CN110401275A - 轻量化电机转子轴及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻量化电机转子轴及其制作方法，包括花键输出轴、中部中空轴和端部支撑轴，花键输出轴和端部支撑轴分布连接在中部中空轴的两端部；所述中部中空轴为中空管状轴，在花键输出轴和/或端部支撑轴上设有通孔，通孔将中部中空轴的封闭中空空间与外部连通。所述花键输出轴和端部支撑轴分别采用惯性摩擦焊直接焊接在中部中空轴的两端部。本发明采用分体设计，高效焊接连接的方式，在确保强度的同时，减轻了零件重量；同时通过采用惯性摩擦焊接工艺设备，实现了高效的焊接成型，降低了生产成本。

Description

轻量化电机转子轴及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种轻量化汽车零部件，尤其是一种轻量化电机转子轴及其制作方法。
背景技术
在电动汽车领域，汽车零部件的轻量化对于其提高续航能力、降低制造成本效果显著。
作为电动汽车核心部件的电动机，其转子轴的轻量化设计对于电机效能提升作用明显；同时电动机转子轴作为动力输出部件，需要承受较大扭矩，制作轻量化的同时，其强度首先必需满足要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种轻量化电机转子轴，采用分体设计，高效焊接连接的方式，在确保强度的同时，减轻了零件重量。
本发明还提供一种轻量化电机转子轴的制作方法，实现了部件的轻量化，同时通过采用惯性摩擦焊接工艺设备，实现了高效的焊接成型，降低了生产成本。
按照本发明提供的技术方案，所述轻量化电机转子轴，其特征是：包括花键输出轴、中部中空轴和端部支撑轴，花键输出轴和端部支撑轴分布连接在中部中空轴的两端部；所述中部中空轴为中空管状轴，在花键输出轴和/或端部支撑轴上设有通孔，通孔将中部中空轴的封闭中空空间与外部连通。
进一步地，所述花键输出轴和端部支撑轴分别采用惯性摩擦焊直接焊接在中部中空轴的两端部。
进一步地，所述端部支撑轴上的通孔设置于端部支撑轴的中心。
进一步地，所述花键输出轴上的通孔设置与花键输出轴的中心。
进一步地，所述花键输出轴和端部支撑轴为锻件，中部中空轴为无缝管。
本发明还提供一种轻量化电机转子轴的制作方法，其特征是，包括以下过程：
(1)准备花键输出轴、中部中空轴和端部支撑轴的半精加工部件，分别为第一部件、第二部件和第三部件；所述第一部件、第二部件和第三部件的焊接面轴向尺寸均保留焊接余量；
(2)分别固定夹紧第一部件、第二部件和第三部件；
(3)驱动第一部件和第三部件旋转至预设值进行储能后停止动力输入，使第一部件和第三部件依靠惯性继续旋转；
(4)在惯性旋转的同时第一部件和第三部件同步向第二部件移动，使第一部件和第三部件相对第二部件旋转，并在两侧同步施加顶锻力，直至焊接结束；
(5)进行保压，保压后进行焊缝处理、热处理和精加工，完成电机转子轴的制作。
进一步地，所述半精加工部件的外圆直径保留余量0.2～1mm。
进一步地，所述第一部件、第二部件和第三部件的焊接面轴向尺寸保留的焊接余量为2mm～5mm。
进一步地，所述步骤(4)中施加顶锻力的大小为恒定值或者分级设定；设定为恒定值时，顶锻力为40-180MPa；分级设定时，每级设定顶锻力依次增加。
进一步地，所述步骤(3)中，第一部件和第三部件旋转储能的转速预设值为300-2000r/min。
本发明具有以下优点：
(1)本发明改进了电机转子轴设计结构，通过中部中空轴与端部轴采用分体焊接成型，之后通过整体热处理，在满足强度要求的同时实现了零件的轻量化；
(2)焊接过程采用惯性摩擦焊，两端部件与中部中空轴同时实现焊接，整个焊接过程可在1分钟内完成，焊接效率完全能够满足大批量生产要求，同时焊后焊缝经过热处理，其强度指标达到100％材料本体强度，有效确保了零件的使用性能。
