CN109158518B - 等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法 - Google Patents

等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，确定坯料的类型、尺寸和模具的结构；步骤2，确定含芯棒旋锻的轴向进给方式；步骤3，根据模具的几何尺寸来确定受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量；步骤4，通过有限元模拟来分析最大锻打力和最大等效应力与轴向进给量的关系来确定受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量；步骤5，在满足受几何约束下的含芯棒旋锻的轴向极限进给量和受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量下确定最佳轴向进给量；步骤6，根据旋锻频率、最佳轴向进给量以及进行轴向进给的时间来确定含芯棒旋锻的轴向进给速度。

Description

等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法
技术领域
本发明属于汽车零件制造领域，具体涉及一种等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法。
背景技术
等速万向传动中间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，一端与驱动轮的轮毂连接，作为一个传动部件，在行驶过程中起着传递运动及转矩的作用。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，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。轿车等速万向中间轴含芯棒旋锻工艺是旋锻轴成形和拉拔的塑性过程，旋锻轴含芯棒旋锻的轴向进给工艺参数主要包括轴向进给方式、几何约束下轴向极限进给量、应力约束下轴向极限进给量、最佳轴向进给量以及轴向进给速度。
含芯棒旋锻加工空心轴的物理过程相当复杂，若轴向进给工艺参数确定设计不合理，常会引起空心轴轴向材料组织不连续、裂纹、芯棒断裂等缺陷，甚至造成旋锻轴产品轴向损伤，影响产品的疲劳强度和疲劳寿命。因此，需要结合轿车旋锻轴产品和含芯棒旋锻工艺特征来设计一种能够解决上述问题的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法。
本发明提供了一种轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
步骤1，确定用于进行含芯棒旋锻来得到含芯棒旋锻轴的坯料的类型、尺寸和模具的结构；
步骤2，根据由有限元模拟分析得到的锻打力与轴向力的关系以及材料向前流动系数与轴向力之间的关系来确定轴向进给方式，选取使得材料向前流动系数高的轴向进给方式；
步骤3，根据模具的几何尺寸来确定受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量；
步骤4，轴向极限进给量不仅受模具的几何尺寸的约束，还受应力的约束，坯料在旋锻过程中，随着轴向进给量的不同，最大锻打力和坯料的最大等效应力发生变化，通过有限元模拟来分析最大锻打力和最大等效应力与轴向进给量的关系来确定受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量；
步骤5，在满足受几何约束下的含芯棒旋锻的轴向极限进给量和受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量下，结合在不同的轴向进给量下含芯棒旋锻轴的截面收缩率与材料向前流动系数之间的变化关系，在计算得到的截面收缩率下使得材料向前流动系数最大的轴向进给量即为含芯棒旋锻的最佳轴向进给量；
步骤6，根据旋锻频率、最佳轴向进给量以及进行轴向进给的时间来确定含芯棒旋锻的轴向进给速度，其中，模具包括进行缩径的下沉段、进行锻打的锻造段以及进行修圆的精整段，下沉段、锻造段以及精整段为未成形端，受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量为锻造段的水平长度，坯料与用于配合坯料来进行含芯棒旋锻的芯棒从模具的入口端进入，经过下沉段、锻造段以及精整段后，从产品端中得到完成含芯棒旋锻的含芯棒旋锻轴。
