CN103861987B - 空心轴旋锻模具的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空心轴旋锻模具的设计方法，该模具包括多个模瓣，模瓣设计如下：根据空心轴最大外径D_max设计其毛坯无缝钢管的外径D，使D_max<D；根据空心轴最大外径处横截面积与毛坯无缝钢管横截面积相等，计算毛坯无缝钢管壁厚，并使毛坯无缝钢管长度与空心轴长度相等。使模瓣工作面上凸出的最高部位的直径d_min大于D。取A=d_min-D_min，D_min为空心轴最小外径；取空心轴第i段外径为D_i，计算模瓣工作面上相应圆弧面的直径d_i，使d_i=D_i+A；模瓣工作面上所有圆弧面的轴心线同轴。本发明使空心轴外部轮廓同时旋锻成形，从而使空心轴加工质量好、精度高，生产效率高、成本低。

Description

空心轴旋锻模具的设计方法

技术领域

本发明涉及模具设计技术领域，特别是涉及空心轴旋锻模具的设计方法。

背景技术

所属领域的技术人员知道，在材料相同、截面积相等的情况下，空心轴比实心轴的抗扭能力强，能够承受较大的外力矩；在相同的外力矩情况下，选用空心轴要比实心轴省材料。因此，空心轴相对于实心轴而言，有利于轴类零件的轻量化，提高轴类零件的扭转刚度。

中高端轿车的高性能等速万向传动轴总成包括固定端等速万向节、滑移端等速万向节以及连接于固定端等速万向节和滑移端等速万向节之间的传动轴。高性能的等速万向传动轴总成除了要求高速稳定地传递动力外，还有降低总成重量、减少振动和噪音传递、改善振动、提高舒适性等要求。考虑到整车布置，在整车设计中，对于长度不同的左右等速万向传动轴总成，只有通过提高较长的等速万向节传动轴总成的扭转刚度，使得不同长度的左右等速万向传动轴总成具有相同的扭转角度，才能更好地满足整车横向操控稳定性要求，改善传动系统的扭转振动，提高车辆舒适性。因此，相关技术人员已经开始将等速万向传动轴总成的传动轴设计成空心轴，以提高传动轴的扭转刚度，降低传动轴的扭转角度，同时还使等速万向传动轴总成的重量降低。

另外，还有很多其他用途的轴类零件，也都有提高扭转刚度、降低扭转角度，以及轻量化的要求，因此，空心轴得到越来越广泛的应用。现有技术的空心轴普遍采用空心管件焊接而成，焊接完成后还要通过切削加工成形，切削加工的工作量大，从而空心轴的生产成本高。目前，采用旋锻工艺加工空心轴成为空心轴加工的一个发展方向，旋锻工艺避免了空心轴的焊接及切削加工，使空心轴加工工艺简化，使空心轴的生产成本降低，然而现有技术中空心轴的旋锻模具往往只有单一形状的工作面，对于一些外部形状复杂的空心轴来说，需要针对空心轴复杂的外部形状设计出很多不同形状工作面的旋锻模具，每步工序利用一组旋锻模具加工出空心轴其中一段的工作面形状，因此对于外部形状复杂的空心轴来说，需要多道工序才能旋锻成形，因此生产效率低，生产成本依然较高；并且还会造成毛坯无缝钢管在旋锻过程中被压扁变形，导致旋锻成形的空心轴加工质量差、加工精度低，旋锻结束后，还要再进行切削加工以对空心轴进行修正。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种使外部形状复杂的空心轴生产效率高、生产成本低的空心轴旋锻模具的设计方法，以克服现有技术的上述缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种空心轴旋锻模具的设计方法，所述空心轴旋锻模具包括安装在旋锻设备的旋锻头、沿圆周均布的多个模瓣，所述模瓣的设计包括以下步骤：

A、取所述空心轴的最大外径为D_max，最大外径处的壁厚为t，最小外径为D_min，所述空心轴的长度为L；设计所述空心轴的毛坯无缝钢管的外径D，使D_max<D；由所述毛坯无缝钢管横截面面积与所述空心轴最大外径处的横截面面积相等，计算出所述毛坯无缝钢管的壁厚T；所述毛坯无缝钢管的长度与所述空心轴的长度相等，也为L；

