CN112828220A - 一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，包括下料工序、加热工序、墩粗成型工序以及摆碾成型工序；其中加热工序对所述半轴坯料采用感应加热炉进行加热处理，以获得满足预设温度条件的半轴坯料；所述感应加热炉设有若干温区，每个温区内的感应线圈的线圈密度根据半轴坯料的变形位置进行适应性设置，且所述感应线圈的线圈密度与半轴坯料变形位置和半轴坯料墩粗端面的间距正相关。其显著效果是：通过对加热炉的感应线圈进行改进设计，能够根据锻造成型的要求实现不同的锻造温度，节约了材料，提高了生产效率，降低了生产成本。

Description

一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺

技术领域

本发明涉及到汽车零部件技术领域，具体涉及一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺。

背景技术

汽车后桥半轴是车轮转动的直接驱动件，是汽车传递扭矩的一个重要零件。汽车运行时，发动机输出的扭矩，经过多级变速传递给汽车后桥半轴，再由汽车后桥半轴传递到车轮上，推动汽车前进或倒行，因此，汽车后桥半轴在工作时具有承受冲击、交变弯曲疲劳载荷和扭力的作用，这样就要求汽车后桥半轴具有足够的抗弯强度、抗剪强度和较好的韧性。

由于汽车后桥半轴是如图1所示的典型的长杆类锻件，其结构包括杆部与盘部，在杆部的中间位置形成有轴承位。目前，一般采用平锻机多工位成型，比较常用的平锻机半轴锻造成型工艺为：坯料加热(锻造温度均匀)--镦挤聚料(一般为3-4工位)--成型。但受到设备投资大和多工位聚料墩粗时材料长径比的限制，模具设计要求高难度大，材料利用率低，制造成本高。

具体原因为：由于平锻机五工位成型材料长径比达到12，但采用油压机墩粗时，半轴材料长径比达到16，已经明显超出平锻机的常规范围。同时，半轴盘部相同的情况下杆部越小长径比越大，意味着杆部加工余料越少越节约材料和机加工成本。比如某型号半轴原料用Φ36mm材料，坯料重12.3kg，杆部车加工余量单边3mm；如果改用Φ34mm材料，坯料重11.74kg，节约材料4.6％，杆部车加工余量减为单边2mm。但是，采用Φ34mm材料在墩粗时，材料长径比达到19.4，半轴墩粗端面易产生飞边，摆辗后盘部凸台将产生缺陷，半轴轴承位聚料成形易产生缺料等问题，导致半轴产品无法批量生产。

为了解决这些问题，有人提出了通过提高加热温度并采用端部水冷的物理方式，来降低端部温度来保证轴承位成形充分和避免墩粗时端面飞边。但是采用端部水冷方式导致在半轴的墩粗过程中需要设计中间补温工序(即二次加热)，具体原因如下：在传统工艺中整个半轴坯料采用一样的温度进行墩粗制坯，由于整个半轴坯料金属抗力一致，这就存在距离墩粗端面较近的盘部先墩粗成型，而距离较远的杆部尤其是轴承位无法墩粗成型，需要进行二次甚至多次墩粗，同时由于制坯时工件的杆部散热快，此时坯料可塑性降低而不能直接进行再次墩粗，需要对经过一次墩粗的半轴坯料进行再次加热才能进行再次墩粗；另外，由于温度降低而不能满足摆碾成型工艺要求，导致无法直接摆辗成型盘部或盘部成型不充分，需要进行二次加热才能实现正常连续生产。因此，此工艺存在着工艺复杂，产品质量不稳定，生产时间较长，生产成本高，生产效率低等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，通过对加热炉的感应线圈进行改进设计，能够根据锻造成型的要求实现不同的锻造温度，以节约材料，提高生产效率，降低生产成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其关键在于包括如下步骤：

