CN105772621A - 轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法，其步骤为：（1）根据无芯棒旋锻特征，确定无芯棒旋锻的关键几何质量参数：外径圆度和内径圆度；（2）根据旋锻产品的尺寸和形状几何特性要求，确定无芯棒旋锻的最大进给量；（3）根据旋锻产品材料的力学特性，确定无芯棒旋锻的最大进给量；（4）综合旋锻轴产品的力学特性和几何特性，确定无芯棒旋锻最大进给量；（5）根据产品精度要求，确定每次进给最小锻打次数与进给道次。该方法能预防无芯棒旋锻缺陷、提高旋锻轴产品质量的重要工艺参数。

Description

轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法

技术领域

本发明涉及一种轿车等速万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法。

背景技术

旋锻常采用两个或两个以上的模具，在使其环绕坯料外径周围旋转的同时，也向坯料轴心施加高频率的径向力，使坯料受径向压缩而按模具型线成形和沿轴向延伸的过程。它是一种局部而连续、无屑而且精密的金属成形加工工艺，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，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。

无棒旋锻时材料外表面受三向压应力、内表面受拉应力自然成形，无芯棒旋锻内表面质量受无芯棒旋锻径向进给量的控制，而旋锻轴产品耐久性影响最重要的因素是旋锻轴内表面质量。无芯棒旋锻径向进给工艺参数主要包括无芯棒旋锻进给道次、每道次最小旋锻次数、每道次进给量等，无芯棒旋锻径向进给工艺参数不但对旋锻轴内外表面的尺寸和圆度影响巨大，而且还进一步影响旋锻轴产品的静强度和疲劳强度。

发明内容

本发明基于轿车旋锻轴产品旋锻工艺特征、旋锻产品尺寸和形状精度要求和材料的力学特征等，提出了一种轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法，该方法能预防无芯棒旋锻缺陷、提高旋锻轴产品质量的重要工艺参数。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法，其步骤为：

(1)根据无芯棒旋锻特征，确定无芯棒旋锻的关键几何质量参数：外径圆度和内径圆度；

(2)根据旋锻产品的尺寸和形状几何特性要求，确定无芯棒旋锻的最大进给量；

(3)根据旋锻产品材料的力学特性，确定无芯棒旋锻的最大进给量；

(4)综合旋锻轴产品的力学特性和几何特性，确定无芯棒旋锻最大进给量；

(5)根据产品精度要求，确定每次进给最小锻打次数与进给道次。

所述外径圆度和内径圆度为旋锻过程中旋锻轴外表面和内表面的外接圆和内切圆半径之差，即外表面圆度和内表面圆度，其中：

1)外表面圆度

对于平面锤头，旋锻得到的多边形边数与旋锻外表面圆度之间的关系如式(1)所示

式中：δ——内外半径之差，即尺寸公差的一半或圆度；n——正多边形边数，对于正多花环形n取正多边形边数的一半；旋锻产品半径的公称尺寸，假设为内接圆和外切圆半径和的一半；对于圆弧形锤头，通过近似得到相同旋锻外表面圆度下，正多花环形的个数是正多边形边数的一半；

2)内表面圆度

对于平面锤头，旋锻径向进给后，内表面圆度与径向进给量、内外径之间的关系如式(2)所示

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\\ {\∫}_{-2\mathrm{\σ}}^{2\mathrm{\σ}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{{(x-r)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}dx=0.9544(\frac{\mathrm{\θ}}{360}{\mathrm{\πR}}^2-R\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}(R-\mathrm{\Δ}\left)\right)\end{array}---\left(2\right)$

式中，δ为内表面圆度；σ为内表面变形高斯分布的标准差；Δ为无芯棒旋锻径向进给量；θ为进给量为Δ时所对应的圆心角；R为旋锻外表面半径；r为旋锻内表面半径；对于圆弧锤头，旋锻径向进给后，内表面圆度的一半与径向进给量、内外径之间的关系满足式(2)。

