CN105224813B - 轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其步骤是：（1）根据轿车旋锻轴产品的使用载荷特性和旋锻工艺要求，提出旋锻轴材料成分要求，进行旋锻轴材料成分的选择和设计；（2）根据轿车旋锻轴材料的旋锻能力和旋锻轴制造工艺，进行轿车旋锻轴毛坯强度初步设计；（3）根据轿车旋锻轴产品的载荷特性和旋锻轴工艺特性，提出旋锻轴产品热处理强化工艺要求；（4）根据轿车旋锻轴产品静强度和毛坯强度关系，进一步提出轿车旋锻轴毛坯强度设计要求；（5）根据轿车旋锻轴产品疲劳寿命和毛坯的强度关系，再次提出旋锻轴毛坯强度设计要求；（6）结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，进行轿车旋锻轴毛坯强度的最终设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，尤其是一种旋锻工艺具有连续的纤维流线、表面成形质量好、容易成形变截面变厚度结构、效率高、材料利用率高等优势的旋锻轴毛坯强度设计方法。
背景技术
在国外的高技术和高水平高级轿车传动轴制造中广泛应用。轿车等速万向中间轴是利用无缝钢管通过无芯棒旋锻、含芯棒旋锻、渐开线花键成形等工艺形成的变截面、变厚度空心轴。旋锻轴毛坯的材料特性、尺寸等不但影响旋锻工艺参数、旋锻轴热处理强化工艺的制定，还影响旋锻轴产品静强度和疲劳强度特性。轿车旋锻轴毛坯的材料特性主要包括材料成分、组织、屈服强度、抗拉强度、硬度等。轿车旋锻轴毛坯的材料特性、尺寸等不但影响旋锻工艺参数、旋锻轴热处理强化工艺的制定，还影响旋锻轴产品静强度和疲劳强度特性。旋锻轴毛坯的材料特性主要包括材料成分、组织、硬度、屈服强度、抗拉强度等。旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度特性直接影响旋锻过程中材料变形和流动、旋锻进给工艺参数、旋锻力、旋锻功率以及旋锻效率等，旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度特性还通过热处理强化特性进一步影响旋锻轴产品的静强度和疲劳强度特性。本发明结合旋锻轴产品的使用载荷特性、旋锻工艺特性、热处理强化特性等提出了一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法。本发明方法对轿车旋锻轴毛坯材料及其特性设计、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技术参考价值。
发明内容
本发明结合轿车旋锻轴产品的使用载荷特性、旋锻工艺特性、热处理强化特性等提出了一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法。
本发明的技术方案是：一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，包括以下步骤：
(1)根据轿车旋锻轴产品的使用载荷特性和旋锻工艺要求，提出旋锻轴材料成分要求，进行旋锻轴材料成分的选择和设计；
(2)根据轿车旋锻轴材料的旋锻能力和旋锻轴制造工艺，进行轿车旋锻轴毛坯强度的初步设计；
(3)根据轿车旋锻轴产品的载荷特性和旋锻轴工艺特性，提出旋锻轴产品的热处理强化工艺要求；
(4)根据轿车旋锻轴产品的静强度和毛坯的强度关系，进一步提出轿车旋锻轴毛坯的强度设计要求；
(5)根据轿车旋锻轴产品的疲劳寿命和毛坯的强度关系，再次提出旋锻轴毛坯的强度设计要求；