步骤1，下料工序：根据期望半轴成品的形状与尺寸，选取具有相应形状与尺寸的半轴坯料；

步骤2，加热工序：对所述半轴坯料采用感应加热炉进行加热处理，以获得满足预设温度条件的半轴坯料；

所述感应加热炉设有若干温区，每个温区内的感应线圈的线圈密度根据半轴坯料的变形位置进行适应性设置，且所述感应线圈的线圈密度与半轴坯料变形位置和半轴坯料墩粗端面的间距正相关；

步骤3，墩粗成型工序：采用压机将加热后的半轴坯料进行一次墩粗成型，形成半轴中间坯；

步骤4，摆碾成型工序：将所述半轴中间坯直接在摆碾机上进行摆碾成型得到半轴成品。

进一步的，步骤1中所述下料工序的具体步骤为：

步骤1.1，根据期望半轴成品对应的三维工程制图模型，确定所述期望半轴成品的三维形状和三维尺寸；

步骤1.2，根据所述三维形状和所述三维尺寸，确定加工锻造获得所述期望半轴成品过程中对应的最优加工冗余尺寸量；

步骤1.3，根据所述最优加工冗余尺寸量，选取具有预定长度和预定直径的圆柱状半轴坯料。

步骤1.4，采用圆盘锯对圆柱状加工原材料进切割下料，获得半轴坯料。

进一步的，所述感应加热炉的各温区的温差为10-60摄氏度。

进一步的，所述感应加热炉的进炉口处还设置有冷热过渡区，该冷热过渡区的长度为20mm-40mm。

进一步的，所述感应加热炉用于将半轴坯料加热至1100℃-1300℃。

进一步的，所述墩粗成型工序的具体过程如下：

将加热后的半轴坯料输送至锻压机，在锻压机上采用锻压模具对半轴坯料进行定位夹紧并一次墩粗成型，获得半轴中间坯。

进一步的，所述锻压机采用油压机。

本发明的显著效果是：

本发明通过改变中频感应加热炉感应器线圈结构达到使坯料一次墩粗制坯成型，若半轴杆部的变形位置距离墩粗端面的较远则采用较大线圈密度的感应线圈，若变形位置距离墩粗端面的较近则采用线圈密度较小的感应线圈，从而通过采用不同线圈密度的感应线圈，使半轴坯料的各变形位置具有不同的锻造温度，以分别满足不同的锻造成型要求，使得可以一次加热后将半轴坯料一次墩粗成型制坯还能够直接摆碾成型获得半轴成品，实现了连续稳定生产出合格锻件，从而实现既节约了材料又提高了生产效率，大大降低了制造成本；

通过将传统工艺的墩粗成型中需要进行多次墩粗，且在多次墩粗过程之间需要二次加热以确保材料温度达到锻造成型要求，改进为在感应加热炉上一次加热后油压机一次镦粗成型，使得此工艺具有所需制坯的锻造设备小，锻件加热产生氧化皮少，锻件表面质量较好的优点，锻造出的汽车后桥半轴变形均匀，尺寸精度高；

由于取消了原工艺的中间补温工序(即二次加热)，工艺过程减短，工艺步骤更简单，还减少了一台加热设备，减少了一个操作人员，并避免了产生此工序的报废品，实现了一次加热进行墩粗制坯和摆碾成型两个锻造成形的制造过程，提高了质量，提高了生产效率；

另外，基于上述工艺可以选用更小直径规格的材料进行半轴的生产，从而节约了4-6％的钢材，降低了半轴锻造成本和后续机加工成本；经十余万件的半轴锻造验证，消除了现有技术中原半轴锻造中频加热工艺方案存在的缺点，达到了明显降消耗增效益的发明目标。

