CN105710273A - 轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，其步骤为：（1）根据轿车旋锻轴尺寸和结构特性，确定旋锻制造锤头模具的基本参数、旋锻工序、周向进给运动以及毛坯和模具初始和最终接触角；（2）根据旋锻轴毛坯尺寸和旋锻产品特征，计算旋锻周向进给条件和周向进给过程中锤头模具锻打不重合条件，选择锻打频率、周向进给速度以及确定周向进给最小周期；（3）根据旋锻轴毛坯管径和模具尺寸，确定旋锻轴周向进给最小角度和周向进给角度范围；4）确定旋锻轴产品外表面直径的尺寸与圆度公差与周向锻打次数之间关系；（5）根据旋锻轴产品外表面直径的尺寸公差或圆度公差，确定旋锻轴旋锻过程中锻打次数、进给圈数、进给时间。

Description

轿车等速万向传动轴旋锻周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旋锻周向进给工艺参数确定方法。

背景技术

旋锻即旋转锻造，也叫径向锻造，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。特别是含芯棒旋锻时材料内外受三向压应力，尤其适用于难变形的高强度合金材料的成形，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。

旋锻周向进给工艺参数包括周向进给运动、周向进给速度以及周向进给角度等，旋锻周向进给工艺参数不但对旋锻轴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。

在国外的高技术和高水平高级轿车传动轴制造中广泛应用。轿车等速万向中间轴是利用无缝钢管通过无芯棒旋锻、含芯棒旋锻、渐开线花键成形等工艺形成的变截面、变厚度空心轴。无论是无芯棒旋锻还是含芯棒旋锻，旋锻过程中的周向进给工艺参数是保证旋锻产品尺寸和圆度质量的重要因素，旋锻周向进给工艺参数包括周向进给运动、周向进给速度以及周向进给角度等。

发明内容

本发明基于轿车旋锻轴产品旋锻工艺特征和旋锻轴产品尺寸和圆度质量要求等，提出了一种轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，该方法结合轿车旋锻轴特性提出了旋锻轴周向工艺参数制定方法，包括旋锻过程中周向进运动、周向进给速度以及周向进给角度等，对合理制定旋锻周向工艺参数、提高旋锻轴产品质量等具有重要的技术参考价值。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，其步骤为：

(1)根据轿车旋锻轴尺寸和结构特性，确定旋锻制造锤头模具的基本参数、旋锻工序、周向进给运动以及毛坯和模具初始和最终接触角；

(2)根据旋锻轴毛坯尺寸和旋锻产品特征，计算旋锻周向进给条件和周向进给过程中锤头模具锻打不重合条件，选择锻打频率、周向进给速度以及确定周向进给最小周期；

(3)根据旋锻轴毛坯管径和模具尺寸，确定旋锻轴周向进给最小角度和周向进给角度范围；

(4)确定旋锻轴产品外表面外径的尺寸与圆度公差与周向锻打次数之间关系；

(5)根据旋锻轴产品外表面外径的尺寸公差或圆度公差，确定旋锻轴旋锻过程中锻打次数、进给圈数、进给时间。

上述步骤(2)中，在旋锻过程中，每转锤头锻打次数可以根据锻打频率和工件周向运动计算，为了保证旋锻表面质量和圆度，每转锤头锻打次数不是锤头数的倍数，周向运动满足如式(1)

$\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\≠\frac{f}{mk}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω}t\end{array}---\left(1\right)$

式中，ω——周向运动速度；——周向进给角度；f——旋锻机锻打频率；m——锤头数；k——整数；t——周向进给时间。

上述步骤(3)中，根据旋锻最小周向进给周期，周向进给的最大角度小于旋锻周向进给的最小周期，对于在最小周期内，采用三道工序的周向进给角度范围分别为：

轴段I无芯棒旋锻：90°>θ>29°

轴段II含芯棒旋锻：90°>θ>30°

轴段III无芯棒旋锻：90°>θ>31°。

上述步骤(4)中，无论锤头模具是单圆弧或多圆弧或平面，旋锻成形的截面最终是正多边形或正花环形，旋锻后截面的正多边形或正花环形数即为旋锻锻打次数，旋锻后截面尺寸和圆度误差用正多边形的内接圆和外切圆的半径差表示，如式(2)所示