(6)结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，进行轿车旋锻轴毛坯强度的最终设计。
上述步骤(1)中，根据轿车旋锻轴产品的使用载荷特性和旋锻工艺要求，提出旋锻轴材料成分要求，进行旋锻轴材料成分的选择和设计：轿车旋锻轴毛坯材料选择时既要满足旋锻轴制造工艺要求，又要满足旋锻轴产品使用过程中的静强度和疲劳强度要求，选择的旋锻轴材料为25CrMo4、34CrMo4、34CrNiMo6或36CrNiMo4中任一种低碳合金钢。
上述步骤(2)中，根据轿车旋锻轴材料的旋锻能力和旋锻轴制造工艺，进行轿车旋锻轴毛坯强度的初步设计：对于低碳合金钢，良好的旋锻能力需要控制毛坯的屈服强度不高于450MPa、抗拉强度高于700MPa、毛坯材料的屈强比不高于0.65；进一步考虑毛坯旋锻的加工硬化和空心轴段I和III处旋锻后的渐开线花键冷成形对材料强度的限制，旋锻轴毛坯材料的屈服强度初步设计不高于430MPa、抗拉强度不高于670MPa、屈强比不高于0.65。
上述步骤(3)中，根据轿车旋锻轴产品的载荷特性和旋锻轴工艺特性，提出旋锻轴产品的热处理强化工艺要求：旋锻轴工艺特性要求选择低碳合金，旋锻轴产品的载荷特性要求旋锻轴具有很高的强度；为了满足旋锻工艺和产品承受的载荷要求，旋锻轴产品需要进行热处理强化，强化工艺为渗碳淬火；渗碳深度要确保旋锻轴轴段II不渗透，渗碳深度确定为0.5-1mm；旋锻轴渗碳淬火后表面强度不低于2300MPa、心部强度不低于1700MPa。
上述步骤(4)中，根据轿车旋锻轴产品的静强度和毛坯的强度关系，进一步提出轿车旋锻轴毛坯的强度设计要求：旋锻轴产品的静强度试验表明，随着旋锻轴毛坯屈服强度的提高，旋锻轴的静强度和传递的静扭矩随之提高；旋锻轴产品传递的静扭矩要求，旋锻轴毛坯的屈服强度不低于320MPa，相应的抗拉强度不低于500MPa。
上述步骤(5)中，根据轿车旋锻轴产品的疲劳寿命和毛坯的强度关系，再次提出旋锻轴毛坯的强度设计要求：旋锻轴产品的疲劳寿命试验表明，随着旋锻轴毛坯屈服强度的提高，旋锻轴疲劳寿命随之下降；旋锻轴产品的疲劳寿命要求，旋锻轴毛坯的屈服强度要不高于390MPa，相应的抗拉强度不高于600MPa。
上述步骤(6)中，结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，进行轿车旋锻轴毛坯强度的最终设计：综合考虑旋锻轴制造工艺、热处理强化工艺和旋锻轴产品强度和寿命要求进行旋锻轴毛坯强度的最终设计；对于低碳合金钢，轿车旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度的最佳设计范围为：屈服强度320MPa—390MPa、抗拉强度500MPa—600MPa、屈强比小于0.65。
本发明的有益效果是：本发明结合轿车旋锻轴产品的使用载荷特性、旋锻工艺特性、热处理强化特性等提出了一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法。旋锻成形工艺是一种近净成形技术，该工艺具有连续的纤维流线、表面成形质量好、容易成形变截面变厚度结构、效率高、材料利用率高等优势方法具有效率高、表面成形质量好、材料利用率高等优势。特别是含芯棒旋锻时材料内外受三向压应力，尤其适用于难变形的高强度合金材料的成形，对于小尺寸和承受大扭矩的轿车等速万向传动中间轴制造具有明显的优势，轿车等速万向传动中间轴旋锻将成为中间轴制造生产的大趋势。
附图说明
图1是某轿车旋锻轴产品特征和尺寸图；
图2是轿车旋锻轴危险截面强度和强度分布图。
具体实施方式