附图说明

图1是半轴的结构示意图；

图2是本发明的方法流程图；

图3是半轴坯料的加热温度分布图；

图4是本发明中所述中频感应加热炉的线圈分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。

参见附图1，如图可以看出总长为L0的半轴产品大体可以分为两部分：杆部L01和盘部L02，其中杆部L01又分为未墩粗变形的保持位L011和墩粗变形的轴承位L012。在墩粗时，与压机相接触的墩粗端面为盘部的端面，而杆部L01由于距离墩粗端面的距离较远，在传统工艺中整个半轴坯料采用一样的温度进行墩粗制坯，由于整个半轴坯料金属变形抗力一致，这就存在距离墩粗端面较近的盘部L02先墩粗成型，而距离较远的杆部L01尤其是轴承位L012无法墩粗成型，需要进行二次甚至多次墩粗，同时又由于墩粗过程坯料的散热，需要对经过一次墩粗的半轴坯料进行再次加热才能进行再次墩粗。本实施例正是为克服上述缺陷，以实现工艺更简单，生产效率更高，成产成本更低的目的。

如图2所示，一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，具体步骤如下：

步骤1，下料工序：根据期望半轴成品的形状与尺寸，选取具有相应形状与尺寸的半轴坯料，该半轴坯料的直径为D，长度为L；

所述下料工序的具体步骤为：

步骤1.1，根据期望半轴成品对应的三维工程制图模型，确定所述期望半轴成品的三维形状和三维尺寸；

步骤1.2，根据所述三维形状和所述三维尺寸，确定加工锻造获得所述期望半轴成品过程中对应的最优加工冗余尺寸量；

优选地，在该步骤1.2中，根据该三维形状和该三维尺寸，确定加工锻造获得该期望半轴成品过程中对应的最优加工冗余尺寸量具体包括，

步骤S1，根据该三维形状和该三维尺寸、以及历史加工锻造废料形成率，确定加工锻造获得该期望半轴成品过程对应的周向加工锻造深度和径向加工锻造深度；

步骤S2，根据该周向加工锻造深度和该径向加工锻造深度各自对应的最小深度值，计算得到加工锻造获得该期望半轴成品过程中对应的最优加工冗余尺寸量，其中，该最优加工冗余尺寸量包括周向加工冗余尺寸值和径向加工冗余尺寸值，并且该周向加工冗余尺寸值大于或者等于该周向加工锻造深度的最小深度值，该径向加工冗余尺寸值大于或者等于该径向加工锻造深度的最小深度值。

步骤1.3，根据所述最优加工冗余尺寸量，选取具有预定长度和预定直径的圆柱状半轴坯料。

优选地，在该步骤1.3中，根据该最优加工冗余尺寸量，选取具有预定长度和预定直径的圆柱状半轴坯料具体包括，

根据该最优加工冗余尺寸量中的最优加工长度值和最优加工直径值，按照该预定长度＝该最优加工长度值+3mm、以及该预定直径＝该最优加工直径值+2mm的要求，选取该圆柱状半轴坯料。

通过确定加工锻造获得该期望半轴成品过程中对应的最优加工冗余尺寸量，能够保证在后续加工锻造过程中能够最大限度地根据期望半轴的设计形状和尺寸进行加工，同时也能够避免加工过程中产生多余的废料，从而进一步为半轴坯料的选定提供准确的量化依据。

步骤1.4，采用圆盘锯对圆柱状加工原材料进切割下料，下料重量误差控制在±50g之间，获得半轴坯料。

步骤2，加热工序：对所述半轴坯料采用感应加热炉进行加热，以将半轴坯料加热至1100℃-1300℃，从而获得满足预设温度条件的半轴坯料；

进一步的，所述感应加热炉的进炉口处还设置有冷热过渡区，该冷热过渡区的长度不小30mm，通过冷热过渡区的设置，在材料进入加热炉时能够起到一定的预热作用，有助于提高加热效率。

所述感应加热炉设有若干温区，每个温区内的感应线圈的线圈密度根据半轴坯料的变形位置进行适应性设置，且所述感应线圈的线圈密度与半轴坯料变形位置和半轴坯料墩粗端面的间距正相关，且所述感应加热炉的各温区的温差为10-60摄氏度；具体的：