在本发明提供的轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，轴向进给方式为拉锻或推锻，轴向力为轴向推力或轴向拉力，拉锻产生的轴向力为轴向拉力，推锻产生的轴向力为轴向推力。
在本发明提供的轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，坯料在旋锻过程中同时向产品端与未成形端流动，材料向前流动系数为坯料向产品端的流动体积与坯料向产品端和未成形端的总流动体积之比，材料向前流动系数越大，旋锻效率越高。
在本发明提供的轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，坯料进行旋锻时，应变不超过最大应变的5％，当该应变为最大应变的5％时对应的等效应力为最大等效应力中的最大值，该最大值对应的轴向进给量为受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量。
在本发明提供的轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，含芯棒旋锻轴的截面收缩率通过将坯料的外径减去含芯棒旋锻轴的外径再除以含芯棒旋锻轴的外径来计算得到。
在本发明提供的轿车等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，含芯棒旋锻轴向进给在模具进行锻打的一个周期中完成，该周期包括模具径向进给与模具回位，模具径向进给为旋锻过程，模具回位为坯料完成轴向进给与周向进给的过程，进给速度通过将最佳轴向进给量除以轴向进给的时间来计算得到。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，通过对轴向进给方式、几何约束下轴向极限进给量、应力约束下轴向极限进给量、最佳轴向进给量以及轴向进给速度等工艺参数进行确定，有效的提高了含芯棒旋锻的效率，保证了产品的质量，增加了产品的疲劳强度以及疲劳寿命。
附图说明
图1是本发明的实施例中含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法的流程图；
图2是本发明的实施例中某轿车旋锻轴产品的尺寸图；
图3是本发明的实施例中锻打力与轴向力的关系图；
图4是本发明的实施例中材料向前流动系数与轴向力的关系图；
图5是本发明的实施例中含芯棒旋锻过程示意图；
图6是本发明的实施例中最大锻打力和最大等效应力与轴向进给量的关系；
图7是本发明的实施例中材料向前流动系数与截面收缩率的关系图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
图1是本发明的实施例中含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法的流程图。
如图1所示，本实施例中含芯棒旋锻轴向进给工艺参数确定方法100包括以下步骤：
步骤1，确定用于进行含芯棒旋锻来得到含芯棒旋锻轴的坯料的类型、尺寸和模具的结构。
步骤2，根据由有限元模拟分析得到的锻打力与轴向力的关系以及材料向前流动系数与轴向力之间的关系来确定轴向进给方式，选取使得材料向前流动系数高的轴向进给方式。
步骤3，根据模具的几何尺寸来确定受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量。
步骤4，轴向极限进给量不仅受模具的几何尺寸的约束，还受应力的约束，坯料在旋锻过程中，随着轴向进给量的不同，最大锻打力和坯料的最大等效应力发生变化，通过有限元模拟来分析最大锻打力和最大等效应力与轴向进给量的关系来确定受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量。
步骤5，在满足受几何约束下的含芯棒旋锻的轴向极限进给量和受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量下，结合在不同的轴向进给量下含芯棒旋锻轴的截面收缩率与材料向前流动系数之间的变化关系，在计算得到的截面收缩率下使得材料向前流动系数最大的轴向进给量即为含芯棒旋锻的最佳轴向进给量。
步骤6，根据旋锻频率、最佳轴向进给量以及进行轴向进给的时间来确定含芯棒旋锻的轴向进给速度。
图2是本发明的实施例中某轿车旋锻轴产品的尺寸图。
如图2所示，以某轿车等速万向中间传动轴为对象，坯料是材质为25CrMo4的无缝钢管，该无缝钢管的外径为37mm，内径为27mm，壁厚为5mm，进行含芯棒旋锻的是图2中的轴段Ⅱ，得到的含芯棒旋锻轴为等截面等厚壁空心轴，该含芯棒旋锻轴外径为32mm，内径为26mm，壁厚为3mm，长度为166mm，属于薄壁件旋锻。