附图说明
图1为本发明所述轻量化电机转子轴的结构示意图。
图2为所述花键输出轴的焊接余量示意图。
图3为本发明所述轻量化电机转子轴进行惯性摩擦焊接的示意图。
附图标记说明：1-花键输出轴、2-中部中空轴、3-端部支撑轴、3a-通孔。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步说明。
如图1所示：本发明所述轻量化电机转子轴包括花键输出轴1、中部中空轴2和端部支撑轴3，花键输出轴1和端部支撑轴3分别采用高效惯性摩擦焊接装备同时焊接在中部中空轴2的两端部，最后通过整体热处理及后续精加工完成部件制作。本发明中所采用的高效惯性摩擦焊接装置与专利申请CN2018110357117所公开的设备相同。
所述惯性摩擦焊主要是通过惯性储能提供能量，同时通过控制彼此相对旋转的焊接工件间的摩擦顶锻力来控制焊接过程的热输入，可短时实现非常高的热输入功率并快速完成焊接过程；对于合金钢类零件的焊接，通过焊后热处理惯性摩擦焊接头强度可达到本体强度。
所述花键输出轴1位于整部件的一端，采用合金钢锻件制作；所述中部中空轴2位于整个部件的中间，为中空管状轴，采用合金钢无缝管制作；所述端部支撑轴3位于整个部件另一端，采用合金钢锻件制作；所述端部支撑轴3的中心设有通孔3a，将中部中空轴2的封闭中空空间与外部接通。其中，所述中部中空轴2的中空空间一方面能够实现工件的轻量化，另一方面中空空间可以提高散热效果；所述端部支撑轴3上设有通孔3a，该通孔3a的作用在于对中部中空轴2的封闭空间进行泄压，避免中部中空轴2在热处理过程中封闭空间的压力过大。进一步地，也可以在花键输出轴1上设置同样连通外部和封闭空间的通孔(图中未示出)，从而花键输出轴1和端部支撑轴3上的通孔形成对流，进一步提高了工件的散热效果。
所述花键输出轴1、中部中空轴2和端部支撑轴3可采用同种合金钢材质也可选择不同种合金钢材质；典型的实施例为：花键输出轴1、中部中空轴2和端部支撑轴3均采用42CrMo材料制作，其中，花键输出轴1和端部支撑轴3为锻件，中部中空轴2为无缝管。
本发明所述轻量化电机转子轴的制作方法，包括以下过程：
1、准备花键输出轴1、中部中空轴2和端部支撑轴3的半精加工部件(以下简称“第一部件、第二部件和第三部件”)：半精加工部件的外圆直径尺寸相比于净尺寸留余量0.2～1mm，所有半精加工部件的焊接面轴向尺寸均留焊接余量2mm～5mm(如图2所示)；
2、具体焊接流程：
(1)装载工件，将第二部件置于高效惯性摩擦焊接装备的中间固定夹紧座夹紧并固定，分别将第一部件和第三部件置于惯性主轴旋转端卡盘内，并固定夹紧；
(2)工件预顶，第一部件与第三部件由设备相关机构驱动同时向第二部件移动，直到第一部件和第三部件与第二部件的两侧端面接触并保持一定的端面接触应力(该解除应力根据工件的材料和直径等因素进行调整，一般应力范围为20-50MPa)，保持接触应力维持3～5秒；之后由相关机构带动第一部件和第三部件同步后退，使第一部件和第三部件的焊接面与第二部件的两侧待焊接面形成距离间隔约5mm；
(3)惯性主轴蓄能，由焊接设备主轴马达驱动主轴旋转体旋转，第一部件和第三部件分别置与两侧主轴旋转体内，主轴旋转体带动飞轮及第一部件和第三部件一起旋转，当主轴转速达到预设值(该预设值设置也需根据工件的材质和尺寸进行调整，设置范围为300-2000r/min)后，主轴马达停止能量输入，完成惯性主轴储能；