B、根据所述毛坯无缝钢管的外径D，设计所述模瓣工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径，即所述模瓣工作面上各圆弧面的最小直径d_min，使d_min>D+1mm；

C、计算出所述模瓣工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径d_min与所述空心轴的最小外径D_min的差值A=d_min-D_min，并将所述模瓣工作面上凸出的最高部位的圆弧面的轴心线确定为所述模瓣工作面的回转轴心线；

D、取所述空心轴第i段的外径为D_i，计算所述模瓣工作面上相应圆弧面的直径d_i，使d_i=D_i+A；

E、设计所述模瓣工作面上各段圆弧面的轴向长度，保证所述模瓣工作面上各段圆弧面的长度与所述空心轴的相应段的长度相等；

F、设计所述模瓣两个径向侧平面，使所述模瓣的横截面为左右对称的图形，取所述模瓣的两个径向侧平面的交线为CC′,所述模瓣工作面上凸出的最高部位与所述CC′的间距应为D_min/2。

优选地，还包括以下步骤：

G、将所述空心轴旋锻模具的多个模瓣安装在旋锻设备的旋锻头上，设定好所述旋锻设备的转速、锤击频率、锤击进给量、锤击力，启动旋锻程序，利用所述空心轴旋锻模具将所述毛坯无缝钢管旋锻加工成所述空心轴的产品，利用检具检测所述产品的形位误差，针对所述产品不合格的地方相应地修正所述空心轴旋锻模具工作面。

优选地，取所述空心轴旋锻模具的模瓣数量为Z个，所述模瓣的两个径向侧平面的夹角为θ，即所述模瓣的轴向包容角为θ，则θ=360°÷Z。

优选地，2≤Z≤6。

优选地，D<D_max+8mm。

优选地，d_min<D+5mm。

如上所述，本发明的空心轴旋锻模具的设计方法，具有以下有益效果：

使外部形状复杂的空心轴通过一道工序即可旋锻成形，使空心轴的生产效率提高、生产成本降低；另外，因为空心轴各段的外侧面同时旋锻成形，避免了毛坯无缝钢管在旋锻过程中被压扁变形，从而使空心轴产品的加工质量好、加工精度高，避免了旋锻工艺结束后对空心轴产品外侧面的切削加工修正，进一步提高了空心轴的生产效率、降低了空心轴的生产成本。

附图说明

图1显示为本发明的空心轴的局部结构示意图。

图2显示为本发明的空心轴的毛坯无缝钢管的结构示意图。

图3显示为本发明的空心轴旋锻模具的主视剖视示意图。

图4显示为本发明的空心轴旋锻模具的侧视示意图。

元件标号说明

100     空心轴

D_max     空心轴的最大外径

t       空心轴最大外径处的壁厚

D_min     空心轴的最小外径

200     毛坯无缝钢管

D       毛坯无缝钢管的外径

T       毛坯无缝钢管的壁厚

300     模瓣

310     径向侧平面

d_min     模瓣工作面上各圆弧面的最小直径

θ      模瓣的轴向包容角

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

鉴于现有技术中，空心轴的旋锻模具往往只有单一形状的工作面，对于外部形状复杂的空心轴来说，需要设计出很多套不同形状工作面的旋锻模具，每步工序利用一套旋锻模具加工出空心轴其中一段的工作面形状，生产效率低，生产成本高；且还会造成毛坯无缝钢管在旋锻过程中被压扁变形，导致旋锻成形的空心轴加工质量差、加工精度低，旋锻结束后，还要再进行切削加工以对空心轴进行修正。本发明的发明人提供一种空心轴旋锻模具的设计方法，设计出与空心轴的复杂形状完全吻合地进行线接触的工作面，从而通过一道工序即能实现空心轴的加工成形，生产效率高、生产成本低，且加工质量好、加工精度高。

以下将通过具体实施例来对本发明的空心轴旋锻模具设计方法进行详细说明。

一种空心轴旋锻模具的设计方法，所述空心轴旋锻模具包括安装在旋锻设备的旋锻头、沿圆周均布的多个模瓣300，所述模瓣300的设计包括以下步骤：

A、如图1、图2所示，取所述空心轴100的最大外径为D_max，最大外径处的壁厚为t，最小外径为D_min，所述空心轴的长度为L；设计所述空心轴100的毛坯无缝钢管的外径D，使D_max<D；由所述毛坯无缝钢管200横截面面积与所述空心轴100最大外径处的横截面面积相等，计算出所述毛坯无缝钢管200的壁厚T；所述毛坯无缝钢管200的长度与所述空心轴100的长度相等，也为L；

