CN111015136B - 一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法及其模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法及其模具，该加工方法利用镦挤成型模具将棒料的一端进行镦挤成型，形成T形坯件，然后将T形头弯曲形成公轴的U型叉，经过表面润滑处理后，冷挤压成形公轴的花键部分，最后再经补充机械加工和最终热处理就可得到所需的公轴；所述模具用于棒料端部的镦挤成型，以得到所述的T形头。本发明的材料利用率高，加工效率高，一致性好，成型精度高，U型叉和外花键部分连接部分强度高。

Description

一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法及其模具

技术领域

本发明属于汽车零部件加工领域，具体涉及一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法及其模具。

背景技术

中间轴是汽车传动系统的核心部件之一，用于传递转向运动和转向力。现有中间轴的公轴和母轴的连接方式主要是有两大类：销锁定式和键滑动式。

其中键滑动式是在公轴上加工外花键，母轴上加工内花键，然后在外花键上安装滚动体及保持架，然后将公轴压装入母轴。这种中间轴的公母轴连接方式的优点是公轴和母轴能够相对滑动一定距离，从而起到减震降噪的作用。

目前，对于公轴的加工，一般是将先加工一个U型槽，得到公轴一端的U型叉，然后采用挤压工艺或者机加工工艺成形公轴轴体部分的外花键，然后将二者焊接到一起使用。该方法存在的弊端是：1、分别成形U型叉和轴部外花键，工序长；2、采用工装夹持公轴进行外花键加工时，由于该类零件具有较大的长径比，花键长度大，因此难以控制加工的精度，甚至会使得加工的花键键槽出现歪斜，影响和母轴的配合使用，且后续将花键部分和U型叉连接起来使用，难以保证花键部分和U型叉的同轴度，传动过程容易引起振动；3、采用后续焊接工艺，容易存在焊接缺陷，造成安全隐患。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法及其模具，该方法利用镦挤成型模具将棒料的一端进行镦挤成型，形成T形坯件，然后将T形头弯曲形成公轴的U型叉并成形U型叉内槽，然后冷挤压成形外花键，最后再经热处理就可得到所需的公轴，该方法材料利用率高，成型的花键精度高，有利于和母轴的配合，且花键部分和U型叉具有良好的同轴度。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，包括如下步骤：

步骤一、根据公轴设计长度，截取球化退火的棒料，放入镦挤成型模具内，冷态挤压棒料的一端，使材料径向流动形成T形头，得到T形坯件，棒料的另一端为T形坯件的轴部；

步骤二、所述T形坯件的T形头的端面中心位置留有挤压后的凸台，采用盘铣刀或车床将凸台切除；

步骤三、在T形坯件的T形头涂抹润滑剂，然后采用挤压弯曲模将T形头的两翼对向弯曲，并形成圆弧，得到公轴端部的U型叉和U型叉内槽；

步骤四、去除所得U型叉上的毛刺后，利用冲床冲切掉U型叉端部的余量；

步骤五、对经步骤四处理所得的坯件进行表面润滑处理，然后冷挤压成形轴部外花键，得到所需的公轴毛坯，毛坯的花键和U型叉部分不再补充机械加工；

步骤六、对所得的公轴毛坯补充机加工至成品尺寸后，热处理至技术要求的强度和硬度，得到公轴成品。

一种镦挤成型模具，用于所述的公轴加工方法，所述的镦挤成型模具包括上模和下模，在上模中安装有凸模和弹性压紧机构，所述弹性压紧机构用于压紧在下模上，使得下模各部件在竖直方向上配合紧密，所述凸模的直径和待成型的棒料头端相吻合，以便伸入下模的模孔并压在棒料头端的端面上；所述下模的模孔具有用于成型所述T形头的模腔，所述凸模下压镦挤模孔内棒料的上端时，棒料上端的材料向下流动并沿径向流入所述模腔，成型T形头。

