CN110900122B - 一种轻量化电机轴成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种轻量化电机轴成型方法，包括步骤：1)、备料：管料、第一旋锻模具、第二旋锻模具、第一芯棒及第二芯棒的备料；2)、第一工序装夹：完成管料、第一旋锻模具及第一芯棒在旋锻机上装夹；3)、第一工序旋锻：成型空心电机轴轴承端内外表面预锻面；4)、第二工序装夹：完成管料、第二旋锻模具及第二芯棒在旋锻机上装夹；5)、第二工序旋锻：成型空心电机轴花键端内外表面预缎面；6)、车加工电机轴轴承端端面和花键端端面及外圆；7)花键端加工。本发明所公开的轻量化电机轴成型方法，经管料两次进行旋锻成型，无需加工电机轴的内孔，可以使电机轴达到空心化及轻量化的目的，提高材料的利用率，保证电机轴内外表面较高的精度。

Description

一种轻量化电机轴成型方法

技术领域

本发明涉及轴类零件加工技术领域，尤其涉及一种轻量化电机轴成型方法。

背景技术

新能源汽车动力核心为驱动电机，电机轴主要起到转子铁芯固定及力矩传递作用，以此实现电能与机械能之间的相互转换；并连接减速器和差速器的输出轴，以此控制汽车运行，它是决定汽车驱动性能和运行稳定性的关键零部件。由于电机轴的承受力矩非常大，达到200—350N米，故电机轴的直径相应较大，现有结构中通常加大到φ50—80mm，但直径增大，也相应增加了转轴的重量，对其传递动力以及自转产生较大的不利影响，需要降低其自身重量；现有技术中，采用钻中孔的方式减轻电机轴的重量，但在电机轴形成后，再采用机加工钻中孔，首先就浪费了较多的材料，降低了材料的利用率；其次，机加工的耗用的加工时间较多，增加转轴的机加工成本；还有，机加工的方式，对某些特殊要求的电机转轴，如中间内孔大两端孔小的结构，采用钻孔镗孔的机加工方式无法加工其内孔，其配合和安装结构受到限制，限制了电机转轴的使用范围；故，现有的电机转轴以及钻孔镗孔的机加工方式不能满足市场的需要。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种轻量化电机轴成型方法，在保证加工精度的同时，提高材料利用率，降低电机轴整体加工成本，满足市场的需要。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种轻量化电机轴成型方法，包括如下步骤：

1）、备料：按照工艺要求下料，得到所需长度的管料；同时准备电机轴机加工所需的第一旋锻模具、第一芯棒、第二旋锻模具和第二芯棒；

2）、 第一工序装夹：将管料安装到旋锻机的进给机构上，将第一芯棒装夹到旋锻机夹头上，同时将多个第一旋锻模具环绕第一芯棒安装到旋锻机的夹头上；

3）、第一工序旋锻：在程序的控制下，第一旋锻模具张开，进给机构带动管料套接到第一芯棒上并保持相对位置不变，进给机构带动管料绕第一芯棒以预定转速进行旋转，第一旋锻模具向管料轴心施加高频次径向力，旋锻成型出空心电机轴轴承端的预锻外周面及台阶部，得到第一空心毛坯轴件；

4）、第二工序装夹：将第一空心毛坯轴件在旋锻机的进给机构上调换装夹方向，拆掉第一旋锻模具、第一芯棒，将第二芯棒装夹到旋锻机夹头上，同时将多个第二旋锻模具环绕第二芯棒安装到旋锻机的夹头上；

5）、第二工序旋锻：在程序的控制下，第二旋锻模具张开，进给机构带动第一空心毛坯轴件穿入到第二芯棒上并保持相对位置不变，进给机构带动第一空心毛坯轴件绕第二芯棒以预定转速进行旋转，第二旋锻模具向第一空心毛坯轴件轴心施加高频次径向力，旋锻成型空心电机轴花键端的预锻外周面及台阶部，得到第二空心毛坯轴件；

6）、第三工序车加工：将第二空心毛坯轴件装夹入车床夹头，分别精车电机轴轴承端端面和花键端端面，以及轴承端和花键端各外圆尺寸，得到第三空心毛坯轴件；

7)、花键端加工：根据工艺要求，在第三空心毛坯轴件表面得到符合工艺要求的外花键齿，加工完成，得到最终的空心电机轴。

进一步，所述第一芯棒、第二芯棒的直径均小于管料的内径，且第一芯棒、第二芯棒的长度均大于管料的长度，第一芯棒外周面均设置有多个第一台阶段，所述第一台阶段与电机轴轴承端内表面段相适应，且各第一台阶段的外径与电机轴轴承端内表面相应段的内径相等；第二芯棒外周面均设置有多个第二台阶段，所述第二台阶段与电机轴花键端内表面段相适应，且各第二台阶段的外径与电机轴花键端内表面相应段的内径相等。

