CN114669699A - 一种扭力轴制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扭力轴制造方法，包括以下具体步骤：退火，将雏形扭力轴加热至第一温度的450‑550℃，进行退火，去除雏形扭力轴的应力；预热，以3‑6℃/s的第一加热速率将雏形扭力轴加热至第二温度的710‑790℃；淬火，以1‑2℃/s的第二加热速率将雏形扭力轴加热至第三温度的840‑890℃，对雏形扭力轴进行淬火；冷却，将雏形扭力轴的温度冷却至第四温度的40‑60℃后，第二次保温4‑6h；回火，将雏形扭力轴加热至第五温度的220‑400℃，进行回火处理，得到成型扭力轴。本发明制作的扭力轴具有良好的表面应力分布，较高的强度和疲劳寿命，不仅提高了材料性能和提高疲劳强度，而且节省加工工序，节省材料和劳动力。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工领域，具体地涉及一种扭力轴制造方法。
背景技术
扭力轴是车辆悬挂装置中的弹性零件，轴的一端在车体内固定不动，另一端在平衡肘内固定，所以在车辆行驶时碰到障碍时，平衡肘旋转使扭力轴扭转，由于轴的扭转使车辆受到的撞击和震动减弱。
扭力轴的传统制造工艺为锻造、机加、热处理和后续精加工工序。传统的热处理是在持续加热到一定高温后进行淬火处理，淬火温度高达890℃，能源浪费极大，也存在长时间处于高温中，作业危险性较高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种扭力轴制造方法，制作的扭力轴具有良好的表面应力分布，较高的强度和疲劳寿命，不仅提高了材料性能和提高疲劳强度，而且节省能源和提高作业安全性。
本发明提供了一种扭力轴制造方法，包括以下具体步骤：
退火，将雏形扭力轴加热至第一温度的450-550℃，进行退火，去除雏形扭力轴的应力；
预热，以3-6℃/s的第一加热速率将雏形扭力轴加热至第二温度的710-790℃；
淬火，以1-2℃/s的第二加热速率将雏形扭力轴加热至第三温度的840-890℃，对雏形扭力轴进行淬火；
冷却，将雏形扭力轴的温度冷却至第四温度的40-60℃后，第二次保温4-6h；
回火，将雏形扭力轴加热至第五温度的220-400℃，进行回火处理，
得到成型扭力轴。
进一步的，冷轧，将毛坯棒进行冷轧成型为雏形扭力轴。
进一步的，在冷轧之后还具有对雏形扭力轴进行镦粗处理。
进一步的，对雏形扭力轴退火后，对雏形扭力轴进行第一调直处理。
进一步的，在对雏形扭力轴进行淬火时，采用油淬。
进一步的，在将雏形扭力轴加热至第三温度后，第一次保温1-2h，进行淬火。
进一步的，在对雏形扭力轴回火后，进行第二调直处理，得到扭力轴。
进一步的，毛坯棒采用合金钢为45CrNiMoVA。
采用本发明的技术方案，通过两阶段的热处理方式来提高材料性能，明显提高疲劳强度，不仅提高了材料性能和提高疲劳强度，而且节省能源和提高作业安全性。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本发明各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：
图1是本实施例的冷轧设备的结构示意图；
图2是本实施例的成品扭力轴的示意图；
其中，图1至图2中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
1轧辊，2毛坯棒，3从动夹紧轴，4驱动轴，5成品扭力轴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
【实施方式】
