CN106734839B - 一种预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明所涉及的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，包括以下步骤：确定变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤；确定影响变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数；对进给工艺参数进行进给工艺参数灵敏度分析，得到工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系；按照工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系，分别确定无芯棒旋锻径向进给值、周向进给最小角度以及含芯棒轴向进给值。本发明结合轿车旋锻轴特性给出的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法对合理制定旋锻工艺参数、提高旋锻轴产品质量及预防旋锻过程中出现缺陷具有重要的技术参考价值。
Description
技术领域
本发明属于机械工程领域，具体涉及一种预防中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法。
背景技术
等速万向传动轴是汽车等速万向传动总成中一个重要组成部件。一端与变速器内的差速器半轴齿轮相连，另一端与驱动轮的轮毂连接，在轿车行驶过程中起着传递运动及转矩的作用。
国外的高技术和高水平高级轿车传动中间轴制造中广泛应用旋锻工艺。采用旋锻工艺能够加工出整体式轿车空心轴，具有轻量化程度高、扭转刚度高和疲劳寿命高等特点。
轿车等速万向变截面变壁厚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。
由于轿车空心轴相对于实心轴而言，有利于轴类零件的轻量化，提高轴类零件的抗扭刚度，而高性能的轿车空心轴总成除了要求高速稳定地传递转矩外，还有减轻总成重量、减少振动与噪音传递、提高乘客舒适性的要求。相关技术人员已经将实心轴设计为空心轴，传统技术的轿车空心轴普遍采用两端实心管件中间空心管件通过焊接技术成为焊接轴，焊接轴的静强度虽然很高，但高周疲劳性能却较差，而且焊接轴仍然具有轻量化的潜能。
旋转锻造简称旋锻，也可以叫做径向锻造，是一种用于棒料、管材或线材精密加工的回转成形工艺，属于渐进成形和近净成形的范畴。
旋转锻造是一种由2～4块锻模环绕坯料轴线高速旋转的同时，对坯料进行高频锻打，从而使坯料轴截面尺寸减小或形状改变的渐进成形方法。旋锻加工具有加工范围广、加工精度高、产品性能好和生产灵活性大等特点，已广泛应用于航天、军工、工业和汽车领域的实心台阶轴、空心轴等零件的生产。旋锻工艺能够加工出整体式轿车空心轴，具有轻量化程度高、扭转刚度高和疲劳寿命高等特点，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，因此轿车等速万向传动中间轴旋锻工艺会成为中间轴制造生产的发展趋势。
旋锻过程中，无论是含芯棒旋锻还是无芯棒旋锻，毛坯除了旋锻径向进给外，还有径向周向进给和轴向进给。旋锻过程中的缺陷主要包括：周向进给不合理，会导致圆度缺陷；含芯棒旋锻中，轴向进给过大，轴向拉应力随之增大，会导致裂纹缺陷；无芯棒旋锻径向进给过大，内壁金属自由流动，内壁会出现褶皱、裂纹等缺陷。
无论是无芯棒旋锻还是含芯棒旋锻，旋锻过程中合理的工艺参数是保证旋锻产品质量及预防缺陷的关键。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法。
本发明提供了一种预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，具有这样的特征，包括以下步骤：
步骤1，确定变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤；
步骤2，确定影响变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数；
步骤3，对步骤2中的进给工艺参数进行进给工艺参数灵敏度分析，得到工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系；
