CN107442725B - 无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，其步骤为：（1）根据无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状确定最大径向进给量；（2）根据无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量；（3）根据最大和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次；（4）根据临界变形形状和内外圆度质量确定周向最佳进给量和周向进给周期；（5）根据无芯棒旋锻内外圆度质量改善情况确定周向进给道次；（6）确定无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的径向和周向进给次序。通过控制无芯棒旋锻径向和周向工艺进给参数来满足无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠缺陷，提高旋锻轴产品的疲劳强度和疲劳寿命。

Description

无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法

技术领域

本发明涉及一种无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，尤其是一种用于变截面变壁厚承受复杂载荷的空心轴管旋锻成形内外圆度质量控制和避免旋锻折叠缺陷控制，属于无芯棒旋锻内外圆度质量控制技术领域。

背景技术

旋锻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，是轿车传动轴制造和身管制造中的最先进、技术水平最高的成形方法之一。旋锻轴旋锻成形包括含芯棒的等截面等壁厚的缩径减壁厚拉拔成形过程和无芯棒变截面变壁厚缩径增璧厚径向流动过程。含芯棒旋锻过程由于芯棒的支持坯料内外受压，几何质量容易保证，含芯棒旋锻径向进给一般单道次。无芯棒旋锻坯料外表面受压、内表面受拉且自然成形、能够成形变截面变壁厚结构，含芯棒旋锻为了保证旋锻效率和旋锻几何质量，无芯棒一般是径向进给量呈现递减的多道次径向进给，而且径向进给和周向进行交错进行。无芯棒旋锻径向进给时，坯料主要产生径向金属流动，坯料主要是径向变形，模具的形状可以预防旋锻时轴向金属流动。

旋锻轴无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法是通过控制径向进给道次、最大径向进给量、最小径向进给量、最佳周向进给量和周向进给道次来实现。当无芯棒旋锻出现内外圆度误差过大，特别是出现旋锻折叠缺陷时，后续的旋锻会加剧折叠现象，结果会导致旋锻轴的疲劳强度和疲劳寿命大幅度下降，难以满足产品耐久性要求。因此，需要设计一种旋锻轴无芯棒旋锻内外圆度质量和避免折叠控制方法，通过无芯棒旋锻径向进给工艺参数来进行控制的，无芯棒旋锻进给工艺参数主要包括最大径向进给量、最小径向进给量、径向进给道次、最佳周向进给量和周向进给道次等。

发明内容

本发明是要提供一种无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，利用建立的无芯棒旋锻工艺进给参数与无芯棒旋锻内外圆度和临界折叠之间的内在关系，通过控制无芯棒旋锻工艺进给参数来实现无芯棒旋锻内外圆度质量和避免折叠控制，进而提高旋锻轴产品的疲劳强度和疲劳寿命。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，其步骤为：

(1)根据无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状确定最大径向进给量

无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状是旋锻变形的凸形和凹形分界形状，在模具、坯料和材料确定的情况下，随着径向进给量的不断增加，坯料旋锻变形呈现由圆——到凸形——到临界形——再到凹形三种形状，用弹塑性有限元仿真方法，通过研究和计算无芯棒旋锻的变形形状和变形特征，仿真得到无芯棒旋锻内外圆处于旋锻临界几何形状时的最大旋锻变形量和无芯棒旋锻几何临界径向进给量之间的对应关系；

(2)根据无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量

无芯棒旋锻的内外圆度质量是旋锻进给后内外圆变形的内接圆和外切圆的半径之差，用弹塑性仿真方法，径向进给下内外圆度质量等于旋锻轴内外圆设计公差时的进给量作为满足无芯棒旋锻内外圆度质量的最小进行进给量；