优选的，在第一工序装夹时，将第一芯棒带有第一台阶段的一端装夹在旋锻机夹头上；在第二工序装夹时，将第二芯棒带有第二台阶段的一端装夹在旋锻机夹头上。

优选的，所述第一芯棒远离第一台阶段的一端、第二芯棒远离第二台阶段的一端分别具有一定的锥度。

优选的，所述第一芯棒和第二芯棒采用车加工成型，第一芯棒和第二芯棒的表面进行抛光处理以及涂覆润滑涂层。

进一步的，所述第一旋锻模具上的工作面与电机轴轴承端外周面相适应，第二旋锻模具上的工作面与电机轴花键端的外周面相适应。

进一步的，在进行第一工序旋锻和第二工序旋锻前分别对管料进行加热，加热温度为500~800℃。

优选的，在得到成型的空心电机轴后，对空心电机轴进行整体渗碳淬火和回火，渗碳深度为0.2-0.7mm，由同时辅以回火控制，空心电机轴表面的有效淬火范围应满足最小硬度为HRC57.8，空心电机轴芯部最小硬度为HRC48。

进一步的，在花键端加工过程中，包括加工用来安装减速器的斜花键，以及加工用来安装差速器的直花键，斜花键和直花键均采用铣削加工成型。

优选的，所述管料采用25CrMo4结构钢。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

（1）本发明所公开的轻量化电机轴成型方法，经管料两次进行旋锻成型，无需加工电机轴的内孔，可以使电机轴达到空心化及轻量化的目的，能大幅度提高材料的利用率，减轻电机轴的自重。

（2）对空心电机轴型腔为中间部分大、两端小的电机转轴，通过配合相应的旋锻模具和芯棒来实现两次旋锻成型，能构保证电机轴内腔获得较高的精度；解决了现有技术中钻孔镗孔方式无法实现的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明管料的结构图；

图2为本发明旋锻完成的第一空心毛坯轴件与第一芯棒加工的结构剖视图；

图3为本发明旋锻完成的第一空心毛坯轴件与第二芯棒加工的结构剖视图；

图4为本发明车加工完成的第三空心毛坯轴件各外圆表面的结构剖视图；

图5为本发明空心电机轴直花键加工后的结构剖视图；

图6为本发明空心电机轴斜花键加工后的结构剖视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1至图6，本发明实施例公开了一种轻量化电机轴成型方法，其包括如下步骤：

1）、备料：准备钢材管料，尺寸合适的无缝钢管，最好选用合金结构钢，优选为25CrMo4，硬度为HB210~212;

按照工艺要求下料，得到所需长度的管料；可用高速圆盘锯下料，根据电机转轴的长宽高等几何尺寸，结合无缝钢管的内外半径，再根据体积不变的成形原则，计算并下出一定长度管料；

在管料准备完毕后，准备电机轴机加工所需的第一旋锻模具、第一芯棒、第二旋锻模具和第二芯棒；

第一旋锻模具和第二旋锻模具均采用加工中心及电火花工艺成型，第一旋锻模具和第二旋锻模具分别加工4块。其中第一旋锻模具用来成型电机轴轴承端外周面，因此第一旋锻模具上的工作面与电机轴轴承端外周面相适应。第二旋锻模具用来成型电机轴花键端的外周面，因此第二旋锻模具上的工作面与电机轴花键端外周面相适应。

第一芯棒和第二芯棒均采用高强度合金钢，优选牌号为30CrMnSiA。第一芯棒和第二芯棒均采用车加工成型，第一芯棒和第二芯棒的直径均小于管料的内径，且第一芯棒、第二芯棒的长度均大于管料的长度。第一芯棒的一端车加工多个第一台阶段，第一台阶段与电机轴轴承端内表面段相适应，且各第一台阶段的外径与电机轴轴承端内表面相应段的内径相等。第二芯棒的一端车加工有多个第二台阶段，第二台阶段与电机轴花键端内表面段相适应，且各第二台阶段的外径与电机轴花键端内表面相应段的内径相等。

2)、第一工序装夹：将管料一端安装到旋锻机的进给机构上，将第一芯棒带有第一台阶段的一端装夹在旋锻机夹头上，并保持第一芯棒和旋锻机夹头相对不动，同时将多个第一旋锻模具环绕第一芯棒安装到旋锻机的夹头上，使得多个第一旋锻模具相互闭合形成围绕第一芯棒的回转体，同时使第一旋锻模的工作面朝向第一芯棒的第一台阶段，第一旋锻模具可在夹头上张开或闭合；