步骤4，按照步骤3中工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系，优先确定无芯棒旋锻径向进给值；
步骤5，确定周向进给最小角度；
步骤6，确定含芯棒旋锻轴向进给值。
在本发明提供的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中进给工艺参数包括含芯棒段的轴向进给、周向进给、径向进给和无芯棒的周向进给、径向进给；含芯棒和无芯棒旋锻的周向进行确定方法相同，统称为周向进给。
另外，在本发明提供的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系是无芯棒旋锻径向进给≥周向进给≥含芯棒旋锻轴向进给。
另外，在本发明提供的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，无芯棒径向进给值通过应力约束和几何约束确定。
另外，在本发明提供的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤5中，周向进给最小角度的确定需同时满足以下条件：
条件一，锤头模具锻打不重合，
条件二，每次锻打必须要有一定的重合度，
条件三，最小周向进给旋转角度的重合度为零，
条件四，锻打频率、坯料周向转速的数学关系如式(1)所示，
条件五，满足下式(2)的关系式，
式中：θ—模具锻打每一次时间间隔内坯料所转过的角度(°)数值，即周向进给；
f—模具锻打频率值(次/分钟)；n—坯料周向转速值(r/min)；
r—锤头数；k—整数。
另外，在本发明提供的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤6中，含芯棒旋锻轴向进给值小于中间轴的下沉段和锻造段长度之和。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，包括以下步骤：确定变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤；确定影响变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数；对进给工艺参数进行进给工艺参数灵敏度分析，得到工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系；按照工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系，分别确定无芯棒旋锻径向进给值、周向进给最小角度以及含芯棒轴向进给值。
本发明结合轿车旋锻轴特性给出的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法对合理制定旋锻工艺参数、提高旋锻轴产品质量及预防旋锻过程中出现缺陷具有重要的技术参考价值。
附图说明
图1是本发明的实施例中旋锻前空心轴中间段的示意图；
图2是本发明的实施例中变壁厚变截面的空心轴段示意图；
图3是本发明的实施例中轴段Ⅰ和Ⅲ的无芯棒旋锻示意图；
图4是本发明的实施例中轴段Ⅱ的含芯棒旋锻示意图；
图5是本发明的实施例中径向进给量与非圆度关系线示意图；
图6是本发明的实施例中含芯棒旋锻模型示意图；以及
图7是本发明的实施例中不同径向进给量对应的应力应变曲线示意图。
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预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法作具体阐述。
实施例
本实施例以某轿车等速万向传动变截面变壁厚中间轴旋锻为对象，材料为25CrMo4、抗拉强度小于630MPa(目标值600MPa)、屈服强度小于400MPa(目标值360MPa)。毛坯和产品结构与主要尺寸如图1、图2所示，它由等截面等壁厚的无缝钢管经过旋锻制造而成。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分为三大部分，即轴段Ⅰ、轴段Ⅱ和轴段Ⅲ。
步骤1，确定变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤。
本实施例中，根据轿车变截面变壁厚旋锻轴的产品特征和旋锻成形工艺要求，确定轿车等速万向传动变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤。