图3是本发明的实施例中锻打力与轴向力的关系图，图4是本发明的实施例中材料向前流动系数与轴向力的关系图。
含芯棒旋锻的轴向进给方式为拉锻或推锻，轴向力为轴向推力或轴向拉力，拉锻产生的轴向力为轴向拉力，推锻产生的轴向力为轴向推力，无论是拉锻还是推锻都要保证锻造时轴向力的平衡，否则会使坯料产生不规则振动，甚至脱离锻造盒，导致锻造失败。无论是对于轴向拉力还是轴向推力，都要考虑其对模具锻打力的影响，随着模具锻打力增大，成形设备负荷增大，坯料硬化效应随之增加。在保证含芯棒旋锻的前提下，含芯棒旋锻轴向进给方式主要考虑旋锻时材料向前流动系数的影响，坯料在旋锻过程中同时向产品端与未成形端流动，材料向前流动系数为坯料向产品端的流动体积与坯料向产品端和未成形端的总流动体积之比，材料向前流动系数越大，旋锻效率越高。
由图3可知，随着轴向拉力的增大，模具锻打力减小，当轴向推力增大，模具锻打力反而增大，导致成形设备和模具的工作负荷异常繁重，这样使得坯料在预成形过程中积累了一定的硬化效应。
由图4可知，轴向拉力和推力都有利于材料向前流动，但在相同轴向力作用下，拉锻比推锻材料流动系数高，因此拉锻在锻造效率方面优于推锻。
综合图3和图4，对于本实施例，含芯棒旋锻的轴向进给方式选用拉锻。
图5是本发明的实施例中含芯棒旋锻过程示意图。
如图5所示，模具包括进行缩径的下沉段、进行锻打的锻造段以及进行修圆的精整段，Ⅰ为下沉段，Ⅱ为锻造段，Ⅲ为精整段，L1为下沉段长度，L2为下沉段与锻造段总长，L3为模具总长。
下沉段、锻造段以及精整段为未成形端。
坯料与用于配合坯料来进行含芯棒旋锻的芯棒从模具的入口端进入，经过下沉段、锻造段以及精整段后，从产品端中得到完成含芯棒旋锻的含芯棒旋锻轴。
受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量为锻造段的水平长度，若轴向极限进给量大于锻造段对应的水平距离，则未成形的坯料将在精整段锻造，这将使坯料在精整段堆积，从而严重影响产品的质量。
本实施例中模具入口角α＝10°，下沉段长度L1＝3.5mm，下沉段与锻造段总长度L2＝14.5mm，由模具的几何尺寸可确定几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量为L2-L1＝14.5-3.5＝11mm。因此，本实施例的受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量为11mm。
图6是本发明的实施例中最大锻打力和最大等效应力与轴向进给量的关系。
由图6可知，轴向进给量为1.5mm-6mm时，最大锻打力和最大等效应力与轴向进给量之间的关系均呈现线性关系，随着轴向进给量的增加，每次锻造面积增大，锻打力和最大等效应力均增大。
为避免坯料锻打过程中造成损伤，坯料进行旋锻时，应变不超过最大应变的5％，当该应变为最大应变的5％时对应的等效应力为最大等效应力中的最大值，该最大值对应的轴向进给量为受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量。
在本实施例中坯料的材质为25CrMo4，该材质在最大应变的5％时对应等效应力为500MPa，根据图6得出在最大等效应力为500MPa时，轴向进给量为6mm。因此，本实施例的受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量为6mm。
图7是本发明的实施例中材料向前流动系数与截面收缩率的关系图。
由图7可知，在轴向进给量为2mm、4mm和6mm时，随着截面收缩率增加，材料向前流动系数先增加再减小，材料向前流动系数的峰值点随着轴向进给量的增大而减小，当轴向进给量的数值最小时，截面收缩率在峰值点之后材料流动系数下降速度最快。
含芯棒旋锻轴的截面收缩率通过将坯料的外径减去含芯棒旋锻轴的外径再除以含芯棒旋锻轴的外径来计算得到。
本实施例中坯料外径37mm，含芯棒旋锻轴外径32mm，求得截面收缩率为15.6％，在轴向进给量为2mm时，材料向前流动系数为0.455。因此，本实施例的最佳轴向进给量为2mm。
对于本实施例的轴向进给速度的计算：轴向进给速度通过将最佳轴向进给量除以轴向进给的时间来计算得到。
含芯棒旋锻轴向进给在模具进行锻打的一个周期中完成，该周期包括模具径向进给与模具回位，模具径向进给为旋锻过程，模具回位为坯料完成轴向进给与周向进给的过程。