上述步骤(3)中，还根据无芯棒段的应变和材料的应力应变曲线来确定单次径向进给最大值，其中，无芯棒旋锻内壁的等效应变ε如式(3)所示，包括壁厚方向上的应变ε_t、轴向应变ε_z和周向应变ε_θ：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\frac{2}{3}({\left(\ln \frac{t}{t_0}\right)}^2+{\left(\ln \frac{t}{t_0}+\ln \frac{r_m}{r_{m0}}\right)}^2+{\left(\ln \frac{r_m}{r_{m0}}\right)}^2)}---\left(3\right)$

$r_{m_0}=r_0-\frac{t_0}{2}$

$r_m=r-\frac{t}{2}$

式中：ε为等效应变；t₀为毛坯的壁厚，t为毛坯旋锻后的壁厚，为毛坯的等效半径，r_m为毛坯旋锻后的等效半径，r₀为毛坯的半径，r为毛坯旋锻后旋锻轴的半径。

本发明的有益效果是：该方法能预防无芯棒旋锻缺陷、提高旋锻轴产品质量的重要工艺参数。

附图说明

图1为某轿车旋锻轴毛坯和产品的结构与尺寸图；

图2为无芯棒式旋锻剖面图；

图3为图2的左视图；

图4为轴段I最小直径处锤头和毛坯初始接触关系示意图；

图5为旋锻过程中内表面变形示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

以某轿车等速万向传动中间轴旋锻为对象，材料为25CrMo4，产品结构与主要尺寸如图1所示，它有等截面等壁厚的无缝钢管经过旋锻制造而成。无芯棒旋锻是指轴段I和轴段III，由于它们是变截面变壁厚，只能通过无芯棒旋锻成形。无芯棒旋锻过程中，模具锤头1径向运动直接锻打工件2，工件2做周向运动，如图2，3所示。

无芯棒旋锻外表面受压，内表面自然成形受拉，无芯棒旋锻材料主要是径向流动、增加壁厚、轴向流动可以忽略。由于无芯棒旋锻内表面圆度自然形成，如果径向进给不合理造成损伤后，后续旋锻过程中不能修复；无芯棒旋锻径向进给不但影响旋锻轴外表面质量，而且还严重影响旋锻轴内表面质量，进而影响旋锻轴静强度和疲劳强度，因此，无芯棒旋锻径向进给是控制旋锻缺陷的主要参数。

(1)根据无芯棒旋锻特征，确定无芯棒旋锻的关键几何质量参数——外径圆度和内径圆度；

无芯棒旋锻过程中外径圆度和内径圆度是指旋锻过程中旋锻轴外表面和内表面的外接圆和内切圆半径之差，它们是旋锻外表面尺寸和圆度等几何质量的重要表征参数。

无芯棒旋锻产品的外表面和内表面都是近似圆，其中，内外表面近似圆随着模具锤头形状不同有所差别。对于平面模具锤头，根据受力和变形情况，旋锻内外表面是正多边形；对于圆弧模具锤头，旋锻内外表面是正花环形。相同的锻打次数，一般正花环形内外表面精度比正多边形近似高1倍。本例中圆弧表面锤头，轴段I最小直径处锤头和毛坯初始接触关系如图4所示。

1)外表面圆度

对于平面锤头，旋锻得到的多边形边数与旋锻外表面圆度之间的关系如式(1)所示

式中：δ——内外半径之差，即尺寸公差的一半或圆度；n——正多边形边数，对于正多花环形n取正多边形边数的一半；旋锻产品半径的公称尺寸，假设为内接圆和外切圆半径和的一半。

对于圆弧形锤头，通过近似可以得到相同旋锻外表面圆度下，正多花环形的个数是正多边形边数的一半。

2)内表面圆度

不考虑轴向流动，径向进给使得壁厚增加、内径减小。根据锻打受力和几何变形，对于平面锤头，可以假设内壁变形在一定范围内满足高斯分布；在外表面进给的圆心角内，内表面变化面积为外表面面积的95.44％，即高斯分布的±2σ之间的面积(σ为高斯分布的方差)，如图5所示。对于圆弧锤头，可以假设内壁变形在一定范围内满足双峰分布，也可以假设相同的径向进给，圆弧锤头内壁变形等于平面锤头内壁变形的一半。