如图2所示，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，如图3所示，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，如图4所示，它通过含芯棒单道次旋锻拉拔成形。
变截面变壁厚旋锻轴成形步骤为首先进行变截面变壁厚轴段Ⅰ或Ⅲ，再进行等壁厚轴端Ⅱ的拉拔旋锻，最后进行变截面变壁厚轴段Ⅲ或Ⅰ的成形；变截面变壁厚旋锻轴成形过程中工艺参数的确定要保证后续的旋锻成形不能对前期旋锻质量造成影响。
步骤2，确定影响变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数。
确定影响轿车等速万向传动变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数，旋锻过程中的工艺参数包括含芯棒段的轴向进给、周向进给和径向进给，无芯棒的周向进给和径向进给等。
含芯棒旋锻过程中坯料内外表面受压、周向受拉，一般采用单道次旋锻拉拔成形。旋锻过程中轴向进给不超过旋锻过程中下沉段和锻造段之和；周向进给受旋锻产品的外表面几何质量限制；由于本例中含芯棒是单道次旋锻，因此径向进给为毛坯与产品壁厚之差。
无芯棒旋锻是一个缩径增壁厚的过程，旋锻中坯料外表面受压、内表面受拉而且自然流动成形，无芯棒旋锻过程中的径向进给受到工件的强度限制；无芯棒旋锻过程中的周向进给受到内外表面的几何质量限制。
无芯棒旋锻内壁受拉应力作用，若拉应力过大，则可能导致内壁裂纹的产生，裂纹的产生会导致旋锻轴缺陷。因此，无芯棒径向进给要受到材料的力学性能约束，即应力约束。根据无芯棒段的应变和材料的应力应变曲线可以确定单次径向进给最大值，例如：无芯棒旋锻时，随着径向进给的增大，变形增大，其对应的应变、应力也随之增大。当径向压入量达到2mm时其应力达到710MPa，而本例材料在断裂点的真实应力约为710MPa，考虑到材料断裂应力值的离散，实际单次径向进给量不大于1.0mm，否则无芯棒旋锻内壁会出现裂纹。
此外，不考虑轴向流动，无芯棒旋锻径向进给使得壁厚增加、内径减小，可以通过理论计算得到不同径向进给量下的内壁金属流动情况，不同径向压入量下对应的非圆度值δ，无芯棒旋锻径向进给满足旋锻圆度的要求称为几何约束。图5所示为径向进给在0.2～1.0mm范围内，径向进给量与非圆度关系曲线。
综合无芯棒旋锻过程在的应力约束和几何约束，确定无芯棒旋锻满足几何约束的条件是最大径向进给量不大于0.5mm。
为了保证最终的旋锻质量，无芯棒旋锻径向进给在不同旋锻道次径向进给量还需要不断递减，本实施例中无芯棒旋锻径向进给如表1所示。
表1.不同尺寸径向进给量
周向进给可以理解为模具每一次径向锻打后，坯料所转过的角度。为了保证旋锻质量，每次的周向进给的条件是：每次锻打必须要有一定的重合度，重合度为零的最小旋转角度称为周向最小进给角度，而坯料的转速和锻打频率是相互关联的，两者数学关系如式(1)所示：
式中：θ—模具锻打每一次时间间隔内坯料所转过的角度(°)数值；f—模具锻打频率值(次/分钟)；n—坯料转速值(r/min)。
另外，每转锤头打击次数不被锤头数除尽，可以避免各锤头打击部位重合从而提高产品表面质量，周向进给还应满足式(2)：
式中θ—模具锻打每一次时间间隔内坯料所转过的角度(°)数值，即周向进给；r—锤头数；k—整数。
本例旋锻机锻打频率选择1200次/分钟，周向进给角度取为27°，坯料周向运动速度为90r/min，代入式(2)，满足各锤头打击部位不重合条件。
对于含芯棒旋锻轴向进给，要保证轴向进给小于下沉段和锻造段长度之和，含芯棒旋锻如图6所示，其中，Ⅰ为下沉段，Ⅱ为锻造段，Ⅲ为精准段；R0-坯料外径；R1-下沉段末外径；R2-产品外径；Rm-芯棒外径；α-模具入口角；t0-坯料壁厚；t1-产品壁厚；L1-下沉段长度；L2-下沉段与锻造段总长；L3—模具总长。由产品、坯料及模具尺寸，可确定轴向进给值≤L2＝3.5mm+11mm＝14.5mm。
步骤3，对步骤2中的进给工艺参数进行进给工艺参数灵敏度分析，得到工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系。
