理→机械性能检验→产品验收。

所述步骤二具体包括：梯度加热采用平行中频双炉体加热，梯度加热分为局部加热和整体加热两个阶段；局部加热用于加热车轴一端需首先变形的部位，即以轮座位置所需镦粗长度组成初始加热段，在第一个中频加热炉内完成局部加热，加热温度控制在600～700℃；整体加热是将初始加热段附近所有需要加热的部位放入第二个中频加热炉中进行整体加热，加热温度达到始锻温度1150℃，轮座位置的变形区温度高于内侧的过渡区温度80～100℃。

所述步骤四中，热挤压镦粗过程中，上半模向上移动间隙2～3mm，镦粗到规定行程时，上、下半模间隙不超过4mm。

所述步骤五中，始锻温度为1150℃。

本发明所述的热挤压空心车轴直接成型工艺，以特殊的梯度热处理方式为基础，结合上、下方向分体模具的径向加载力以及水平方向加载模具的推动力，在定程定压模式下，完成空心管料的热挤压过程，实现了变径空心车轴的直接成型。其工艺设计合理，模具结构简单、使用方便，锻件整体质量好，应变分布均匀，水平方向的正压力保证了管坯镦粗变形部位与不变形部位金属流线一致，得到了与纵向一样的横向机械性能，提高了空心车轴的扭矩力，在减轻重量和转动惯量的同时，增加了抗弯、抗扭能力，提升了空心车轴的使用效果和使用质量，具有镦粗速度快、成品率高、成本低、使用效果好、适于大批量工业化生产的优点。

附图说明

图1为本发明所述空心车轴的整体结构示意图；

图2为本发明所述成型工艺中轮座镦粗过程的结构变化示意图；

图3为本发明所述成型工艺中轴承座热挤压后的结构示意图。

具体实施方式

本发明工艺的宗旨是：先收内，镦粗轮座外径，然后再加芯棒对轴承座进行收口，完成空心车轴的变径处理。具体方式为：利用梯度加热的热处理方式，结合相应的分体模具，在水平和垂直加载力的作用下进行热挤压，完成定程定压下空心车轴的直接变径成型，然后，辅助外圆和内孔加工，实现空心车轴的整体成型。

下面以实际加工高速列车空心车轴为例，结合附图对本发明做进一步的描述：

如图1所示，本发明所述的空心车轴3的两侧由外向内分别为轴承座位置2和轮座位置1，其中，轴承座位置2用于连接轴承，轴承顶部通过支架与车体连接；轮座位置1用于固定车轮，车轮与空心车轴3在运动中保持同步旋转，带动车体高速运动。

具体的热挤压空心车轴直接成型工艺包括：

步骤1、对进厂管料进行超声波和磁粉探伤，按产品规格下料后，以管料外径为加工基准进行内孔加工。

此步骤是热挤压生产前的准备程序，主要对进厂材料进行超声波和磁粉探伤，从第一道工序上开始控制材料质量，剔出有缺陷材料，然后，根据产品规格进行下料，下好的料以管体外径为加工基准进行内孔加工，保证加工后管体壁厚均匀，内孔无加工缺陷。

步骤2、采用梯度加热的方式，对轮座变形区以及变形区与内侧非变形区之间的过渡区进行满足始锻温度1150℃的加热，保证变形区温度高于过渡区温度80～100℃。

梯度加热的目的是使变形过程首先在温度较高的变形区进行，从而形成阶段明显地变形过程，完成热挤压过程的可控进行。对于空心车轴来说，降低车轴重量的同时还要保证车轴的强度和耐用性，作为运动过程主要摩擦和受力部位的轮座支撑区，其结构就最为关键，其壁厚也应保持最厚。故本步骤的主要目的就是为加工较厚的轮座壁厚做的前期热处理准备。

此步骤中，梯度加热采用平行中频双炉体加热，梯度加热分为局部加热和整体加热两个阶段。其中，局部加热首先针对车轴一端需首先变形的部位进行加热，即以轮座位置所需镦粗长度组成初始加热段，在第一个中频加热炉内完成局部加热，加热温度控制在600～700℃。整体加热是将初始加热段附近所有需要加热的部位放入第二个中频加热炉中进行整体加热，加热温度达到始锻温度1150℃，此时，轮座位置的变形区温度高于内侧的过渡区温度80～100℃，其镦粗变形过程会首先在轮座变形区进行。