(3)根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次

在模具相同的情况下，随着无芯棒旋锻的进行，最大径向进给量随着坯料外径不断减少而发生变化，用弹塑性有限元仿真方法，简化实际无芯棒径向进给过程，按照坯料尺寸的缩减进行分段径向进给，即一定的坯料尺寸范围内的单道次最大径向进给量相同，单道次最大径向进给量取该段尺寸范围内产生旋锻临界变形的最大径向进给量组中的最小值，这样的进给方式不但简化径向进给运动，而且可以保证径向进给过程不会产生旋锻折叠缺陷；坯料的每段尺寸范围与该段最大径向进给量之比为该段尺寸下的最少径向进给道次，根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次的目的是避免无芯棒旋锻过程中出现径向进给过大而产生旋锻折叠和圆度质量问题；同时可以避免径向进给过小出现旋锻效率低下问题；

(4)根据临界变形形状和内外圆度质量确定最佳周向进给量和周向进给周期

无芯棒旋锻过程是一个连续径向和周向进给过程，最大径向进给量受到临界旋锻变形形状和内外圆度质量的影响，周向进给量是根据径向进给变形形状进行确定，周向进给的目的是确保后续的径向进给不会加剧恶化临界变形形状和内外圆度质量；周向最佳进给量是保证后续的径向最大变形发生在前次径向变形的最小位置处；周向进给周期可以根据模具和坯料结构对称性以及旋锻变形决定；

(5)根据无芯棒旋锻内外圆度质量改善情况确定周向进给道次

无芯棒旋锻内外圆圆度质量可以通过多次周向进给来改善，用弹塑性有限元仿真方法，通过不同的周向进给道次，仿真得到无芯棒旋锻内外圆圆度质量改善程度来确定周向进给道次；

(6)确定无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的径向和周向进给次序

为了满足无芯棒旋锻过程中的内外圆度质量，避免旋锻变形超越旋锻临界变形进入到凹形形状而产生旋锻折叠缺陷，需要制定无芯棒旋锻的径向和周向进给次序。无芯棒旋锻的的径向和周向进给次序为在相同的径向进给下进行周向进给，旋锻的内外圆度质量改善后，再进行下道次径向进给以及周向进给。

步骤(1)中，采用的坯料外径为37mm，内径为27mm，通过弹塑性有限元仿真得到无芯棒径向径给量为0.55mm时的内外圆几何形状约为内外圆临界折叠形状，无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状的最大径向进给量为0.55mm。

步骤(2)中，通过多次有限元仿真，当径向进给量为0.1mm时，旋锻内外圆圆度质量在规定的公差0.08mm范围内，无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量为0.1mm。

步骤(4)中，原始坯料的最佳周向进给量为45°；原始坯料是圆料，呈对称性，旋锻模具四个，呈90°分布，旋锻最佳周向进给量周期为45°的倍数。

本发明的有益效果是：

本发明的无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，通过无芯棒旋锻径向进给工艺参数来进行控制的，无芯棒旋锻进给工艺参数主要包括最大径向进给量、最小径向进给量、径向进给道次、最佳周向进给量和周向进给道次等。利用建立的无芯棒旋锻工艺进给参数与无芯棒旋锻内外圆度和临界折叠之间的内在关系，通过控制无芯棒旋锻工艺进给参数来实现无芯棒旋锻内外圆度质量和避免折叠控制，进而提高旋锻轴产品的疲劳强度和疲劳寿命。

附图说明

图1为无芯棒旋锻进给过程、模具和坯料接触状态图；

(a)主视图，(b)侧视图，(c)模具和坯料接触状态；

图2为原始坯料典型的内外圆旋锻变形形状；

(a)凸形，(b)临界形，(c)凹形；

图3为不同的周向进给次数与内表面圆度关系图；

图4为本发明的无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法流程框图。

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。

实例：以某轿车等速万向传动中间轴旋锻为对象，材料为25CrMo4，它由等截面等壁厚的无缝钢管经过无芯棒和含芯棒旋锻制造而成。无芯棒旋锻过程中，4瓣模具1径向运动锻打坯料2，变截面变壁厚由模具结构决定，坯料2做周向运动进行周向进给，径向进给和周向进给交替进行，无芯棒旋锻进给过程和模具结构图如图1(a)，(b)，(c)所示。