轿车等速万向传动变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数灵敏度分析，在满足旋锻质量的条件下，轿车等速万向传动中间轴旋锻过程中，随着旋锻进给工艺进给参数的增加，旋锻生产效率和旋锻设备等将随之提升；随着旋锻进给工艺进给参数的减小，旋锻生产效率和旋锻设备等将随之降低。轿车等速万向传动中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数灵敏度分析是将旋锻工艺进给参数与旋锻效率、旋锻质量、旋锻设备等组合起来进行组合分析，按照造成旋锻缺陷的重要
轿车等速万向传动中间轴旋锻工艺，由含芯棒旋锻和无芯棒旋锻组成，其中无芯棒旋锻区别于含芯棒旋锻在于无芯棒内壁没有芯棒支撑，金属自由流动；含芯棒旋锻内壁压应力作用，而无芯棒旋锻内壁受拉应力作用。因此无芯棒旋锻相对含芯棒旋锻会出现内表面圆度差、内表面裂纹等旋锻质量问题。
影响无芯棒旋锻内表面圆度、内表面裂纹的进给工艺参数为径向进给，对于无芯棒旋锻径向进给，由应力约束，确定无芯棒旋锻的最大径向进给量；由几何约束，确定无芯棒旋锻的径向进给最大值；综合应力约束和几何约束，确定无芯棒旋锻径向进给最大值；根据力学特性和几何特性，确定无芯棒旋锻径向进给方式。
由旋锻工艺特点，模具锻打一次后，坯料需要转过一定角度，如果转动角度不合理会导致外表面圆度差等旋锻质量问题，影响外表面圆度的进给工艺参数为周向进给。因此无论是含芯棒旋锻还是无芯棒旋锻，对于周向进给，根据旋锻模具数量，确定周向进给周期；根据毛坯管径和模具尺寸，确定周向进给最小角度，综合确定周向进给范围。
对于含芯棒轴向进给，模具每锻打一次后，坯料轴向会有一定进给，如果轴向进给过大会导致外表面圆度缺陷，要做到预防旋锻缺陷，保证轴向进给小于下沉段和锻造段长度之和。
由于含芯棒径向进给内壁有芯棒支撑，内壁受压应力作用，径向进给采用单道次进给，不会导致旋锻缺陷。
综合进给工艺参数对造成旋锻缺陷的重要程度、预防旋锻缺陷的复杂度，旋锻缺陷的工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系为无芯棒旋锻径向进给≥周向进给≥含芯棒旋锻轴向进给。
步骤4，按照步骤3中工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系，优先确定无芯棒旋锻径向进给值。
旋锻缺陷的工艺参数灵敏度按照重要程度排序分别为无芯棒旋锻径向进给≥周向进给≥含芯棒旋锻轴向进给。按照其灵敏度来依次给出轿车等速万向传动中间轴旋锻缺陷预防方法如下：
(1)无芯棒旋锻径向进给中的缺陷预防方法
无芯棒旋锻径向进给除了要求满足的几何约束外，还需要满足以下的应力约束，应力约束计算方法如下：
a)利用主应力法，可以得到无芯棒旋锻过程中旋锻应变方程如式(3)所示
式中：εt—壁厚方向上的应变；εz—轴向应变；εθ—周向应变；t0，t—分别对应旋锻前后坯料的壁厚；rm0＝r0-t0/2—坯料的初始等效半径；rm＝r-t/2—旋锻后的等效半径；r0，r—分别对应旋锻前后旋锻轴的半径。
b)利用材料试样，通过拉伸试验得到的材料硬化方程，对于本例材料的硬化方程如式(4)
σ＝342+1564ε0.755 (4)
式中：σ—不同变形量下的应力值；ε—不同径向进给下的应变；
c)结合式(3)和式(4)可以根据不同径向进给计算该径向进给下的应变和应力，无芯棒旋锻内壁受拉，如果最大应力接近材料抗拉强度的话，内壁容易出现裂纹等缺陷，无芯棒旋锻过程中小于材料的抗拉强度称为应力约束。
对于本实施例，无芯棒旋锻不同径向进给量下对应的等效应变和应力如图7所示，曲线1为径向进给量与应力关系线，曲线2为径向进给量与应变关系线。
如图7所示，随着径向进给量的增大，应变和应力随之增大。径向进给量达到1.2mm时其应力高达到602MPa，十分接近材料抗拉强度，因此，从应力约束来看，并考虑一定的安全系数，旋锻单次径向进给量不能大于1.0mm，否则无芯棒旋锻内壁会出现裂纹。
为了提高无芯棒旋锻质量，旋锻过程中除了考虑应力约束和几何约束外，无芯棒旋锻径向进给方式一般选择多道次、渐进递减进给方式。
步骤5，确定旋锻确定周向进给最小角度。
(2)旋锻过程中周向进给陷预防方法
a)根据等速万向传动中间轴尺寸和结构特性，确定旋锻制造锤头模具的基本参数，毛坯和模具初始接触角；b)根据等速万向传动中间轴毛坯和模具尺寸，确定旋锻轴周向进给最小角度和周向进给角度范围；c)根据旋锻轴毛坯尺寸和旋锻产品特征，计算旋锻周向进给条件和周向进给过程中锤头模具锻打不重合条件，选择锻打频率、周向进给速度以及确定周向进给最小角度。
步骤6，确定含芯棒旋锻轴向进给值。