以某轿车等速万向传动中间轴旋锻为对象，产品特征及其主要尺寸如图1所示，轿车等速万向传动中间轴的毛坯通常选择等壁厚无缝钢管，旋锻轴毛坯强度设计是通过有机的结合材料特性、旋锻工艺特性、热处理强化特性以及旋锻轴产品使用要求，进行旋锻轴材料选择、屈服强度和抗拉强度设计。
为了描述方便，根据轿车旋锻轴的产品特征和旋锻成形工艺要求，把该轿车等速万向传动中间轴其分为两大部分：第一部分为变壁厚变截面的空心轴段部分，即轴段Ⅰ和轴段Ⅲ，它们通过无芯棒多道次旋锻成形；第二部分为等壁厚的空心轴段部分，即轴段Ⅱ，它通过含芯棒单道次旋锻拉拔成形；轴段Ⅰ和轴段Ⅲ旋锻后进行渐开线花键冷成形。
(1)根据轿车旋锻轴产品的使用载荷特性和旋锻工艺要求，提出旋锻轴材料成分要求，进行旋锻轴材料成分选择和设计；
轿车旋锻轴使用过程中的载荷特性包括少量的大载荷和大量的疲劳小载荷，旋锻轴承受的大载荷主要是车辆在低速、大转角情况下，旋锻轴除了传递大扭矩外还承受弯矩。旋锻轴承受的大量小载荷主要是车辆直线行驶情况下，旋锻轴主要传递扭矩，由于此时等速万向传动轴弯角小，弯矩可以忽略。旋锻轴材料选择使得旋锻轴既有大的静强度，又需要具有较高的疲劳强度。
旋锻工艺对旋锻轴材料要求是具有一定延性的金属都可以进行旋锻。钢中的含碳量和合金元素，对其可旋锻性能有着明显的影响，C含量小于0.2％的普通碳素结构钢最适合旋锻；合金元素Mg、Ni、Cr等增加强度、降低旋锻能力；铅、硫、磷等导致钢中的不连续组织，同样降低旋锻能力；少量的Mn和Mo可提高材料的旋锻能力；冷旋转锻造中，显微组织呈细小、均匀状态，则旋锻能力强。
轿车旋锻轴毛坯材料选择时既要满足旋锻工艺要求，又要满足旋锻轴产品使用过程中的静强度和疲劳强度要求。选择的旋锻轴材料为低碳合金钢，可以从25CrMo4、34CrMo4、34CrNiMo6或36CrNiMo4或其它性能类似的低碳合金钢选择。本实例中选择含碳量低、旋锻能力好、淬透性较好的25CrMo4材料。
(2)根据轿车旋锻轴材料的旋锻能力和旋锻轴制造工艺，进行轿车旋锻轴毛坯强度的初步设计；
本例中轿车旋锻轴，材料的旋锻能力可以用硬度、屈服强度、屈强比、塑性、截面收缩率等表示。试验表明，对于碳钢和合金钢材料，适于旋锻的硬度和度范围随着含碳量的增加而增加；对于25CrMo4低碳合金钢材料，为了提高旋锻能力，毛坯材料的屈强比不高于0.65；毛坯材料的屈服强度不高于450MPa(相当于硬度HB200)，抗拉强度不高于700MPa。
本例中轿车旋锻轴，轴段Ⅰ和轴段Ⅲ要应用无芯棒旋锻，旋锻后还需要继续渐开线花键成形，因此，毛坯材料的强度会进一步进行限制。空心轴段I和III渐开线花键冷成形的材料屈服强度不高于500MPa(相当于硬度220HB)，抗拉强度不高于700MPa。根据旋锻轴变形和25CrMo4材料的加工硬化特性，初步设计旋锻轴材料的屈服强度不高于430MPa(相当于硬度HB190)、抗拉强度不高于670MPa、屈强比不高于0.65。
(3)根据轿车旋锻轴产品的载荷特性和旋锻轴工艺特性，提出旋锻轴产品的热处理强化工艺要求；
含本例旋锻轴的等速万向传动轴总成在固定端40°、滑移端10°弯角下传递的最大静扭矩不低于3700Nm。由此，可以计算出本实例轿车旋锻轴在弯扭组合下，旋锻轴危险截面为轴段I和III的最小外径区域都是危险截面区域。按照第三强度理论，危险截面为轴段III最小外径处的最大静载荷高达2276MPa。