式中：δ——内外径之差，即尺寸公差或圆度；n——正多边形边数，等于锻打次数与锤头数之积；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。

本发明的有益效果是：该方法结合轿车旋锻轴特性提出了旋锻轴周向工艺参数制定方法，包括旋锻过程中周向进运动、周向进给速度以及周向进给角度等，对合理制定旋锻周向工艺参数、提高旋锻轴产品质量等具有重要的技术参考价值。

附图说明

图1为某轿车旋锻轴毛坯图；

图2为某轿车旋锻轴产品的结构与尺寸图；

图3为无芯棒式旋锻剖面图；

图4为图3的左视图；

图5为旋锻初始模具和毛坯的截面尺寸和角度，

其中：(a)为轴段I最小直径处，(b)为轴段III最小直径处，(c)为轴段II最小直径处；

图6为旋锻最终不同模具位置和毛坯的截面尺寸和角度，

其中：(a)为轴段I最小直径处，(b)为轴段III最小直径处，(c)为轴段II最小直径处。

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，毛坯和产品结构与主要尺寸如图1，2所示，它由等截面等壁厚的无缝钢管经过旋锻制造而成。为了描述方便，根据轿车旋锻轴的产品特征和旋锻成形工艺要求，把该轿车等速万向传动中间轴其分为三大部分，即轴段I、轴段II和轴段III。

(1)根据轿车旋锻轴尺寸和结构特性，确定旋锻制造锤头模具的基本参数、旋锻工序、周向进给运动以及毛坯和模具初始和最终接触角；

轿车等速万向传动轴旋锻锻造，毛坯尺寸一般在20-50mm之间，属于中小尺寸旋锻。对于本例毛坯尺寸，旋锻制造锤头模具基本参数选择：四个90°对称分布的模具锤头；锤头模具圆心角为90°；锤头锻打部位采用锻打质量较高的单圆弧形状，为了保证含芯棒和无芯棒旋锻质量，锤头模具旋锻完成时要求无芯棒旋锻4个锤头闭合以保证内外表面质量，含芯棒旋锻4个模具不闭合以防止轴向变形。

本例旋锻轴的具体结构，旋锻可分为三道工序，即变壁厚变截面的轴段Ⅰ和轴段Ⅲ的无芯棒多道次旋锻成形，轴段Ⅰ和轴段Ⅲ由于尺寸不同，模具不同；等壁厚轴段Ⅱ的含芯棒单道次旋锻拉拔成形。

以无芯棒旋锻为例，旋锻过程中锤头径向运动锻打毛坯，锤头和毛坯还有相对周向运动，本例中毛坯做周向进给运动，如图3，4所示，含芯棒旋锻除了锤头1的径向运动外还有轴向进给运动。为了防止锻打过程中扭曲变形，毛坯2锻打过程中，锤头和毛坯的相对周向运动停止；锤头和毛坯非接触过程中，锤头和毛坯相对周向运动进给，实现整个圆周锻打。本例中假定毛坯周向进给运动是匀速旋转运动。

本例中旋锻终了无芯棒旋锻模具闭合，含芯棒旋锻不闭合，图1，2中的旋锻轴旋锻分三套模具三道工序完成。开始旋锻以及旋锻结束时，模具和毛坯截面接触时的关键尺寸和角度如图5所示。其中，轴段I最小直径处(图5(a))，模具和毛坯的最小接触角30.5°、轴段III最小直径处(图5(b))，模具和毛坯的最小接触角29.5°、轴段II最小直径处(图5(c))，模具和毛坯的最小接触角29.8°。随着旋锻过程进给，工件外径逐渐减少，模具和工件的最小接触角逐渐增大。