对于平面锤头，旋锻径向进给后，内表面圆度与径向进给量、内外径之间的关系如式(2)所示

$\begin{array}{c}\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\\ {\∫}_{-2\mathrm{\σ}}^{2\mathrm{\σ}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{{(x-r)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}dx=0.9544(\frac{\mathrm{\θ}}{360}{\mathrm{\πR}}^2-R\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}(R-\mathrm{\Δ}\left)\right)\end{array}---\left(2\right)$

式中，δ为内表面圆度；σ为内表面变形高斯分布的标准差；Δ为无芯棒旋锻径向进给量；θ为进给量为Δ时所对应的圆心角；R为旋锻外表面半径；r为旋锻内表面半径。

对于圆弧锤头，旋锻径向进给后，内表面圆度的一半与径向进给量、内外径之间的关系满足式(2)。

(2)根据旋锻产品的尺寸和形状等几何特性要求，确定无芯棒旋锻的最大等效进给量；

对于无芯棒旋锻，如果径向进给不合理，内表面圆度过大，会使内表面出现一系列褶皱，这些褶皱最终会导致旋锻裂纹。

为了防止内表面旋锻褶皱，提高外表面质量，径向进给不但有最大进给量要求，而且旋锻过程中随着旋锻道次增加径向进给量还需要不断递减。

对于本例，以平面锤头为例计算最大进给量，对于圆弧锤头则按照锻打截面接触面积相等进行等效，得到最大等效进给量。根据旋锻产品的精度要求内表面圆度小于0.05mm，根据式(2)可以估算平面锤头的无芯棒旋锻最大进给量小于0.5mm，圆弧锤头的无芯棒旋锻最大等效进给量小于0.5mm。

(3)根据旋锻产品材料的力学特性，确定无芯棒旋锻的最大等效进给量；

对于本例，毛坯外径为37mm、壁厚为5mm的无缝钢管，旋锻轴产品的最小外径为26.5mm，本例中无芯棒旋锻最大进给量为5.25mm。

以平面锤头为例，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，无芯棒径向进给量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。无芯棒旋锻内壁的等效应变ε如式(3)所示，包括壁厚方向上的应变ε_t、轴向应变ε_z和周向应变ε_θ，：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\frac{2}{3}({\left(ln\frac{t}{t_0}\right)}^2+{\left(ln\frac{t}{t_0}+ln\frac{r_m}{r_{m0}}\right)}^2+{\left(ln\frac{r_m}{r_{m0}}\right)}^2)}---\left(3\right)$

$r_{m_0}=r_0-\frac{t_0}{2}$

$r_m=r-\frac{t}{2}$

式中：ε为等效应变；t₀为毛坯的壁厚，t为毛坯旋锻后的壁厚，为毛坯的等效半径，r_m为毛坯旋锻后的等效半径，r₀为毛坯的半径，r为毛坯旋锻后旋锻轴的半径。根据式(3)和本例材料模型，可以求出不同径向进给下的等效应变及应力如表1所示。

表1.不同径向压入量下的等效应变及应力

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(约5％)，实际单次径向等效进给量不大于1.0mm，否则无芯棒旋锻内壁会出现裂纹。

(4)综合旋锻轴产品的力学特性和几何特性，确定无芯棒旋锻最大等效进给量；

旋锻轴产品无芯棒旋锻过程中，旋锻造成的损伤无法在后续旋锻过程中修复，旋锻过程中最大进给量既要满足几何要求、又要满足强度要求。

对于本例中，无芯棒旋锻最大等效径向进给量不大于0.5mm。

(5)根据产品精度要求，确定每次进给最小锻打次数与进给道次；

旋锻时，每次径向进给要求工件旋锻满足圆度和尺寸公差要求后再进行径向进给，否则会造成圆度误差累积。对于本例产品外径尺寸为7级精度，根据式(1)可以计算出，对于圆弧形锤头，满足该精度的最小正花环数55，最小锻打次数为14次，每道次最小锻打次数为14。