下面参照图1来描述本优选实施方式提供的一种扭力轴制造方法，包括：材料准备：选取合金钢为45CrNiMoVA的毛坯棒材料，将毛坯棒根据扭力轴的长度需要进行锯切，得到预处理的毛坯棒；冷轧准备：将预处理的毛坯棒放入冷轧设备：将毛坯棒放置在对称设置的两个轧辊中间，两个轧辊靠近夹紧毛坯棒，毛坯棒的两端分别连接从动夹紧轴和驱动轴；冷轧成型：驱动轴沿着轴线进行前后运动，毛坯棒在轧辊夹紧状态下随着驱动轴进行前后运动，毛坯棒变形伸长到所需的最终长度，轧辊松开得到雏形扭力轴；从动夹紧轴的长度随着毛坯棒的伸长而缩短长度；粗加工：将雏形扭力轴的两端进行镦粗处理；退火：将雏形扭力轴加热至第一温度的450-550℃，进行退火，去除雏形扭力轴的应力；第一次调直：退火后进行第一次调直；预热：以3-6℃/s的第一加热速率将雏形扭力轴加热至第二温度的710-790℃；淬火：以1-2℃/s的第二加热速率将雏形扭力轴加热至第三温度的840-890℃，对雏形扭力轴进行淬火，第一次保温1-2h；冷却：将雏形扭力轴的温度冷却至第四温度的40-60℃后，第二次保温4-6h；回火：将雏形扭力轴加热至第五温度的220-400℃，进行回火处理，得到成型扭力轴。
为了得到具有更高使用强度的扭力轴，进一步进行成品加工处理：将成型扭力轴进行第二次调直、花键加工，如图2所示，最后进行预扭，形成塑性变形，得到成品扭力轴。
通过上述处理后，所得到的成品扭力轴，在硬度、屈服硬度、抗拉强度、断后伸长率、端面收缩率、冲击吸收能等各方面的机械性能均具有提高且均衡性优异。
为了使扭力轴具有更好的耐候性，可以进一步对成品扭力轴进行磨削、磷化等表面处理工序，
在上述优选实施方式中，镦粗处理是根据扭力轴产品的长度和花键规格要求进行镦粗处理：将雏形扭力轴送进镦粗机，设置加粗缩短量进行镦粗加工。
在上述优选实施方式中，采用油淬进行淬火处理，也可以采用其他方式进行。
在上述优选实施方式中，预扭：将成型扭力轴进行80°～90°的强扭，连续强扭三次，使其塑性变形达到20-30°。也利用预扭检验扭力轴经过热处理后表面质量和各种表面强化工艺的效果。
在上述优选实施方式中，毛坯棒料材料为φ40-50mm。毛坯棒的选择根据冷轧设备、实际需要进行选择。
在上述优选实施方式中，毛坯棒到扭力轴的冷轧变形变量为20-50％。
在上述优选实施方式中，在第一温度的450-550℃进行退火，可提高扭力轴的性能，金属材料的可塑性增加40-60％，循环寿命增加50-65％。性能的增加是由于马氏体的结构状态发生变化，其分散性和同质性增加，由于冷变形和随后的多边化过程中的结构变化，原碳化物更易完全溶解；
在第一温度低于450℃，进行退火会降低扭力轴的性能：扭力轴的可塑性降低30％，循环寿命降低50％，这是由于形成结晶体边缘的粗结构并减少分散的原因；
在第一温度高于550℃，进行退火会降低扭力轴的性能：扭力轴的可塑性降低18％，循环寿命降低40％，这是由于冷变形金属的再结晶的原因。
在上述优选实施方式中，采用的两阶段的加热速率进行热处理，第一阶段以3-5℃/s的第一加热速率加热到第二温度，第二阶段以1-2℃/s的第二加热速率从第二温度加热到第三温度；
在加热到第二温度时，以3-5℃/s的第一加热速率进行，第一阶段高速加热有效消除了冷塑性变形后钢坯颗粒的再结晶生长倾向：
在第一加热速率低于3℃/s时，冷变形金属的再结晶过程将得到发展，其强度和硬度会有明显下降；
在第一加热速率高于6℃/s时，加热速率过高，表面温度比芯部温度要高，无法保证扭力轴横截面温度均匀度；
以1-2℃/s的第二加热速率从第二温度加热到第三温度，以确保沿扭力轴横截面进行均匀加热和获得均匀结构：
在第二加热速率低于1℃/s时，扭力轴不仅弹性特性降低，奥氏体晶粒(集体再结晶)的生长差异增加，而且由于从层表面密集热量损失，整个部分的温度显著下降；此外，在较低的加热速率，零件表面脱碳，表面脱碳层较深的情况下需要后续磨削，但是磨削加工会导致扭力轴表面产生残余拉应力，降低其使用寿命；
在第二加热速率超过2℃/s时，过高的速率会导致在扭力轴上扭转期间弹性特性和可塑性下降。由于原碳化物的不完全溶解，不能确保同质的奥氏体的产生，这导致大量层状马氏体的形成及其异质性程度的增加。