步骤3、根据加工变形过程设计完成的上、下分体模具中的下半模固定在工作台上，上半模对应固定在垂直方向的竖直加载液压机上，将车轴一端梯度加热处理完成的轮座变形区及内侧非变形区水平放入分体模具的相应位置处，通过竖直加载液压机产生径向加载力压紧上、下半模，并保持上、下半模间隙为1～2mm。

上、下半模的模具组成方式，使镦粗过程在一个相对宽松的环境下进行。由于镦粗过程为外径尺寸不变、内径变小，故利用竖直加载液压机对模具整体形成径向压力，保证变形过程在受压状态下可控进行，变形区在内镦粗过程中更易贴满芯棒，保证了镦粗产品质量的可靠性，同时，分体结构的模具还使模具自身加工方便，脱模简单，避免了膨胀过程对模具造成的直接影响和脱模困难。

步骤4、通过卧式水平加载液压机和变径芯棒，采用定程定压的方式对轮座变形区进行热挤压，形成轮座变形区的内镦粗，同时，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％。

如图2所示，热挤压镦粗前，空心管料3的内径相同，变径芯棒6的长度和尺寸根据加工空心车轴的空腔尺寸而定，因轮座位置1的变形过程是外径尺寸不变，内径收口变形，形成轮座位置1壁厚镦粗的结果，故在梯度加热的基础上，结合变径芯棒6和上、下模4，5的联合作用，空心管料3的变形区会首先在温度较高的轮座位置1进行，随着定程定压的热挤压过程，即在压力相同、推进速度相等的状态下，变形位置和变形时间会使内镦粗贴满变径芯棒6，对应轮座位置1的车轴壁7增厚，保证了空心车轴轮座位置1的强度，同时，成型区与非成型区的连接处形成锥面过渡8，锥面过渡8可使镦粗产品在连接处形成完整的金属流线，保证了镦粗产品的质量，从而得到理想的变径空心车轴。

为进一步保证镦粗过程，除需要定程定压外，还需使径向加载力大于水平加载力20％～40％，这样，在外径不变的前提下，才能顺利地将内径收口变形，而在分体模具的协调配合下，热挤压镦粗过程还会使上半模向上移动2～3mm，以消耗挤压过程产生的微小直径变化，使车轴镦粗和模具径向膨胀同时进行，避免了固定模具无法吸收变形的弊端。本例中，热挤压到镦粗规定行程后，上、下半模的间隙不应超过4mm，以免影响镦粗效果，保证了镦粗质量。

步骤5、当车轴一端镦粗完成后，对车轴进行脱模，对轮座热挤压完成端的轴承座变形位置进行整体加热，使加热温度再次达到始锻温度1150℃。

具体脱模过程为：首先，操作卧式水平加载液压机退出，接着，控制竖直加载液压机将上半模提升，完成脱模。

受热挤压加工时间的影响，脱模后空心车轴的终锻温度在900～1000℃左右，为实现轴承座位置的后续加工，保证轴承座成型过程顺利进行，还要对轴承座变形位置进行整体加热，以达到始锻温度1150℃。

步骤6、重新上模，将内镦粗完成端的车轴轮座水平放入分体模具的相应位置处，轴承座变形区在模腔外，非变形区在模腔内，通过竖直加载液压机加载径向压力压紧上、下半模，保持上、下半模间隙为1～2mm。

此步骤开始，即对轴承座位置进行热挤压收口变形。变形后的轴承座端外径与轮座外径形成台阶状，内径通孔与轮座位置对应的内腔通孔直径相同。

步骤7、采用定程定压的方式，通过卧式水平加载液压机上的轴承座收口模具对轴承座变形区进行水平推进方式下的热挤压变形收口，同时，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％。

如图3所示，受收口模具9的限制和变形区的影响，非变形区位于分体模腔内，用于支撑热挤压过程。轴承座变形区10位于模腔外，而靠近轴承座变形区10内侧的轮座位置1则对收口模具9进行引导。用定程定压的方式以较大的水平加载力进行水平热挤压推进收口，较小的径向加载力只起到锁紧车轴的作用，非变形区的车轴直径不发生变化，也不参与工件变形。在实施较大水平加载力时，要求定压并保压，在水平推进热挤压变形收口到规定行程时，轴承座变形区10首先被充满，同时，内径收缩，形成与轮座位置1对应通孔直径相同的孔腔，又因定程限制，在轴承座变形区10参与变形后，其它部位不会参与变形，从而有效保证了轴承座的镦粗形状和镦粗尺寸，完成了轴承座的热挤压收口变形。