旋锻轴的原始坯料是等截面等壁厚的无缝钢管，外径为37mm、壁厚5mm、短轴长度为 357mm。坯料的材料特性分别是屈服强度小于400MPa、抗拉强度小于630MPa、表面硬度小于190HV。

无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，如图4所示，包括以下步骤：

1、根据无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状确定最大径向进给量

在无芯棒旋锻过程中，最大径向进给量与坯料的材料性能、坯料的结构和尺寸、模具的结构和尺寸紧密相关，为了提高效率采用较大的径向进给。但无芯棒旋锻径向进给过大，旋锻变形为凹形时，后续旋锻会出现旋锻折叠现象；无芯棒旋锻径向进给适当时，旋锻变形为凸形时，后续旋锻不会出现旋锻折叠缺陷。旋锻变形的凸形和凹形分界形状为无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状，在模具、坯料和材料确定的情况下，随着径向进给量的不断增加，坯料旋锻变形呈现由圆——到凸形——到临界形——再到凹形三种形状，如图2(a)，(b)，(c) 所示，图中为了观察方便，旋锻变形放大了10倍。

旋锻变形为凸形和临界形时，不会发生旋锻折叠；旋锻变形为凹形时，后续旋锻会发生旋锻折叠，而且不能被修复。无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状仅与径向进给相关。本发明提出用弹塑性有限元仿真方法，通过研究和计算无芯棒旋锻的变形形状和变形特征，仿真得到无芯棒旋锻内外圆处于旋锻临界几何形状时的最大旋锻变形量和无芯棒旋锻几何临界径向进给量之间的对应关系；

对于本例，坯料外径37mm，内径27mm，弹塑性有限元仿真得到本例无芯棒径向径给量为0.55mm时的内外圆几何形状约为内外圆临界折叠形状。因此，本例无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状的最大径向进给量为0.55mm。

2、根据无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量

无芯棒旋锻的最小径向进给量影响旋锻效率，最小径向进给量越小，旋锻效率越低。理论上无芯棒旋锻下的最小径向进给量是旋锻过程中坯料只产生弹性变形而没有塑性变形的最大径向进给量。无芯棒旋锻的内外圆度质量是旋锻进给后内外圆变形的内接圆和外切圆的半径之差，无芯棒旋锻的圆度质量可以通过多次周向进给部分消除。

本发明提出无芯棒径向进给下内外圆度质量等于内外圆度设计公差时的径向进给量称为保证无芯棒旋锻内外圆度质量的最小进给量，该最小径向进给量下会发生一定的塑性变形，并且能够通过多次周向进给进一步提高内外圆度质量。考虑到弹塑性变形和旋锻周向多次进给部分提高旋锻圆度质量，理论上通过内外圆圆度质量求解最小径向进给量非常困难，甚至不可能。本发明提出通过弹塑性仿真方法，径向进给下内外圆度质量等于旋锻轴内外圆设计公差时的进给量作为满足无芯棒旋锻内外圆度质量的最小进行进给量。

对于本例，如果圆度质量公差为0.08mm，通过有限元仿真，当径向进给经为0.1mm时，旋锻内外圆圆度质量在规定的公差范围内。因此，本例无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量为0.1mm。

3、根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次

根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次的目的是避免无芯棒旋锻过程中出现径向进给过大产生折叠和圆度质量问题、避免径向进给过小出现旋锻效率低下问题。随着无芯棒旋锻的进行，坯料的材料特性、坯料结构尺寸都会发生变化，无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状会随着坯料的结构尺寸变化而变化。无芯棒旋锻径向进给道次的确定是保证在任意情况下无芯棒旋锻内外圆不出现临界折叠形状。由于求解根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次的理论求解非常困难，甚至不可能。本发明提出通过弹塑性有限元仿真方法并简化了实际无芯棒径向进给过程，按照坯料尺寸的缩减进行分段径向进给，即一定的坯料尺寸范围内的单道次最大径向进给量相同，单道次最大径向进给量取该段尺寸范围内产生旋锻临界变形的最大径向进给量组中的最小值。这样的进给方式不但简化径向进给运动，而且可以保证径向进给过程不会产生旋锻折叠缺陷。坯料的每段尺寸范围与该段最大径向进给量之比为该段尺寸下的最少径向进给道次。