旋锻结束后，模具位置和产品截面接触时的关键尺寸和角度如图6所示，轴段I最小直径处(图6(a))、轴段III最小直径处(图6(b))、轴段II最小直径处(图6(c))模具和关键的接触角达到最大分别为45°、45°、35°。

(2)根据旋锻轴毛坯尺寸和旋锻产品特征，计算旋锻周向进给条件和周向进给过程中锤头模具锻打不重合条件，选择锻打频率、周向进给速度以及确定周向进给最小周期；旋锻过程中，每转锤头锻打次数可以根据锻打频率和工件周向运动计算，为了保证旋锻表面质量和圆度，要求避免每转锤头锻打次数是锤头数的倍数，否则旋锻件截面多边形或花环形状的数量固定，旋锻精度较低。

对于本例中，假设周向进给为匀速运动，锤头数为4，周向运动速度ω，周向进给角度，则每转锤头锻打次数不应是锤头数倍数，周向运动满足如式(1)

$\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\≠\frac{f}{mk}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω}t\end{array}---\left(1\right)$

式中，f——旋锻机锻打频率；m——锤头数；k——整数；——周向进给角度；ω——周向运动速度；t——周向进给时间。

本例中，选择旋锻轴旋锻的锻打频率选择1200次/分钟，毛坯周向运动速度90rpm，每转锤头锻打次数不是锤头数的倍数；由于4个锤头旋锻的对称性，周向进给的最小周期为90°。

(3)根据旋锻轴毛坯管径和模具尺寸，确定旋锻轴周向进给最小角度和周向进给角度范围；

对于本例，如图5所示，三道旋锻工序中模具的锻打区域都大于非锻打区域，属于中小尺寸旋锻。为了保证旋锻的尺寸和圆度质量，每次的周向进给的条件是：每次锻打必须要有一定的重合度；根据模具和工件实际尺寸，下一次的锻打区域中尽可能全部包含上一次未锻打区域，对于本例全部包括上次未锻打区域。

从图5和图6可以看到，对于本例旋锻过程，无论是含芯棒旋锻III、还是无芯棒轴段I和II，模具锻打区域大于模具间隔区域，每次锻打后周向进给完全覆盖上次未锻打区域。无芯棒多道次旋锻，随着旋锻过程进行，工件直径逐渐减小，非旋锻区域对应角度也逐渐减少，旋锻周向进给的最小角度同样减小，直到最后模具锤头闭合，最小进给角度为零。无芯棒多道次旋锻可以用模具和毛坯初次接触角作为周向进给最小角度。

对于本例，三道工序的周向进给最小角度为初始状态下的非锻打区域所对应的角度，分别为：

轴段I无芯棒旋锻：29°

轴段II含芯棒旋锻：30°

轴段III无芯棒旋锻：31°根据旋锻最小周向进给周期，周向进给的最大角度小于旋锻周向进给的最小周期。对于本例，在最小周期内，三道工序的周向进给角度范围分别为：

轴段I无芯棒旋锻：90°>θ>29°

轴段II含芯棒旋锻：90°>θ>30°

轴段III无芯棒旋锻：90°>θ>31°

(4)确定旋锻轴产品外表面的尺寸与圆度公差与周向锻打次数之间关系；

无论锤头模具是单圆弧、多圆弧还是平面，旋锻成形的截面最终是正多边形或正花环形，对于正花环形其精度假设比正多边形高一倍。旋锻后截面的正多边形或正花环形数即为旋锻锻打次数，旋锻后截面尺寸和圆度误差可以用正多边形的内接圆和外切圆的半径差表示，如式(2)所示

式中：δ——内外径之差，即尺寸公差或圆度；n——正多边形边数，等于锻打次数与锤头数之积；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。