本实例旋锻轴毛坯材料的抗拉强度小于670MPa，远不能满足产品要求，因此，需要通过热处理强化工艺提高旋锻轴强度。25CrMo4旋锻轴材料淬火后强度分布曲线和旋锻轴的危险截面的应力沿深度分布如图2所示。从图2中可以看出，25CrMo4旋锻轴仅通过淬火，危险截面的表面和深度为1.5mm左右次表面的强度小于应力，不满足强度要求。需要选择表面渗碳淬火强化工艺，提高表面和次表面强度，渗碳淬火后旋锻轴强度分布曲线同时表示在如图2中，根据旋锻轴产品静强度的要求，旋锻轴渗碳淬火后表面强度不低于2300MPa(表面硬度不低于630HV)、芯部强度不低于1700MPa(芯部硬度不低于480HV)。为了防止旋锻轴段II渗碳时渗透，旋锻轴渗碳深度确定为0.5-1mm。
(4)根据轿车旋锻轴产品的静强度和毛坯的强度关系，进一步提出轿车旋锻轴毛坯的强度设计要求；
根据本实例所选择的毛坯材料和强度要求，设计不同的屈服强度和抗拉强度的旋锻轴毛坯，进行旋锻轴试制、热处理强化和静强度试验，获得毛坯材料屈服强度与旋锻轴产品静强度的关系，根据旋锻轴产品静强度的要求进一步提出旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度的设计要求。
由不同屈服强度和抗拉强度的旋锻轴毛坯制造的旋锻轴的静断裂扭矩如表1所示。
表1 旋锻轴毛坯强度与静断裂扭矩
*注：静强度试验条件：固定端摆角40°、移动端摆角10°、静强度要求扭矩不小于3700Nm。
从表1中可以得到，本实例中，随着旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度的提高，旋锻轴传递的静扭矩随之提高，旋锻轴毛坯的屈服强度要不低于320MPa，相应的抗拉强度不低于500MPa。
(5)根据轿车旋锻轴产品的疲劳寿命和毛坯的强度关系，再次提出旋锻轴毛坯的强度设计要求；
在本实例中，选择不同强度的毛坯进行试制和疲劳强度试验，获得毛坯材料屈服强度与旋锻轴产品疲劳寿命的关系，根据旋锻轴产品疲劳寿命的要求进一步提出旋锻轴毛坯强度的设计要求。由不同屈服强度和抗拉强度的旋锻轴毛坯制造的旋锻轴疲劳寿命如表2所示。
表2 旋锻轴毛坯强度与旋锻轴疲劳寿命
*注：疲劳试验要求：摆角7°、试验扭矩±1245Nm、频率3Hz时，疲劳寿命大于3×105次
从表2中可以得到，随着旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度的提高，旋锻轴的疲劳寿命下降。因此，从旋锻轴产品的疲劳寿命要求考虑，旋锻轴毛坯的屈服强度要不高于390MPa，相应的抗拉强度不高于600MPa。
(6)结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，进行轿车旋锻轴毛坯强度的最终设计。
对于本例25CrMo4旋锻轴毛坯，结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，轿车旋锻轴毛坯强度设计时既要满足制造工艺要求、热处理强化工艺要求，又要满足产品的静强度和疲劳强度要求。本实例的轿车旋锻轴毛坯的屈服强度和抗拉强度的最佳设计范围为：屈服强度320MPa—390MPa、抗拉强度500MPa—600MPa、屈强比小于0.65。
Claims (7)
1.一种轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）根据轿车旋锻轴产品的使用载荷特性和旋锻工艺要求，提出旋锻轴材料成分要求，进行旋锻轴材料成分的选择和设计；
（2）根据轿车旋锻轴材料的旋锻能力和旋锻轴制造工艺，进行轿车旋锻轴毛坯强度的初步设计；
（3）根据轿车旋锻轴产品的载荷特性和旋锻轴工艺特性，提出旋锻轴产品的热处理强化工艺要求；
（4）根据轿车旋锻轴产品的静强度和毛坯的强度关系，进一步提出轿车旋锻轴毛坯的强度设计要求；
（5）根据轿车旋锻轴产品的疲劳寿命和毛坯的强度关系，再次提出旋锻轴毛坯的强度设计要求；