步骤8、再次脱模后，重复上述步骤2至步骤7，完成车轴另一端的热挤压加工。

脱模过程还是先操作卧式水平加载液压机进行收口模具退出，然后，再操作竖直加载液压机将上模具提升，完成脱模。

受加工设备和模具结构的限制，现阶段热挤压加工变径空心车轴时，只能采用先进行一端热挤压加工，然后再进行另一端热挤压的加工过程，其具体过程与步骤2至步骤7相同，在此不再赘述。

步骤9、对车轴毛坯检验→正火→粗加工、钻镗内孔→检验→热处理→喷丸处理→机械性能检验→产品验收。

受高速空心车轴使用状态的要求，对热挤压成型后的空心变径车轴还需进行严格的全检，合格品转到下一道工序，不合格品则转到不合格品库销毁处理。其中，合格后产品的正火处理，可细化组织、消除产品缺陷，为后续热处理做准备。粗加工主要为粗车，对空心车轴的外径及形状进行车削，钻镗和粗车内孔时，特别是对于收口孔径与未收口孔径之间的锥面过渡区要保持圆弧过渡加工，不许有扎刀、黑皮、衔接面错移等缺陷。而后续检验、热处理和喷丸处理，则可进一步提高空心车轴表面的硬度，堵断应力扩散，消除氧化皮等安全隐患，最后，再通过机械性能检验后，完成产品验收。

至此，整个加工过程完成，实现了变径空心车轴的直接热挤压成型。

Claims (4)

1.一种热挤压空心车轴直接成型工艺，空心车轴的两侧由外向内分别为轴承座位置和轮座位置，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一、对进厂管料进行超声波和磁粉探伤，按产品规格下料后，以管料外径为加工基准进行内孔加工；

步骤二、采用梯度加热的方式，对轮座变形区以及变形区与内侧非变形区之间的过渡区进行满足始锻温度的加热，保证变形区温度高于过渡区温度80～100℃；

步骤三、将上、下分体模具中的下半模固定在工作台上，上半模对应固定在垂直方向的竖直加载液压机上，将车轴一端梯度加热处理完成的轮座变形区及内侧非变形区水平放入分体模具的相应位置处，通过竖直加载液压机产生径向加载力压紧上、下半模，并保持上、下半模间隙为1～2mm；

步骤四、通过卧式水平加载液压机和变径芯棒，采用定程定压的方式对轮座变形区进行热挤压，形成轮座变形区的内镦粗，同时，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％；

步骤五、对车轴进行脱模，对轮座热挤压完成端的轴承座变形位置进行整体加热，使加热温度再次达到始锻温度；

步骤六、重新上模，将内镦粗完成端的车轴轮座水平放入分体模具的相应位置处，轴承座变形区在模腔外，非变形区在模腔内，通过竖直加载液压机加载径向压力压紧上、下半模，保持上、下半模间隙为1～2mm；

步骤七、采用定程定压的方式，通过卧式水平加载液压机上的轴承座收口模具对轴承座变形区进行水平推进方式下的热挤压变形收口，同时，保持径向加载力大于水平加载力20％～40％；

步骤八、再次脱模后，重复上述步骤二至步骤七，完成车轴另一端的热挤压加工；

步骤九、对车轴毛坯检验→正火→粗加工、钻镗内孔→检验→热处理→喷丸处理→机械性能检验→产品验收。

2.根据权利要求1所述的热挤压空心车轴直接成型工艺，其特征在于，所述步骤二具体包括：所述梯度加热采用平行中频双炉体加热，梯度加热分为局部加热和整体加热两个阶段；所述局部加热用于加热车轴一端需首先变形的部位，即以轮座位置所需镦粗长度组成初始加热段，在第一个中频加热炉内完成局部加热，加热温度控制在600～700℃；所述整体加热是将初始加热段附近所有需要加热的部位放入第二个中频加热炉中进行整体加热，加热温度达到始锻温度1150℃，轮座位置的变形区温度高于内侧的过渡区温度80～100℃。

3.根据权利要求1所述的热挤压空心车轴直接成型工艺，其特征在于，所述步骤四中，热挤压镦粗过程中，上半模向上移动间隙2～3mm，镦粗到规定行程时，上、下半模间隙不超过4mm。

4.根据权利要求1所述的热挤压空心车轴直接成型工艺，其特征在于，所述步骤五中，始锻温度为1150℃。