(3)无芯棒旋锻轴向进给缺陷预防方法
对于含芯棒旋锻轴向进给，根据等速万向传动中间轴毛坯、产品和模具尺寸，保证轴向进给值小于下沉段和锻造段长度之和。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，包括以下步骤：确定变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤；确定影响变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数；对进给工艺参数进行进给工艺参数灵敏度分析，得到工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系；按照工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系，分别确定无芯棒旋锻径向进给值、周向进给最小角度以及轴向进给值。
本实施例结合轿车旋锻轴特性给出的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法对合理制定旋锻工艺参数、提高旋锻轴产品质量及预防旋锻过程中出现缺陷具有重要的技术参考价值。
另外，进给工艺参数包括含芯棒段的轴向进给、周向进给、径向进给和无芯棒的周向进给、径向进给，揭示了上述工艺参数在中间轴旋锻中的重要性。
进一步地，在本发明提供的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法中，因为确定了工艺参数灵敏度的重要程度的大小关系是无芯棒旋锻径向进给≥周向进给≥含芯棒旋锻轴向进给，所以可以按先后顺序进行重点控制，从而增加了工作的效率。
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 (6)
1.一种预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，用于确定所述变截面变壁厚中间轴在旋锻过程中的合理的工艺参数，避免所述中间轴在旋锻中出现内壁褶皱和裂纹的缺陷，包括以下步骤：
步骤1，确定所述变截面变壁厚中间轴的旋锻成形方式和步骤；
步骤2，确定影响所述变截面变壁厚中间轴旋锻缺陷的进给工艺参数；
步骤3，对步骤2中的所述进给工艺参数进行所述进给工艺参数灵敏度分析，得到所述工艺参数灵敏度的重要程度排序结果；
步骤4，按照步骤3中所述工艺参数灵敏度排序顺序，确定无芯棒旋锻径向进给值；
步骤5，确定周向进给最小角度；
步骤6，确定含芯棒旋锻轴向进给值。
2.根据权利要求1所述的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，其特征在于：
其中，步骤2中所述进给工艺参数包括：旋锻过程中的工艺参数包括含芯棒段的轴向进给、周向进给和径向进给，无芯棒的周向进给和径向进给。
3.根据权利要求1所述的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，其特征在于：
其中，步骤3中所述工艺参数灵敏度的重要程度排序结果是无芯棒旋锻径向进给≥周向进给≥含芯棒旋锻轴向进给。
4.根据权利要求1所述的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，其特征在于：
其中，步骤4中，所述无芯棒旋锻径向进给值通过应力约束和几何约束确定。
5.根据权利要求1所述的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，其特征在于：
其中，步骤5中，周向进给最小角度的确定需同时满足以下条件：
条件一，锤头模具锻打不重合，
条件二，每次锻打必须要有一定的重合度，
条件三，最小周向进给旋转角度的重合度为零，
条件四，锻打频率、坯料周向转速的数学关系如式(1)所示，
条件五，满足下式(2)的关系式，
式中：θ—模具锻打每一次时间间隔内坯料所转过的角度(°)数值；
f—模具锻打频率值(次/分钟)；n—坯料周向转速值(r/min)；
r—锤头数；k—整数。
6.根据权利要求1所述的预防变截面变壁厚中间轴旋锻过程中出现缺陷的方法，其特征在于：
其中，步骤6中，所述含芯棒旋锻轴向进给值小于所述中间轴的下沉段和锻造段长度之和。
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