在上述优选实施方式中，采用特定的两阶段的加热速率进行热处理，沿着扭力轴横截面提供均匀的马氏体结构，可以针对多种合金钢材进行热处理和成型，均获得良好的机械性能的扭力轴，优选使用合金钢为45CrNiMoVA的毛坯棒材料。
【实施例和对比例】
根据上述优选实施方式的扭力轴制造方法，以45CrNiMoVA合金钢作为毛坯棒材料，制作实施例和对比例的扭力轴，以确定不同温度、加热速率对所制造的扭力轴的机械性能造成的影响。
结合表1的实施例1-6和对比例1-2进行说明在不同温度和加热速率的制作条件下，扭力轴的性能指标试验结果见下表1：
采用直径为40mm的毛坯棒，进行锯切得到长度为1680mm的毛坯棒；具体的制造方法：采用第一加热速率加热到第二温度，采用第二加热速率加热到第三温度，在第一保温时间内进行第四温度50℃下的保温1.5h，在第二保温时间内进行第五温度下的保温5h，在第五温度下进行回火；最后成型扭力轴的各种性能指标综合性能如表1所示。
【表1】
由表1可以看出，在实施例1-6中，可得出扭力轴的外观较好，没有脱碳现象的产生，其性能指标数据如下：硬度为53-56HRC；屈服硬度为1530-1600MPa；抗拉强度为1830-1900MPa；断后伸长率为6-8％；端面收缩率为17-20％；冲击吸收能为15-17J，各方面机械性能良好且均有提高，均衡性优异。
具体的，实施例3的扭力轴制作工艺为：采用5℃/s的第一加热速率加热到第二温度745℃，采用1.5℃/s的第二加热速率加热到第三温度860℃，得到的性能数据：硬度为56HRC；屈服硬度为1600MPa；抗拉强度为1900MPa；断后伸长率为8％；端面收缩率为20％；冲击吸收能为17J，与其他实施例相比，可见，实施例3是实施例中的最优，各方面机械性能都比较好。
在实施例4中，与实施例3相比，采用相同的第一加热速率和第二加热速率，只是加热温度有所下降，实施例3制造的扭力轴在性能上出现不同程度的下降，可见加热温度对扭力轴的制作起到重要的影响作用。
在实施例2中，与实施例3相比，采用相同的第二温度和第三温度，只是采用不同的第一加热速率和第二加热速率，实施例2制造的扭力轴也出现了不同程度的下降，可见加热速率直接影响扭力轴的内部结构，使其性能发生变化。
通过实施例1-6之间的加热温度和加热速率的不同，得到各性能不同的扭力轴，但是基本上都在性能要求(根据国家标准、行业标准等)之内，不会出现质量不合格的扭力轴。
然而，对比例1在预热温度(第二温度)低于710℃，淬火温度(第三温度)低于840℃的情况下，在扭力轴的表面出现了脱碳现象，影响扭力轴外观，且屈服硬度、断面伸长率和收缩率都呈现明显下降的趋势；
对比例2在预热温度(第二温度)高于790℃，淬火温度(第三温度)高于890℃的情况下，虽扭力轴表面没有脱碳发生，外观良好，屈服硬度也达到1580MPa的水平与实施例4持平，但是在硬度、抗拉强度、断面伸长率均出现有明显下降的趋势；
对比例3在预热温度(第二温度)低于710℃，淬火温度(第三温度)处于840-890℃的情况下，虽扭力轴表面没有脱碳发生，但其他性能均出现了明显下降的趋势。
由表1可得，实施例1-6与对比例1-2相比，采用相同的处理方式，只是将第一加热温度和第二加热温度及第五温度均提高或是下降的情况下，扭力轴的各项指标均有下降的趋势，从而断定在两阶段加热的过程中，第一阶段和第二阶段的加热温度，并不是越高越好，两阶段的温差也要达到一定平衡才能得到性能好的扭力轴，温度高低直接影响金属内部结构的变化，从而影响整体性能。由此可见，本发明的制造方法提高了扭力轴的综合性能，更加节省能源，更加容易实现。
在上述实施例中，扭力轴的制造采用冷轧设备进行冷轧成型，此处的冷轧设备如图1所示，包括：轧辊1、从动夹紧轴3、驱动轴4；其中，从动夹紧轴3和驱动轴4分别连接毛坯棒2两端；轧辊1活动对称设置在毛坯棒2两侧，用于夹紧/松开毛坯棒2。