（6）结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，进行轿车旋锻轴毛坯强度的最终设计。
2.根据权利要求1所述的轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于：上述步骤（1）中，根据轿车旋锻轴产品的使用载荷特性和旋锻工艺要求，提出旋锻轴材料成分要求，进行旋锻轴材料成分的选择和设计：轿车旋锻轴毛坯材料选择时既要满足旋锻轴制造工艺要求，又要满足旋锻轴产品使用过程中的静强度和疲劳强度要求，选择的旋锻轴材料为25CrMo4、34CrMo4、34CrNiMo6或36CrNiMo4中任一种低碳合金钢。
3.根据权利要求1所述的轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于：上述步骤（2）中，根据轿车旋锻轴材料的旋锻能力和旋锻轴制造工艺，进行轿车旋锻轴毛坯强度的初步设计：对于低碳合金钢，良好的旋锻能力需要控制毛坯的屈服强度不高于450MPa、抗拉强度高于700MPa、毛坯材料的屈强比不高于0.65；进一步考虑毛坯旋锻的加工硬化和空心轴段一（I）和段三（III）处旋锻后的渐开线花键冷成形对材料强度的限制，旋锻轴毛坯材料的屈服强度初步设计不高于430MPa、抗拉强度不高于670MPa、屈强比不高于0.65。
4.根据权利要求1所述的轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于：上述步骤（3）中，根据轿车旋锻轴产品的载荷特性和旋锻轴工艺特性，提出旋锻轴产品的热处理强化工艺要求：旋锻轴工艺特性要求选择低碳合金，旋锻轴产品的载荷特性要求旋锻轴具有很高的强度；为了满足旋锻工艺和产品承受的载荷要求，旋锻轴产品需要进行热处理强化，强化工艺为渗碳淬火；渗碳深度要确保旋锻轴轴段二（II）不渗透，渗碳深度确定为0.5-1mm；旋锻轴渗碳淬火后表面强度不低于2300MPa、心部强度不低于1700MPa。
5.根据权利要求1所述的轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于：上述步骤（4）中，根据轿车旋锻轴产品的静强度和毛坯的强度关系，进一步提出轿车旋锻轴毛坯的强度设计要求：旋锻轴产品的静强度试验表明，随着旋锻轴毛坯屈服强度的提高，旋锻轴的静强度和传递的静扭矩随之提高；旋锻轴产品传递的静扭矩要求，旋锻轴毛坯的屈服强度不低于320MPa，相应的抗拉强度不低于500MPa。
6.根据权利要求1所述的轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于：上述步骤（5）中，根据轿车旋锻轴产品的疲劳寿命和毛坯的强度关系，再次提出旋锻轴毛坯的强度设计要求：旋锻轴产品的疲劳寿命试验表明，随着旋锻轴毛坯屈服强度的提高，旋锻轴疲劳寿命随之下降；旋锻轴产品的疲劳寿命要求，旋锻轴毛坯的屈服强度要不高于390MPa，相应的抗拉强度不高于600MPa。
7.根据权利要求1所述的轿车变截面变壁厚旋锻轴毛坯强度设计方法，其特征在于：上述步骤（6）中，结合旋锻工艺、热处理强化工艺以及产品的静强度和疲劳强度要求，进行轿车旋锻轴毛坯强度的最终设计：综合考虑旋锻轴制造工艺、热处理强化工艺和旋锻轴产品强度和寿命要求进行旋锻轴毛坯强度的最终设计；对于低碳合金钢，轿车旋锻轴毛坯屈服强度和抗拉强度的最佳设计范围为：屈服强度320MPa—390MPa、抗拉强度500MPa—600MPa、屈强比小于0.65。
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