对于本例，根据原始坯料下的最大径向进给量0.55mm和最小径向进给量0.1mm，通过弹塑性有限元分析方法，确定保证无芯棒旋锻质量、避免旋锻折叠的径向进给量和径向进给道次如表1所示。

表1无芯棒旋锻径向进给工艺参数

4、根据临界变形形状和内外圆度质量确定最佳周向进给量和周向进给周期

无芯棒旋锻过程是一个连续径向和周向进给过程，最大径向进给量受到临界旋锻变形形状和内外圆度质量的影响，周向进给量是根据径向进给变形形状进行确定，周向进给的目的是确保后续的径向进给不会加剧恶化临界变形形状和内外圆度质量。周向最佳进给量是后续径向最大变形发生在前次径向变形的最小位置处；周向进给周期可以根据模具和坯料结构对称性以及旋锻变形决定。

对于本例，无芯棒旋锻径向进给后变形如图2中的凸形或临界形，周向进给的目的要确保后续的径向进给最大变形发生在上次旋锻变形的最小位置处，对于本例原始坯料的最佳周向进给量为45°；原始坯料是圆料，呈对称性，旋锻模具4个，呈90°分布，旋锻最佳周向进给量周期为45°的倍数。

5、根据无芯棒旋锻内外圆度质量改善情况确定周向进给道次

无芯棒旋锻内外圆圆度质量可以通过多次周向进给来改善，过多的周向进给道次无法无限提高无芯棒旋锻内外圆度质量。由于求解无芯棒旋锻内外圆度质量改善情况和确定周向进给道次的理论求解非常困难，甚至不可能。本发明提出通过弹塑性有限元仿真方法，通过不同的周向进给道次，仿真得到无芯棒旋锻内外圆圆度质量改善程度来确定周向进给道次。

对于本例，弹塑性有限元仿真不同周向进给道次下，无芯棒旋锻典型内圆圆度质量改善情况如图3所示。当经过1次周向进给时，内圆度质量的改善十分明显；2次周向进给虽然圆度质量仍有改善，但改善效果不大；3次及更多道次的周向进给圆度质量基本不再变化。本例的周向进给道次取2道次。

6、无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的径向和周向进给次序

为了满足无芯棒旋锻过程中的内外圆度质量，避免旋锻变形超越旋锻临界变形进入到凹形形状而产生旋锻折叠缺陷，需要制定无芯棒旋锻的径向和周向进给次序。无芯棒旋锻的径向和周向进给次序为在相同的径向进给下进行周向进给，旋锻的内外圆度质量改善后，在进行下道次径向进给以及周向进给。

对于本例，以第一段外径37mm旋锻到外径31mm的进给过程如下：

外径37mm——径向进给0.5mm——周向进给45°——周向进给45°——外径36mm——径向进给0.5mm——周向进给45°——周向进给45°——外径35mm——径向进给0.5mm ——周向进给45°——周向进给45°——外径34mm——径向进给0.5mm——周向进给45°——周向进给45°——外径33mm——径向进给0.5mm——周向进给45°——周向进给45°——外径32mm——径向进给0.5mm——周向进给45°——周向进给45°——外径31mm。

Claims (4)

