CN104833331A - 轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，首先确定毛坯的硬度范围，然后，根据含芯棒旋锻工艺特性，从而确定毛坯的内径，对毛坯进行材料加工硬化试验，从而得到毛坯的加工硬化特性曲线，根据无芯棒旋锻成形理论，建立无芯棒旋锻真实等效应变与毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的渐开线花键成形的硬度要求，确定毛坯旋锻后的最高硬度，最后，根据最高硬度和加工硬化特性曲线，从而确定毛坯的最大外径，本发明对旋锻毛坯材料的力学特性设计、旋锻工艺参数制定以及提高旋锻质量和效率等具有重要的工程技术参考价值。

Description

轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法

技术领域

本发明属于汽车零件制造领域，具体涉及一种用于确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法。

背景技术

旋锻工艺具有表面成形质量好、连续的纤维流线、容易形成变截面变厚度结构、表面具有残余压应力、成形效率高、材料利用率高、轻量化等优势，在小尺寸和承受大扭矩的轿车等速万向传动中间轴成形中具有明显的优势，旋锻成形将成为变截面、变壁厚中间轴管制造的大趋势。

轿车等速万向传动中间轴是利用无缝钢管作为毛坯，通过无芯棒旋锻、含芯棒旋锻、渐开线花键成形等工艺形成的变截面、变壁厚空心轴管。然而，毛坯的内外径尺寸是影响旋锻工艺参数制定、旋锻质量、旋锻效率等的重要参数，因此，在采用旋锻工艺制造等速万向传动中间轴时，毛坯的内外径尺寸是加工制造的最原始尺寸。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种用于确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法。

本发明提供了一种用于确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的旋锻工艺要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的硬度范围；步骤2，根据含芯棒旋锻工艺特性，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内径尺寸；步骤3，通过对轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯进行力学试验，得到轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的加工硬化特性曲线和轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的硬度与强度的转换关系；步骤4，根据无芯棒旋锻成形理论，建立无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系；步骤5，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的渐开线花键成形的硬度要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻后的最高硬度；步骤6，根据最高硬度和加工硬化特性曲线，确定等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大外径。

本发明的等速万向传动中间旋锻轴毛坯内外径尺寸确定方法还可以具有这样的特征：其中，轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内径尺寸是根据含芯棒旋锻工艺要求中芯棒的尺寸来确定的。

本发明的等速万向传动中间旋锻轴毛坯内外径尺寸确定方法还可以具有这样的特征：其中，步骤3包含：步骤3-1，对所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯进行力学试验，得到所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的加工硬化特性曲线；步骤3-2，根据加工硬化特性曲线得到所述加工硬化关系式：

σ^*＝Kεⁿ

其中，σ^*为真实应力，ε为真实应变，n为形变硬化指数，K为形变强化系数。

本发明的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法还可以具有这样的特征：其中，所述无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系为：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\sqrt{\frac{2}{3}[{\left(\ln \frac{t}{t_0}\right)}^2+{(\ln \frac{t}{t_0}+\ln \frac{r_m}{r_{m_0}})}^2+{\left(\ln \frac{r_m}{r_{m_0}}\right)}^2]}$

$r_{m_0}=r_0-\frac{t_0}{2}$

$r_m=r-\frac{t}{2}$

其中，t₀为毛坯的壁厚，t为毛坯旋锻后的壁厚，为毛坯的等效半径，r_m为毛坯旋锻后的等效半径，r₀为毛坯的半径，r为毛坯旋锻后旋锻轴的半径。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，通过确定毛坯的硬度范围，然后，根据含芯棒旋锻工艺特性，从而确定毛坯的内径，对毛坯材料进行加工硬化试验，从而能够得到毛坯材料的加工硬化特性曲线，根据无芯棒旋锻成形理论，建立无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的渐开线花键成形的硬度要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴旋锻后的最高硬度，最后，根据最高硬度和加工硬化特性曲线，从而确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大外径，本发明对旋锻毛坯材料的力学特性设计、旋锻工艺参数制定以及提高旋锻质量和效率等具有重要的工程技术参考价值。

附图说明

图1是本发明的实施例中轿车等速万向传动中间旋锻轴的结构示意图；以及

图2是本发明的实施例中的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法作具体阐述。

本实施例以某轿车等速万向传动中间旋锻轴为对象，毛坯为上海宝钢提供的25CrMo4无缝等壁厚钢管。

图1是本发明的实施例中轿车等速万向传动中间旋锻轴的结构示意图。

如图1所示，轿车等速万向传动中间旋锻轴100分为三个部分，轴段110、轴段120和轴段130。轴段110和轴段130为变壁厚变截面的空心轴段部分，首先通过无芯棒多道次旋段成形，然后再进行渐开线花键冷成形；轴段120为等壁厚的空心轴段部分，通过含芯棒单道次旋段拉拔成形。轿车等速万向传动中间旋锻轴100各部分的尺寸如图1中所示。