本实施例中坯料进给运动认为是匀速过程，同时认为轴向进给和周向进给的过程各自单独完成，完成时间一样，因此径向进给和轴向进给时间都为锻打周期的四分之一，本实施例中旋锻频率为1200次/min＝20次/s，因此一个锻打周期为1/20s＝0.05s，一个锻打周期中轴向进给的时间为一个锻打周期的四分之一为0.0125s，假定轴向进给是匀速过程，本实施例中最佳轴向进给量为2mm，轴向进给速度为2/0.0125＝160mm/s。因此，本实施例的轴向进给速度为160mm/s。实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，通过对轴向进给方式、几何约束下轴向极限进给量、应力约束下轴向极限进给量、最佳轴向进给量以及轴向进给速度等工艺参数进行确定，有效的提高了含芯棒旋锻的效率，保证了产品的质量，增加了产品的疲劳强度以及疲劳寿命。
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 (5)

1.一种等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，确定用于进行含芯棒旋锻来得到含芯棒旋锻轴的坯料的类型、尺寸和模具的结构；
步骤2，根据由有限元模拟分析得到的锻打力与轴向力的关系以及材料向前流动系数与所述轴向力之间的关系来确定轴向进给方式，选取使得所述材料向前流动系数高的所述轴向进给方式；
步骤3，根据所述模具的几何尺寸来确定受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量；
步骤4，所述轴向极限进给量不仅受所述模具的几何尺寸的约束，还受应力的约束，所述坯料在旋锻过程中，随着轴向进给量的不同，最大锻打力和所述坯料的最大等效应力发生变化，通过有限元模拟来分析所述最大锻打力和所述最大等效应力与所述轴向进给量的关系来确定受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量；
步骤5，在满足所述受几何约束下的所述含芯棒旋锻的轴向极限进给量和所述受应力约束的所述含芯棒旋锻的所述轴向极限进给量下，结合在不同的所述轴向进给量下所述含芯棒旋锻轴的截面收缩率与所述材料向前流动系数之间的变化关系，在计算得到的所述截面收缩率下使得所述材料向前流动系数最大的所述轴向进给量即为所述含芯棒旋锻的最佳轴向进给量；
步骤6，根据旋锻频率、所述最佳轴向进给量以及进行轴向进给的时间来确定所述含芯棒旋锻的轴向进给速度，
其中，所述模具包括进行缩径的下沉段、进行锻打的锻造段以及进行修圆的精整段，所述下沉段、所述锻造段以及所述精整段为未成形端，
所述受几何约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量为所述锻造段的水平长度，
所述坯料与用于配合所述坯料来进行所述含芯棒旋锻的芯棒从所述模具的入口端进入，经过所述下沉段、所述锻造段以及所述精整段后，从产品端中得到完成所述含芯棒旋锻的所述含芯棒旋锻轴，
所述坯料在旋锻过程中同时向所述产品端与所述未成形端流动，
所述材料向前流动系数为所述坯料向所述产品端的流动体积与所述坯料向所述产品端和所述未成形端的总流动体积之比，所述材料向前流动系数越大，所述旋锻效率越高。
2.根据权利要求1所述的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，其特征在于：
其中，步骤2中，所述轴向进给方式为拉锻或推锻，
所述轴向力为轴向推力或轴向拉力，
所述拉锻产生的所述轴向力为所述轴向拉力，
所述推锻产生的所述轴向力为所述轴向推力。
3.根据权利要求1所述的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，其特征在于：
其中，所述坯料进行旋锻时，应变不超过最大应变的5％，当该应变为所述最大应变的5％时对应的所述等效应力为所述最大等效应力中的最大值，该最大值对应的所述轴向进给量为所述受应力约束的含芯棒旋锻的轴向极限进给量。
4.根据权利要求1所述的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，其特征在于：
其中，所述含芯棒旋锻轴的所述截面收缩率通过将所述坯料的外径减去所述含芯棒旋锻轴的外径再除以所述含芯棒旋锻轴的外径来计算得到。
5.根据权利要求1所述的等速万向传动轴含芯棒旋锻轴向进给工艺参数的确定方法，其特征在于：
其中，所述含芯棒旋锻轴向进给在所述模具进行锻打的一个周期中完成，该周期包括模具径向进给与模具回位，
所述模具径向进给为旋锻过程，
所述模具回位为所述坯料完成所述轴向进给与周向进给的过程，
所述轴向进给速度通过将所述最佳轴向进给量除以所述轴向进给的时间来计算得到。
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