1.一种无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，其特征在于，其步骤为：

（1）根据无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状确定最大径向进给量

无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状是旋锻变形的凸形和凹形分界形状，在模具、坯料和材料确定的情况下，随着径向进给量的不断增加，坯料旋锻变形呈现由圆——到凸形——到临界形——再到凹形三种形状，用弹塑性有限元仿真方法，通过研究和计算无芯棒旋锻的变形形状和变形特征，仿真得到无芯棒旋锻内外圆处于旋锻临界几何形状时的最大旋锻变形量和无芯棒旋锻几何临界径向进给量之间的对应关系；

（2）根据无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量

无芯棒旋锻的内外圆度质量是旋锻进给后内外圆变形的内接圆和外切圆的半径之差，用弹塑性仿真方法，径向进给下内外圆度质量等于旋锻轴内外圆设计公差时的进给量作为满足无芯棒旋锻内外圆度质量的最小进行进给量；

（3）根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次

在模具相同的情况下，随着无芯棒旋锻的进行，最大径向进给量随着坯料外径不断减少而发生变化；用弹塑性有限元仿真方法，简化实际无芯棒径向进给过程，按照坯料尺寸的缩减进行分段径向进给，即一定的坯料尺寸范围内的单道次最大径向进给量相同，单道次最大径向进给量取该段尺寸范围内产生旋锻临界变形的最大径向进给量组中的最小值，这样的进给方式不但简化径向进给运动，而且可以保证径向进给过程不会产生旋锻折叠缺陷，坯料的每段尺寸范围与该段最大径向进给量之比为该段尺寸下的最少径向进给道次，根据最大径向进给量和最小径向进给量确定无芯棒旋锻径向进给道次的目的是避免无芯棒旋锻过程中出现径向进给过大而产生旋锻折叠和圆度质量问题；同时可以避免径向进给过小出现旋锻效率低下问题；

（4）根据临界变形形状和内外圆度质量确定周向最佳进给量和周向进给周期

无芯棒旋锻过程是一个连续径向和周向进给过程，最大径向进给量受到临界旋锻变形形状和内外圆度质量的影响，周向进给量是根据径向进给变形形状进行确定，周向进给的目的是确保后续的径向进给不会加剧恶化临界变形形状和内外圆度质量；周向最佳进给量是保证后续的径向最大变形发生在前次径向变形的最小位置处；周向进给周期可以根据模具和坯料结构对称性以及旋锻变形决定；

（5）根据无芯棒旋锻内外圆度质量改善情况确定周向进给道次

无芯棒旋锻内外圆圆度质量可以通过多次周向进给来改善，用弹塑性有限元仿真方法，通过不同的周向进给道次，仿真得到无芯棒旋锻内外圆圆度质量改善程度来确定周向进给道次；

（6）确定无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的径向和周向进给次序

为了满足无芯棒旋锻过程中的内外圆度质量要求，避免旋锻变形超越旋锻临界变形进入到凹形形状而产生旋锻折叠缺陷，需要制定无芯棒旋锻的径向和周向进给次序，无芯棒旋锻的径向和周向进给次序为在相同的径向进给下进行周向进给，旋锻的内外圆度质量改善后，再进行下道次径向进给以及周向进给。

2.根据权利要求1所述的无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，其特征在于：步骤（1）中，采用的坯料外径为37mm，内径为27mm，通过弹塑性有限元仿真得到无芯棒径向径给量为0.55mm时的内外圆几何形状为内外圆临界折叠形状，无芯棒旋锻内外圆临界折叠形状的最大径向进给量为0.55mm。

3.根据权利要求1所述的无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，其特征在于：步骤（2）中，通过多次有限元仿真，当径向进给为0.1mm时，旋锻内外圆圆度质量在规定的公差0.08mm范围内，无芯棒旋锻内外圆度质量确定最小径向进给量为0.1mm。

4.根据权利要求1所述的无芯棒旋锻内外圆度质量和避免旋锻折叠的控制方法，其特征在于：步骤（4）中，原始坯料的最佳周向进给量为45°；原始坯料是圆料，呈对称性，旋锻模具四个，呈90°分布，旋锻最佳周向进给量周期为45°的倍数。