图2是本发明的实施例中的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法的流程图。

如图2所示，轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法用于确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸，轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法包含以下步骤：

步骤S1，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的旋锻工艺要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的硬度范围。

轿车等速万向节中间轴毛坯的硬度受到无缝钢管制造、旋锻成形金属流动、加工硬化、后续渐开线花键成形以及产品热处理强化工艺的影响。旋锻轴毛坯硬度确定准则：①旋锻轴毛坯的硬度与旋锻能力成反比，旋锻轴毛坯的硬度要尽可能低；②旋锻轴毛坯的最高硬度受到旋锻工艺、加工硬化效应和后续渐开线花键成形工艺的制约；③旋锻轴毛坯的最低硬度受到无缝钢管制造的制约。

旋锻成形工艺对25Crmo4材料毛坯的硬度要求是：硬度小于180HB(相当于190HV或85HRB)的区域适于旋锻；硬度高于230HB(相当于240HV或102HRB)的区域不适于旋锻；硬度在180-230HB(相当于85-102HRB或190-240HV)之间的区域旋锻，易发生设备事故。本实施例中，等速万向节中间轴毛坯的硬度不高于180HB(190HV或85HRB)。

旋锻轴毛坯的最低硬度由无缝钢管制造厂家按照各自工艺水平确定，然后，进入步骤S2。

步骤S2，根据含芯棒旋锻工艺特性，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内径尺寸。

毛坯的内径尺寸由含芯棒旋锻工艺确定，含芯棒旋锻工艺要求芯棒与轴段120内壁之间的间隙δ不超过0.5mm。

图1中的轿车等速万向传动中间旋锻轴要求轴段120的内径为26mm，因此，含芯棒旋锻工艺的芯棒直径设计为26mm。通过含芯棒旋锻工艺确定的等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内径还需要圆整，并满足无缝钢管内径系列要求。

因此，本实施例中，毛坯的内径尺寸d₀为：

d₀＝[芯棒直径+2δ]_圆整＝[26+2×0.5]_圆整＝27mm   (1)

然后，进入步骤S3。

步骤S3，通过对轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯进行力学试验，得到轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的加工硬化特性曲线和轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的硬度与强度的转换关系。

按照金属材料的力学试验规范，试验得到该材料的加工硬化特性曲线，进而得到毛坯的加工硬化关系式，即Hollmon关系式：

σ^*＝Kεⁿ   (2)

其中，σ^*：真实应力；ε：真实应变；n：形变硬化指数；K：形变强化系数。

从本实例的材料加工硬化特性曲线可以得到K＝728，n＝0.198，从而Hollmon关系式为：

σ^*＝728ε^0.198   (3)

25CrMo4材料的强度与硬度的转换关系约为：

1HB相当于3.17MPa(4)

然后，进入步骤S4。

步骤S4，根据无芯棒旋锻成形理论，建立无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系。

轴段110和轴段130的成形过程是一个无芯棒多道次的旋锻过程，不同截面的应变是一个应变累积过程。本实例中，为了计算方便，假设每道次锻打的应变符合线性叠加，多道次旋锻的累积应变可以简化为单道次旋锻的应变，因此，真实应变ε与真实等效应变ε'相同。

根据无芯棒旋锻成形理论，可以得到无芯棒单道次旋锻的真实等效应变ε'计算公式如式：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\sqrt{\frac{2}{3}[{\left(\ln \frac{t}{t_0}\right)}^2+{(\ln \frac{t}{t_0}+\ln \frac{r_m}{r_{m_0}})}^2+{\left(\ln \frac{r_m}{r_{m_0}}\right)}^2]}---\left(5\right)$

$r_{m_0}=r_0-\frac{t_0}{2}---\left(6\right)$

$r_m=r-\frac{t}{2}---\left(7\right)$

其中，t₀为毛坯的壁厚，t为毛坯旋锻后的壁厚，为毛坯的等效半径，r_m为毛坯旋锻后的等效半径，r₀为毛坯的半径，r为毛坯旋锻后旋锻轴的半径。

式(5)即为无芯棒旋锻真实等效应变与毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间关系。

然后进入步骤S5。

步骤S5，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的渐开线花键成形的硬度要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴旋锻后的最高硬度。

由于加工硬化效应，旋锻后材料的硬度和强度会提高，进而影响后续成形工艺。本实例中，旋锻轴毛坯经过无芯棒和含芯棒旋锻后，轴段110和轴段130还要进行渐开线花键成形。为了保证轴段110和轴段130处的渐开线花键冷挤成形，对于25CrMo4材料，轴段110和轴段130花键段的硬度不能超过200HB(210HV或94HRB)，否则渐开线花键成形比较困难。