在上述实施例中，从动夹紧轴3为弹性伸缩结构，用于补偿毛坯棒2在变形伸长前与伸长后的长度差值。
在上述实施例中，毛坯棒2的一端先与从动夹紧轴3固定连接，另一端与驱动轴4连接；根据毛坯棒2的直径大小选择合适的轧辊1，在毛坯棒的两侧对称设置轧辊1，两个轧辊1配合，在毛坯棒上进行夹紧作业；驱动轴4进行前后的位移作业，带动毛坯棒2在两个轧辊1之间进行前后移动，从而在夹紧力的作用下，进行长度的增加；随着毛坯棒2的长度增加，从动夹紧轴3逐渐收缩变短，用于补偿毛坯棒2因夹紧变形而伸长的长度。等毛坯棒2冷轧成型后，驱动轴4停止作业，两个轧辊2张开，取出雏形扭力轴即可。
本发明的扭力轴成型工艺，通过冷轧成型的设备，将扭力轴从比已知方法长度更短的圆柱形柱形向所需的尺寸延伸，并在滚动过程中将其扩展到扭动轴所需的最终长度；通过热处理的两阶段加热处理方式来提高材料性能，明显提高疲劳强度；采用本发明的制造方法，制作的扭力轴具有良好的表面应力分布，较高的强度和疲劳寿命，不仅提高了材料性能和提高疲劳强度，而且节省能源和提高作业安全性。
以上对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明说明书的描述中，术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本发明说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上仅为本发明的优选实施，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在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 (8)
1.一种扭力轴制造方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
退火，将雏形扭力轴加热至第一温度的450-550℃，进行退火，去除雏形扭力轴的应力；
预热，以3-6℃/s的第一加热速率将雏形扭力轴加热至第二温度的710-790℃；
淬火，以1-2℃/s的第二加热速率将雏形扭力轴加热至第三温度的840-890℃，对雏形扭力轴进行淬火；
冷却，将雏形扭力轴的温度冷却至第四温度的40-60℃后，第二次保温4-6h；
回火，将雏形扭力轴加热至第五温度的220-400℃，进行回火处理，
得到成型扭力轴。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，包括，
冷轧，将毛坯棒进行冷轧成型为所述雏形扭力轴。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，
在冷轧之后还具有对所述雏形扭力轴进行镦粗处理。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
对雏形扭力轴退火后，对所述雏形扭力轴进行第一调直处理。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
在对雏形扭力轴进行淬火时，采用油淬。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
在将雏形扭力轴加热至第三温度后，第一次保温1-2h，进行淬火。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，
在对所述雏形扭力轴回火后，进行第二调直处理，得到扭力轴。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述毛坯棒采用合金钢为45CrNiMoVA。
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