从前述内容可知，半轴一般分为杆部和盘部，而杆部又有在墩粗过程中需要变形的轴承位，由本领域的公知常识可知，当金属材料的温度越高时，其变形抗力越小，因此若轴承位相对于其余部位具有更高的温度时，在墩粗成型时将先于其余部分发生变形，从而克服传统工艺中距离墩粗端面较远的轴承位无法一次墩粗成型的缺陷。

为此本实施例对半轴坯料的加热温度分布进行如图3所示的设计，将选取的长度为L的半轴坯料分为了炉外非加热段L1、冷热过渡段L2、增温段L3、基准段L4以及减温段L5，其中增温段L3、基准段L4以及减温段L5为有效加热部分，在对增温段L3与减温段L5进行加热时，在基准段L4的基础之上通过增加和减少感应加热炉中感应线圈的线圈密度，形成与增温段L3、基准段L4以及减温段L5相适应的具有不同温度的第一温区、第二温区与第三温区，第一温区相较于第二温区具有更高温度也即是具有更高的线圈密度，第三温区相较于第二温区具有较低的的温度也即是具有较低的线圈密度。

改进后的感应加热炉各温区的感应线圈分布如图4所示，总长为S的感应加热炉的感应线圈段，其中，感应线圈段S0对应进炉口处设置的冷热过渡区，感应线圈段S1对应第一温区，感应线圈段S2对应第二温区，感应线圈段S3对应第三温区，由前述的温区和半轴坯料加热温度分布的对应关系可知，感应线圈段S0对应半轴坯料的冷热过渡段L2，感应线圈段S1对应半轴坯料的增温段L3，感应线圈段S2对应半轴坯料的基准段L4，感应线圈段S3对应半轴坯料的减温段L5，其中感应线圈段S1的线圈密度也即是线圈之间的间距为d1，感应线圈段S2的线圈密度也即是线圈之间的间距为d2，感应线圈段S3的线圈密度也即是线圈之间的间距为d3，且线圈密度d1>d2>d3。

在结合物理学知识可知，在采用相同材质线圈的前提下，线圈密度越大，则该感应线圈段的发热量越大，对应的温区的温度越高，因此可合理推导出，第一温区的温度大于第二温度，第二温区的温度大于第三温区，从而满足锻造成型的要求，使得半轴坯料实现了不同的锻造温度。

步骤3，墩粗成型工序：采用压机将加热后的半轴坯料进行一次墩粗成型，形成半轴中间坯；

所述墩粗成型工序的具体过程如下：

将加热后的半轴坯料输送至锻压机，在锻压机上采用锻压模具对半轴坯料进行定位夹紧并一次墩粗成型，获得半轴中间坯。

优选的，所述锻压机采用200-300吨油压机。

通过上述的感应加热炉加热后的半轴坯料将具有不同的温度，因此在上述的墩粗制坯成型过程中时，温度最高的增温段L3将最先在压机的压力下发生变形，形成杆部L01的轴承位L012，然后是杆部L01的其余部位，最后是盘部L02，从而使得半轴坯料各个部位均具有合适的墩粗温度，使得半轴坯料可以在经过一次加热后只经过一次墩粗成型即可完成制坯，相较于传统技术，工艺过程减短，有效提高了生产效率，大大降低了制造成本。

步骤4，摆碾成型工序：将所述半轴中间坯直接在摆碾机上进行摆碾成型得到如图1所示的半轴成品。

在半轴的生产中，由于加热温度对锻造成型是敏感因素，坯料温度高易于成型充满模具，温度低较锻件难成型，而常规锻造对加热要求是温度的一致性，对中频感应炉加热坯料首尾的温差要求为±10℃，若温度差过大会造成锻件的尺寸不一致，影响锻件精度，是不利因素。然而，本实施例正是在半轴墩粗成型工艺中利用了这个不利因素，根据半轴变形段的锻造变形的难易程度，采用不同锻造温度进行锻造，其中难变形的轴承位温度最高，而易产生飞边和易弯曲失稳的端头温度最低。