(4)顶锻摩擦，惯性主轴储能完成后，由于主轴马达停止能量输入，主轴的转速开始线性降低，第一部件与第三部件随主轴旋转并同时向第二部件移动，使第一部件和第三部件相对第二部件旋转并通过预设程序在两侧同步施加一定的顶锻力，顶锻力大小可以设定为恒定值(顶锻力大小设置范围为40-180MPa)，顶锻力也可进行调制，即设定不同的焊接阶段对应施加不同的顶锻力，具体可根据焊接材料特性而定；典型的合金钢之间的焊接，顶锻力可分2级设定，第一级顶锻力压强值为50～80MPa，持续时间为0.5～2秒，第二级顶锻力压强值为80～160MPa，持续到焊接结束(即主轴惯性旋转结束为焊接结束)；第一部件、第二部件和第三部件在顶锻力作用下彼此相对旋转摩擦产生焊接热量，同时主轴惯性储能随主轴转速下降而快速释放，整个摩擦作用过程一般在15秒内完成，直到主轴停止旋转。
(5)保压，顶锻摩擦结束后，即主轴停止旋转后，继续保压3～8秒，保压压力可与焊接顶锻力一致也可大于焊接顶锻力(一般不大于焊接顶锻力的20％)。
(6)工件卸载，保压结束后，首先通过旋转端卡盘分别释放第一部件和第三部件，之后由相关机构驱动两侧主轴同步后移，直到与工件完全脱离，最后通过固定夹紧座释放整个工件。
3、去除焊缝飞边，惯性摩擦焊后的工件焊缝处伴有挤出的飞边，焊接完成后上车床将飞边切削去除；
4、整体热处理，按照相关材料的热处理规范进行整体调质热处理，热处理目的为使焊缝及本体材料的性能达到使用的最优状态；
5、整体精加工完成制作，热处理完后的工件，按零件要求的净尺寸进行最后的精加工以获得最后使用的零件。

Claims (10)

1.一种轻量化电机转子轴，其特征是：包括花键输出轴(1)、中部中空轴(2)和端部支撑轴(3)，花键输出轴(1)和端部支撑轴(3)分布连接在中部中空轴(2)的两端部；所述中部中空轴(2)为中空管状轴，在花键输出轴(1)和/或端部支撑轴(3)上设有通孔，通孔将中部中空轴(2)的封闭中空空间与外部连通。
2.如权利要求1所述的轻量化电机转子轴，其特征是：所述花键输出轴(1)和端部支撑轴(3)分别采用惯性摩擦焊直接焊接在中部中空轴(2)的两端部。
3.如权利要求1所述的轻量化电机转子轴，其特征是：所述端部支撑轴(3)上的通孔设置于端部支撑轴(3)的中心。
4.如权利要求1所述的轻量化电机转子轴，其特征是：所述花键输出轴(1)上的通孔设置与花键输出轴(1)的中心。
5.如权利要求1所述的轻量化转子轴，其特征是：所述花键输出轴(1)和端部支撑轴(3)为锻件，中部中空轴(2)为无缝管。
6.一种轻量化电机转子轴的制作方法，其特征是，包括以下过程：
(1)准备花键输出轴、中部中空轴和端部支撑轴的半精加工部件，分别为第一部件、第二部件和第三部件；所述第一部件、第二部件和第三部件的焊接面轴向尺寸均保留焊接余量；
(2)分别固定夹紧第一部件、第二部件和第三部件；
(3)驱动第一部件和第三部件旋转至预设值进行储能后停止动力输入，使第一部件和第三部件依靠惯性继续旋转；
(4)在惯性旋转的同时第一部件和第三部件同步向第二部件移动，使第一部件和第三部件相对第二部件旋转，并在两侧同步施加顶锻力，直至焊接结束；
(5)进行保压，保压后进行焊缝处理、热处理和精加工，完成电机转子轴的制作。
7.如权利要求6所述的轻量化电机转子轴的制作方法，其特征是：所述半精加工部件的外圆直径保留余量0.2～1mm。
8.如权利要求6所述的轻量化电机转子轴的制作方法，其特征是：所述第一部件、第二部件和第三部件的焊接面轴向尺寸保留的焊接余量为2mm～5mm。
9.如权利要求6所述的轻量化电机转子轴的制作方法，其特征是：所述步骤(4)中施加顶锻力的大小为恒定值或者分级设定；设定为恒定值时，顶锻力为40-180MPa；分级设定时，每级设定顶锻力依次增加。
10.如权利要求6所述的轻量化电机转子轴的制作方法，其特征是：所述步骤(3)中，第一部件和第三部件旋转储能的转速预设值为300-2000r/min。
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