3）、第一工序旋锻：通过编程设定旋锻加工的参数，包括进给机构位移量、进给机构转速、旋锻机径向锻打频率等。在程序的控制下，夹头带动第一旋锻模具张开，进给机构带动管料套接到第一芯棒的预定位置，即管料待加工电机轴轴承端的部分套接到第一芯棒的第一台阶段上。同时四个第一旋锻模具组成的回转体，其工作面形成的内圆面朝向管料的外周面。在达到预定位置后，进给机构停止轴向运动，进给机构带动管料绕第一芯棒以预定转速进行旋转，四个第一旋锻模具同步向管料轴心施加高频次径向力，锻打频次为1200次/分。由此旋锻成型出空心电机轴轴承端的预锻外周面及台阶部，得到第一空心毛坯轴件；

4）、第二工序装夹，当电机轴轴承端内外表面加工完毕后，进给机构水平移动，带动第一空心毛坯轴件从第一芯棒上脱离，然后第一空心毛坯轴件从进给机构上拆卸下来，并将第一空心毛坯轴件已加工的一端装夹到进给机构上。拆掉第一旋锻模具、第一芯棒，将第二芯棒带有第二台阶段的一端装夹在旋锻机夹头上，并保持第二芯棒和旋锻机夹头相对不动。同时将多个第二旋锻模具环绕第二芯棒安装到旋锻机的夹头上，使得多个第二旋锻模具相互闭合形成围绕第二芯棒的回转体，同时使第二旋锻模的工作面朝向第二芯棒的第二台阶段，第二旋锻模具可在夹头上张开或闭合；

5）、第二工序旋锻：在程序的控制下，夹头带动第二旋锻模具张开，进给机构带动第一空心毛坯轴件套接到第二芯棒的预定位置，即第一空心毛坯轴件待加工电机轴花键端的部分套接到第二芯棒的第二台阶段上。同时四个第二旋锻模具组成的回转体，其工作面形成的内圆面朝向管料的外周面。在达到预定位置后，进给机构停止轴向运动，进给机构带动第一空心毛坯轴件绕第二芯棒以预定转速进行旋转，四个第二旋锻模具同步向第一空心毛坯轴件轴心施加高频次径向力，锻打频次为1200次/分。由此旋锻成型出空心电机轴花键端的预锻外周面及台阶部，得到第二空心毛坯轴件；

6）、第三工序车加工：将已旋锻完成的第二空心毛坯轴件进行精加工外轮廓，具体的，首选将第二空心毛坯轴件花键端装夹到车床夹头上，以轴承端外圆周面及端面定位，精车轴承端端面及外圆尺寸。然后将第二空心毛坯轴件轴承端装夹到车床夹头上，以花键端外周圆面及端面定位，精车花键端端面及外圆尺寸。车床最好是数控车床，从而提高加工效率以及精度。

7）、花键端加工：根据工艺要求，在第三空心毛坯轴件表面得到符合工艺要求的外花键齿，加工完成，得到最终的空心电机轴。在花键端加工过程中，包括首先加工用来安装差速器的直花键，然后加工用来安装减速器的斜花键，直花键和斜花键均采用铣削加工成型。当然也可以采用其他机加工方式进行，例如直花键采用花键模来成型，这些加工方式采用现有技术即可实现。

在上述加工过程中，在进行第一工序旋锻和第二工序旋锻前分别对管料进行加热，加热温度为500~800℃。对于变径比较大的空心管材，冷锻时材料的延伸率不足以支撑大变形比，一般采用温锻的设备进行机加毛坯的制作，温锻毛坯件外部公差可达h11，内部公差可达H9，无氧化皮生成，因此在旋锻前对管料分别进行加热，同时在锻造过程中，旋锻机的锻造温度也控制在500~800℃，从而使电机轴金属流向一致性好，材料组织性能得到明显改善。

在第一芯棒和第二芯棒经过车加工成型后，第一芯棒和第二芯棒的表面进行抛光处理以及涂覆润滑涂层。通过抛光处理可以使第一芯棒的外表面精度提高，从而满足成型电机轴内腔的精度，在芯棒表面涂覆润滑涂层可以使管料相对芯棒转动的过程中减少摩擦带来的阻力，同时也方便管料从芯棒中脱出。

第一芯棒远离第一台阶段的一端、第二芯棒远离第二台阶段的一端分别具有一定的锥度。方便管料插入芯棒时，通过锥度进行导向，同时也方便管道脱离芯棒。

本发明的重点步骤是旋锻模具、芯棒的备料工艺，以及第一工序旋锻和第二工序旋锻，通过第一旋锻模具配合第一芯棒可以锻造成型空心电机轴的轴承端，通过第二旋锻模具配合第二芯棒可以锻造成型空心电机轴花键端。由此实现两步旋锻，无需进行镗孔或钻孔，则可以成型空心电机轴相应段的外周面和内腔表面。从而在达到电机轴轻量化的前提下，实现对材料的利用率，同时可以保证空心电机轴外内表面的精度。