因为所述毛坯无缝钢管200的外径D与所述空心轴100的最大外径D_max的差值越大，旋锻加工的工作量就越大，且不利于旋锻成形，所以，优选地，所述毛坯无缝钢管200的外径D还应满足以下要求：D<D_max+8mm。

B、如图2至图4所示，根据所述毛坯无缝钢管200的外径D，设计所述模瓣300工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径d_min，即所述模瓣300工作面上各圆弧面的最小直径d_min，使d_min>D+1mm；

因为所述模瓣300工作面上凸出的最高部位是用来实现空心轴100最小外径处的外表面的加工，为了有效地约束毛坯无缝钢管200在旋锻过程中的压扁变形，所述模瓣300工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径不宜太大，所以，优选地，所述模瓣300工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径d_min还应满足以下要求：d_min<D+5mm。

C、计算出所述模瓣300工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径d_min与所述空心轴100的最小外径D_min的差值A=d_min-D_min，并将所述模瓣300工作面上凸出的最高部位的圆弧面的轴心线确定为所述模瓣300工作面的回转轴心线HH′；

D、取所述空心轴100第i段的外径为D_i，计算所述模瓣300工作面上相应圆弧面的直径d_i，使d_i=D_i+A；

如图1、图3所示，采用旋锻工艺加工的所述空心轴100往往形状比较复杂，相应地，所述模瓣300的工作面往往包括有圆柱面、圆台面、圆环面等回转面，即所述模瓣300工作面上各段圆弧面可能是圆柱面的一部分、圆台面的一部分或者用于旋锻空心轴倒圆角的圆环面的一部分。所述模瓣300的工作面上任意一点处的回转直径都可以利用d_i=D_i+A，由相应地空心轴100的外径推算出来；以圆台面为例，由此计算得到的模瓣300的工作面上某处圆台面的斜度角为γ，相应的所述空心轴100的某处圆台面的斜度角为β，则γ=β。所以，在现实操作中，不必计算所述模瓣300的工作面的圆台回转面上各点的直径，只需以所述圆台面两端的端点划线，即可得到所述圆台面的设计尺寸：斜度角γ。同样的道理，所述空心轴100的某处倒圆角的半径为R，则相应的所述模瓣300的工作面上的圆环回转面半径r=R，从而不必计算所述模瓣300的工作面的圆环回转面上各点的直径。

E、设计所述模瓣300工作面上各段圆弧面的轴向长度，保证所述模瓣300工作面上各段圆弧面的长度与所述空心轴100的相应段的长度相等；以保证经过本发明的空心轴旋锻模具进行旋锻加工的所述空心轴100的形状符合设计要求；

F、设计所述模瓣300两个径向侧平面310，使所述模瓣300的横截面为左右对称的图形，取所述模瓣300的两个径向侧平面310的交线为CC′,所述模瓣300工作面上凸出的最高部位与所述CC′的间距应为D_min/2。

取所述空心轴旋锻模具的模瓣300数量为Z个，所述模瓣300的两个径向侧平面310的夹角为θ，即所述模瓣300的轴向包容角为θ，则优选地，θ=360°÷Z。这样的设计，是为了在所述空心轴100旋锻成形时，所述空心轴旋锻模具的各相邻模瓣300的径向侧平面310贴合，所述空心轴旋锻模具的各模瓣300工作面上各段圆弧面的内切圆直径即为空心轴相应位置的外径，使所述空心轴旋锻模具的各模瓣300有一个可靠的最终定位，避免旋锻不到位或旋锻过量造成空心轴100外径不符合设计要求、导致空心轴100的旋锻产品报废。