本实施例通过改变中频感应加热炉感应器线圈结构达到使坯料一次墩粗制坯成型，若半轴杆部的变形位置距离墩粗端面的较远则采用较大线圈密度的感应线圈，若变形位置距离墩粗端面的较近则采用线圈密度较小的感应线圈，从而通过采用不同线圈密度的感应线圈，使半轴坯料的各变形位置具有不同的锻造温度，以分别满足不同的锻造成型要求，使得可以一次加热后将半轴坯料一次墩粗成型制坯还能够直接摆碾成型获得半轴成品，实现了连续稳定生产出合格锻件，从而实现既节约了材料又提高了生产效率，大大降低了制造成本。

通过将传统工艺的墩粗成型中需要进行多次墩粗，且在多次墩粗过程之间需要二次加热以确保材料达到锻造成型要求，改进为在感应加热炉上一次加热后一次镦粗成型，使得此工艺具有所需制坯的锻造设备小，锻件加热产生氧化皮少，锻件表面质量较好的优点，锻造出的汽车后桥半轴变形均匀，尺寸精度高；

由于取消了原工艺的中间补温工序(即二次加热)，工艺过程减短，工艺步骤更简单，还减少了一台加热设备，减少了一个操作人员，并避免了无此工序的报废品，实现了一次加热进行墩粗制坯和摆碾成型两个锻造成形的制造过程，提高了质量，提高了生产效率；另外，基于上述工艺可以选用更小直径规格的材料进行半轴的生产，从而节约了4-6％的钢材，降低了半轴锻造成本和后续机加工成本；经十余万件的半轴锻造验证，消除了现有技术中原半轴锻造中频加热工艺方案存在的缺点，达到了明显降消耗增效益的发明目标。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，下料工序：根据期望半轴成品的形状与尺寸，选取具有相应形状与尺寸的半轴坯料；

步骤2，加热工序：对所述半轴坯料采用感应加热炉进行加热处理，以获得满足预设温度条件的半轴坯料；

所述感应加热炉设有若干温区，每个温区内的感应线圈的线圈密度根据半轴坯料的变形位置进行适应性设置，且所述感应线圈的线圈密度与半轴坯料变形位置和半轴坯料墩粗端面的间距正相关；

步骤3，墩粗成型工序：采用压机将加热后的半轴坯料进行一次墩粗成型，形成半轴中间坯；

步骤4，摆碾成型工序：将所述半轴中间坯直接在摆碾机上进行摆碾成型得到半轴成品。

2.根据权利要求1所述的基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于：步骤1中所述下料工序的具体步骤为：

步骤1.1，根据期望半轴成品对应的三维工程制图模型，确定所述期望半轴成品的三维形状和三维尺寸；

步骤1.2，根据所述三维形状和所述三维尺寸，确定加工锻造获得所述期望半轴成品过程中对应的最优加工冗余尺寸量；

步骤1.3，根据所述最优加工冗余尺寸量，选取具有预定长度和预定直径的圆柱状半轴坯料。

步骤1.4，采用圆盘锯对圆柱状加工原材料进切割下料，获得半轴坯料。

3.根据权利要求1所述的基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于：所述感应加热炉的各温区的温差为10-60摄氏度。

4.根据权利要求1所述的基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于：所述感应加热炉的进炉口处还设置有冷热过渡区，该冷热过渡区的长度为20mm-40mm。

5.根据权利要求1或3或4所述的基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于：所述感应加热炉用于将半轴坯料加热至1100℃-1300℃。

6.根据权利要求1所述的基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于：所述墩粗成型工序的具体过程如下：

将加热后的半轴坯料输送至锻压机，在锻压机上采用锻压模具对半轴坯料进行定位夹紧并一次墩粗成型，获得半轴中间坯。

7.根据权利要求1所述的基于变温式中频加热炉的半轴锻造工艺，其特征在于：所述锻压机采用油压机。

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