通过前述步骤，依照本发明的成型方法，能够获得满足工艺要求的轻量化新能源汽车空心电机转轴，其壁厚均匀，减轻电机轴的自重。而且其内孔的型腔为中间部分大、两端小，位于中间部分的筒体的直径最大，该部分筒体的内孔直径相应增大，使该部分筒体的壁厚与其他部分的壁厚相等（基本均匀），形成壁厚基本均匀的结构，满足电机转轴传递动力扭矩的需要，同时利用二次锻造工艺可以实现较为复杂的电机轴结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）、备料：按照工艺要求下料，得到所需长度的管料；同时准备电机轴机加工所需的第一旋锻模具、第一芯棒、第二旋锻模具和第二芯棒；

2）、第一工序装夹：将管料安装到旋锻机的进给机构上，将第一芯棒装夹到旋锻机夹头上，同时将多个第一旋锻模具环绕第一芯棒安装到旋锻机的夹头上；

3）、第一工序旋锻：在程序的控制下，第一旋锻模具张开，进给机构带动管料套接到第一芯棒上并保持相对位置不变，进给机构带动管料绕第一芯棒以预定转速进行旋转，第一旋锻模具向管料轴心施加高频次径向力，旋锻成型出空心电机轴轴承端的预锻外周面及台阶部，得到第一空心毛坯轴件；

4）、第二工序装夹：将第一空心毛坯轴件在旋锻机的进给机构上调换装夹方向，拆掉第一旋锻模具、第一芯棒，将第二芯棒装夹到旋锻机夹头上，同时将多个第二旋锻模具环绕第二芯棒安装到旋锻机的夹头上；

5）、第二工序旋锻：在程序的控制下，第二旋锻模具张开，进给机构带动第一空心毛坯轴件穿入到第二芯棒上并保持相对位置不变，进给机构带动第一空心毛坯轴件绕第二芯棒以预定转速进行旋转，第二旋锻模具向第一空心毛坯轴件轴心施加高频次径向力，旋锻成型空心电机轴花键端的预锻外周面及台阶部，得到第二空心毛坯轴件；

6）、第三工序车加工：将第二空心毛坯轴件装夹入车床夹头，分别精车电机轴轴承端端面和花键端端面，以及轴承端和花键端各外圆尺寸，得到第三空心毛坯轴件；

7)、花键端加工：根据工艺要求，在第三空心毛坯轴件表面得到符合工艺要求的外花键齿，加工完成，得到最终的空心电机轴；

所述第一芯棒、第二芯棒的直径均小于管料的内径，且第一芯棒、第二芯棒的长度均大于管料的长度，第一芯棒外周面均设置有多个第一台阶段，所述第一台阶段与电机轴轴承端内表面段相适应，且各第一台阶段的外径与电机轴轴承端内表面相应段的内径相等；第二芯棒外周面均设置有多个第二台阶段，所述第二台阶段与电机轴花键端内表面段相适应，且各第二台阶段的外径与电机轴花键端内表面相应段的内径相等。

2.如权利要求1所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：在第一工序装夹时，将第一芯棒带有第一台阶段的一端装夹在旋锻机夹头上；在第二工序装夹时，将第二芯棒带有第二台阶段的一端装夹在旋锻机夹头上。

3.如权利要求2所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：所述第一芯棒远离第一台阶段的一端、第二芯棒远离第二台阶段的一端分别具有一定的锥度。

4.如权利要求3所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：所述第一芯棒和第二芯棒采用车加工成型，第一芯棒和第二芯棒的表面进行抛光处理以及涂覆润滑涂层。

5.如权利要求1所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：所述第一旋锻模具上的工作面与电机轴轴承端外周面相适应，第二旋锻模具上的工作面与电机轴花键端的外周面相适应。

6.如权利要求1所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：在进行第一工序旋锻和第二工序旋锻前分别对管料进行加热，加热温度为500~800℃。

7.如权利要求6所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：在得到成型的空心电机轴后，对空心电机轴进行整体渗碳淬火和回火，渗碳深度为0.2-0.7mm，由同时辅以回火控制，空心电机轴表面的有效淬火范围应满足最小硬度为HRC57.8，空心电机轴芯部最小硬度为HRC48。

8.如权利要求1所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：在花键端加工过程中，包括加工用来安装减速器的斜花键，以及加工用来安装差速器的直花键，斜花键和直花键均采用铣削加工成型。

9.如权利要求1所述的一种轻量化电机轴成型方法，其特征在于：所述管料采用25CrMo4结构钢。

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