(5)根据旋锻轴产品外表面的尺寸公差或圆度公差，确定旋锻轴旋锻过程中锻打次数、进给圈数、进给时间；

无论是单道次还是多道次，根据周向锻打次数与旋锻轴尺寸和圆度公差要求之间的关系，确定最少锻打次数。

对于本例含芯棒单道次旋锻，旋锻产品半径的公称尺寸为32mm，利用式(2)可以计算得到圆度公差与正多边形边数之间关系如表1所示，

表1圆度公差与正多边形边数之间关系

根据表1的关系以及产品的尺寸和圆度公差对应关系，可以确定单道次旋锻所需要的最小多边形边数，进而得到同一位置处旋锻最小周向锻打次数。

本例中，旋锻现状为正花环形，假设产品尺寸精度等级选择7级精度，对应的尺寸公差25μm，则要保证尺寸精度，对于本例的正花环形结构周向进给次数至少是正多边形结构周向进给次数的一半，即55次，此时，圆度误差在13μm以下。

旋转进给圈数与周向进给角度有关，本例中，对于4模具锤头，按照周向进给极限90°计算，至少旋转进给圈数N可以有式(3)得到

$N=\frac{n}{m\×\frac{360}{\mathrm{\θ}}}---\left(3\right)$

式中：N——转动圈数；n——正多边形边数，对于正花环形可以取一半；m——锤头数,θ---周向进给角度。

本例中，N≈3.5转。

对于本例，周向进给速度为90rpm，则含芯棒旋锻周向进给完成时间至少2.4s。

Claims (4)

1.一种轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，其特征在于，其步骤为：

(1)根据轿车旋锻轴尺寸和结构特性，确定旋锻制造锤头模具的基本参数、旋锻工序、周向进给运动以及毛坯和模具初始和最终接触角；

(2)根据旋锻轴毛坯尺寸和旋锻产品特征，计算旋锻周向进给条件和周向进给过程中锤头模具锻打不重合条件，选择锻打频率、周向进给速度以及确定周向进给最小周期；

(3)根据旋锻轴毛坯管径和模具尺寸，确定旋锻轴周向进给最小角度和周向进给角度范围；

(4)确定旋锻轴产品外表面直径的尺寸与圆度公差与周向锻打次数之间关系；

(5)根据旋锻轴产品外表面直径的尺寸公差或圆度公差，确定旋锻轴旋锻过程中锻打次数、进给圈数、进给时间。

2.根据权利要求1所述的轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，其特征在于：上述步骤(2)中，在旋锻过程中，每转锤头锻打次数可以根据锻打频率和工件周向运动计算，为了保证旋锻表面质量和圆度，每转锤头锻打次数不是锤头数的倍数，周向运动满足如式(1)

$\begin{array}{c}\mathrm{\ω}\≠\frac{f}{mk}\\ \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω}t\end{array}---\left(1\right)$

式中，ω——周向运动速度；——周向进给角度；f——旋锻机锻打频率；m——锤头数；k——整数；t——周向进给时间。

3.根据权利要求1所述的轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，其特征在于：上述步骤(3)中，根据旋锻最小周向进给周期，周向进给的最大角度小于旋锻周向进给的最小周期，对于在最小周期内，采用三道工序的周向进给角度范围分别为：

轴段I无芯棒旋锻：90°>θ>29°

轴段II含芯棒旋锻：90°>θ>30°

轴段III无芯棒旋锻：90°>θ>31°。

4.根据权利要求1所述的轿车等速万向传动轴旋锻周向进给工艺参数确定方法，其特征在于：上述步骤(4)中，无论锤头模具是单圆弧或多圆弧或平面，旋锻成形的截面最终是正多边形或正花环形，旋锻后截面的正多边形或正花环形数即为旋锻锻打次数，旋锻后截面尺寸和圆度误差用正多边形的内接圆和外切圆的半径差表示，如式(2)所示

式中：δ——内外径之差，即尺寸公差或圆度；n——正多边形边数，等于锻打次数与锤头数之积；——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。