从所述模瓣300安装于旋锻设备旋锻头的工作量，以及有效地约束毛坯无缝钢管200在旋锻过程中的压扁变形、保证旋锻质量的角度考虑，优选地，2≤Z≤6。

因为所述空心轴100各比较长的轴段之间的连接段可能会有外表面既不是圆台面，也不是圆弧面的情况，形状复杂、不规则，将这样的连接段再细分成若干小段进行所述空心轴旋锻模具300工作面的相应回转直径计算，难免会使所述空心轴旋锻模具300工作面的形状产生误差；所以，优选地，本发明还包括以下步骤：

G、将所述空心轴旋锻模具的多个模瓣300安装在旋锻设备的旋锻头上，设定好所述旋锻设备的转速、锤击频率、锤击进给量、锤击力，启动旋锻程序，利用所述空心轴旋锻模具将所述毛坯无缝钢管200旋锻加工成所述空心轴100的产品，利用检具检测所述空心轴100产品的形位误差，针对所述空心轴100产品不合格的地方相应地修正所述空心轴旋锻模具工作面。

综上所述，利用本发明的空心轴旋锻模具的设计方法设计出来的空心轴旋锻模具，使外部形状复杂的空心轴通过一道工序即可旋锻成形，使空心轴的生产效率提高、生产成本降低；另外，因为空心轴各段的外侧面同时旋锻成形，避免了毛坯无缝钢管在旋锻过程中被压扁变形，从而使空心轴产品的加工质量好、加工精度高，避免了旋锻工艺结束后对空心轴产品外侧面的切削加工修正，进一步提高了空心轴的生产效率、降低了空心轴的生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种空心轴旋锻模具的设计方法，所述空心轴旋锻模具包括安装在旋锻设备的旋锻头、沿圆周均布的多个模瓣(300)，其特征在于，所述模瓣(300)的设计包括以下步骤：

A、取所述空心轴(100)的最大外径为D_max，最大外径处的壁厚为t，最小外径为D_min，所述空心轴(100)的长度为L；设计所述空心轴(100)的毛坯无缝钢管(200)的外径D，使D_max<D<D_max+8mm；由所述毛坯无缝钢管(200)横截面面积与所述空心轴(100)最大外径处的横截面面积相等，计算出所述毛坯无缝钢管(200)的壁厚T；所述毛坯无缝钢管(200)的长度与所述空心轴(100)的长度相等，也为L；

B、根据所述毛坯无缝钢管(200)的外径D，设计所述模瓣(300)工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径，即所述模瓣(300)工作面上各圆弧面的最小直径d_min，使D+1mm<d_min<D+5mm；

C、计算出所述模瓣(300)工作面上凸出的最高部位的圆弧面直径d_min与所述空心轴(100)的最小外径D_min的差值A＝d_min-D_min，并将所述模瓣(300)工作面上凸出的最高部位的圆弧面的轴心线确定为所述模瓣(300)工作面的回转轴心线；

D、取所述空心轴(100)第i段的外径为D_i，计算所述模瓣(300)工作面上相应圆弧面的直径d_i，使d_i＝D_i+A；

E、设计所述模瓣(300)工作面上各段圆弧面的轴向长度，保证所述模瓣(300)工作面上各段圆弧面的长度与所述空心轴(100)的相应段的长度相等；

F、设计所述模瓣(300)两个径向侧平面，使所述模瓣(300)的横截面为左右对称的图形，取所述模瓣(300)的两个径向侧平面的交线为CC′,所述模瓣(300)工作面上凸出的最高部位与所述CC′的间距应为D_min/2。

2.根据权利要求1所述的空心轴旋锻模具的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：

G、将所述空心轴旋锻模具的多个模瓣(300)安装在旋锻设备的旋锻头上，设定好所述旋锻设备的转速、锤击频率、锤击进给量、锤击力，启动旋锻程序，利用所述空心轴旋锻模具将所述毛坯无缝钢管(200)旋锻加工成所述空心轴(100)的产品，利用检具检测所述产品(100)的形位误差，针对所述产品(100)不合格的地方相应地修正所述空心轴旋锻模具工作面。

3.根据权利要求1或2所述的空心轴旋锻模具的设计方法，其特征在于：取所述空心轴旋锻模具的模瓣(300)数量为Z个，所述模瓣(300)的两个径向侧平面的夹角为θ，即所述模瓣(300)的轴向包容角为θ，则θ＝360°÷Z。

4.根据权利要求3所述的空心轴旋锻模具的设计方法，其特征在于：2≤Z≤6。