对于本例，毛坯外径为37mm，产品最小外径26.5mm，最大等效总进给量为5.25mm。为了尽可能满足产品精度要求，把该进给量分为粗、中、细三个道次，每个道次进给范围和进给量的关系如表2所示。

表2进给道次和单次进给量

外径尺寸D(mm)	31<D≤37	28<D≤31	D≤28
				单次等效进给量Δ(mm)	Δ≤0.5	Δ≤0.3	Δ≤0.2

Claims (3)

1.一种轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法，其特征在于，其步骤为：

(1)根据无芯棒旋锻特征，确定无芯棒旋锻的关键几何质量参数：外径圆度和内径圆度；

(2)根据旋锻产品的尺寸和形状几何特性要求，确定无芯棒旋锻的最大进给量；

(3)根据旋锻产品材料的力学特性，确定无芯棒旋锻的最大进给量；

(4)综合旋锻轴产品的力学特性和几何特性，确定无芯棒旋锻最大进给量；

(5)根据产品精度要求，确定每次进给最小锻打次数与进给道次。

2.根据权利要求1所述的轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法，其特征在于：所述外径圆度和内径圆度为旋锻过程中旋锻轴外表面和内表面的外接圆和内切圆半径之差，即外表面圆度和内表面圆度，其中：

1)外表面圆度

对于平面锤头，旋锻得到的多边形边数与旋锻外表面圆度之间的关系如式(1)所示

式中：δ——内外半径之差，即尺寸公差的一半或圆度；n——正多边形边数，对于正多花环形n取正多边形边数的一半；——旋锻产品半径的公称尺寸，假设为内接圆和外切圆半径和的一半；对于圆弧形锤头，通过近似得到相同旋锻外表面圆度下，正多花环形的个数是正多边形边数的一半；

2)内表面圆度

对于平面锤头，旋锻径向进给后，内表面圆度与径向进给量、内外径之间的关系如式(2)所示

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}$

${\∫}_{-2\mathrm{\σ}}^{2\mathrm{\σ}}\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{{(x-r)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}dx=0.9544(\frac{\mathrm{\θ}}{360}{\mathrm{\πR}}^2-Rsin\frac{\mathrm{\θ}}{2}(R-\mathrm{\Δ}\left)\right)---\left(2\right)$

式中，δ为内表面圆度；σ为内表面变形高斯分布的标准差；Δ为无芯棒旋锻径向进给量；θ为进给量为Δ时所对应的圆心角；R为旋锻外表面半径；r为旋锻内表面半径；对于圆弧锤头，旋锻径向进给后，内表面圆度的一半与径向进给量、内外径之间的关系满足式(2)。

3.权利要求1所述的轿车万向传动轴无芯棒旋锻径向进给工艺参数确定方法，其特征在于：上述步骤(3)中，还根据无芯棒段的应变和材料的应力应变曲线来确定单次径向进给最大值，其中，无芯棒旋锻内壁的等效应变ε如式(3)所示，包括壁厚方向上的应变ε_t、轴向应变ε_z和周向应变ε_θ：

$\mathrm{\ϵ}=\sqrt{\frac{2}{3}({\left(\ln \frac{t}{t_0}\right)}^2+{\left(\ln \frac{t}{t_0}+\ln \frac{r_m}{r_{m0}}\right)}^2+{\left(\ln \frac{r_m}{r_{m0}}\right)}^2)}---\left(3\right)$

$r_{m_0}=r_0-\frac{t_0}{2}$

$r_m=r-\frac{t}{2}$

式中：ε为等效应变；t₀为毛坯的壁厚，t为毛坯旋锻后的壁厚，为毛坯的等效半径，r_m为毛坯旋锻后的等效半径，r₀为毛坯的半径，r为毛坯旋锻后旋锻轴的半径。