本实例中，轴段110和轴段130经过无芯棒旋锻后，渐开线花键处的最高硬度设计为200HB(210HV或94HRB)。

然后进入步骤S6。

步骤S6，根据最高硬度和加工硬化特性曲线，确定等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大外径。

利用式(4)，将25CrMo4材料的旋锻后的最高硬度通过强度与硬度的转换关系得到真实应力σ^*。

σ^*＝200×3.17＝634MPa

将真实应力σ^*将代入式(3)中得到真实应变ε＝0.4974，因此ε'＝0.4974。

如图1中，轴段130处渐开线花键分度圆直径为27.9mm，轴段110处渐开线花键分度圆直径为29.5mm，因此，轴段130处旋锻变形大，加工硬化程度高。所以，等速万向节中间轴的毛坯的最大外径以轴段130渐开线花键处的加工硬化来计算确定。

轴段130花键处经过无芯棒旋锻后，外径(取渐开线花键分度圆直径)为27.9mm，即r为13.95mm、壁厚t为7.7mm，等效半径r_m为10.1mm；等速万向传动中间旋锻轴毛坯内径d₀为27mm；为了满足后续渐开线花键冷挤成形硬度要求，无芯棒旋锻的最大真实等效应变ε'为0.4974。

将ε'、d₀和轴段130花键处r、t、r_m代入(5)式，利用数值逼近求解即可得到等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大壁厚为：

t₀≈5.27mm。

通过无芯棒旋锻工艺确定的等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大外径还需要圆整，并满足无缝钢管内径系列要求。等速万向节中间轴的毛坯的最大外径圆整取值时，为了减少旋锻变形量，通常取下限，因此，最大外径d_i为：

d_i＝[d₀+2t₀]_圆整＝[27+2×5.27]_圆整＝37mm

最终确定该轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸为：毛坯的最大外径37mm，毛坯的内径27mm。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，通过确定毛坯的硬度范围，然后，根据含芯棒旋锻工艺特性，从而确定毛坯的内径，对毛坯材料进行加工硬化试验，从而能够得到毛坯材料的加工硬化特性曲线，根据无芯棒旋锻成形理论，建立无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的渐开线花键成形的硬度要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴旋锻后的最高硬度，最后，根据最高硬度和加工硬化特性曲线，从而确定等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大外径，本发明对旋锻毛坯材料的力学特性设计、旋锻工艺参数制定以及提高旋锻质量和效率等具有重要的工程技术参考价值。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，用于确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据轿车等速万向传动中间旋锻轴的旋锻工艺要求，确定轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的硬度范围；

步骤2，根据含芯棒旋锻工艺特性，确定所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内径尺寸；

步骤3，通过对所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯进行力学试验，得到所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的加工硬化特性曲线和所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的硬度与强度的转换关系；

步骤4，根据无芯棒旋锻成形理论，建立无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系；

步骤5，根据所述轿车等速万向传动中间旋锻轴的渐开线花键成形的硬度要求，确定所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻后的最高硬度；

步骤6，根据所述最高硬度和所述加工硬化特性曲线，确定所述等速万向传动中间旋锻轴毛坯的最大外径。

2.根据权利要求1所述的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，其特征在于

其中，所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内径尺寸是根据含芯棒旋锻工艺要求中芯棒的尺寸来确定的。

3.根据权利要求1所述的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，其特征在于

其中，步骤3包含：

步骤3-1，对所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯进行力学试验，得到所述轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的加工硬化特性曲线；

步骤3-2，根据所述加工硬化特性曲线得到所述加工硬化关系式：

σ^*＝Kεⁿ

其中，σ^*为真实应力，ε为真实应变，n为形变硬化指数，K为形变强化系数。

4.根据权利要求1所述的轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯的内外径尺寸确定方法，其特征在于：

其中，所述无芯棒旋锻真实等效应变与轿车等速万向传动中间旋锻轴毛坯旋锻前后的壁厚和内外径之间的关系为：

${\mathrm{\ϵ}}^{\′}=\sqrt{\frac{2}{3}[{\left(\ln \frac{t}{t_0}\right)}^2+{(\ln \frac{t}{t_0}+\ln \frac{r_m}{r_{m_0}})}^2+{\left(\ln \frac{r_m}{r_{m_0}}\right)}^2]}$

$r_{m_0}=r_0-\frac{t_0}{2}$

$r_m=r-\frac{t}{2}$

其中，t₀为毛坯的壁厚，t为毛坯旋锻后的壁厚，为毛坯的等效半径，r_m为毛坯旋锻后的等效半径，r₀为毛坯的半径，r为毛坯旋锻后旋锻轴的半径。