所述上模包括封模上座和封模座台，封模座台固定在封模上座下表面，所述弹性压紧机构固定在封模上座和封模座台相对应的安装槽内，弹性压紧机构下端伸出所述安装槽；所述封模座台的中心设有用以安装所述凸模的安装孔，凸模的上端面抵在安装孔中的凸模垫块上，由锁定机构将凸模固定在所述安装孔内。

所述凸模上端部呈锥型，所述锁定机构为带有外螺纹的锁紧环，所述安装孔孔壁加工有内螺纹，锁紧环套在凸模上端部，通过内外螺纹配合，将凸模固定在封模座台上。

所述弹性压紧机构为氮气弹簧。

所述下模包括自下而上设置的下腔内芯、径向挤压内芯和镦挤模内芯，下腔内芯外设有同心的下腔外套，径向挤压内芯外设有同心的容料腔外套，镦挤模内芯外设有同心的套头应力圈，所述下腔内芯、径向挤压内芯和镦挤模内芯的中心孔上下对应形成所述的模孔，所述容料腔外套上表面的中部沿径向方向设置两条成型槽，两条成型槽分别位于所述模孔的两侧，且呈“一”字布置，所述径向挤压内芯顶面开有与所述成型槽对接的过渡槽，过渡槽和成型槽对接形成用以成型所述T形头的模腔。

所述套头应力圈和容料腔外套之间、容料腔外套和下腔外套之间均通过凸凹结构配合安装；所述下腔外套固定在模架内，容料腔外套以及套头应力圈之间还设有导柱以及导套。

所述上模和下模之间还设有限位机构以及导向机构，限位机构和导向机构均沿模具周向设置，所述限位机构用于限制上模回程的极限位置，所述导向机构为上模下压提供导向。

所述限位机构为定距拉杆螺钉，定距拉杆螺钉穿过所述封模座台后，定距拉杆螺钉的螺纹端部和套头应力圈螺纹连接、螺钉头伸入所述封模上座的限位孔中，在上模回程时，螺钉头挡在所述限位孔底部起到限制上模回程极限位置的作用。

所述导向机构包括导向杆和导向套，导向套安装在封模座台上，导向杆设置在导向套中，导向杆底端固定在所述套头应力圈上，导向杆顶端活动设置在封模上座的导向孔内。

本发明具有以下创新点及优点：在利用棒料加工本发明所述的公轴时，由于棒料上端被镦挤部分的长度和直径比例超过2.5倍，超过镦粗比，因此，常规的镦挤方式容易造成失稳。本发明采用镦挤成型的方式将退火态的棒料一端镦挤成型T形头，然后利用弯曲模将T形头弯曲成U型叉同时成形U型叉内槽（即U型叉的U型槽），该过程不需要机加工切除多余的材料，再经过表面润滑处理，冷挤压花键部分，最后再经热处理就可得到所需的公轴。整个过程中不需要过多的机械加工，可以提高材料的利用率，提升加工效率，同时有提高了成型精度，可以确保U型叉和花键部分的同轴度和连接部位的强度，避免焊接缺陷，可以确保整个公轴的精度要求，满足和母轴配合的使用要求。

附图说明

图1为本发明的工艺路线图；

图2为本发明所述的镦挤成型模具的结构示意图；

图3为T形头的俯视图；

图中标记：1、模架垫座，2、模架垫板，3、顶杆，4、下腔外套，5、下腔内芯，6、模架筒体，7、容料腔外套，8、挤压内芯，9、导柱，10、镦挤模内芯，11、套头应力圈，12、导向套，13、定距拉杆螺钉，14、导向杆，15、凸模，16、锁紧环，17、凸模垫块，18、封模座台，19、氮气弹簧，20、封模上座，21、下底板，22、型腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不作为对发明做任何限制的依据。

参照附图1所示，一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，包括了如下步骤：

步骤一、如图1（a）所示，根据公轴设计长度，锯切经过球化退火的棒料；经过润滑处理后，将棒料放入如图2所示的镦挤成型模具内，由液压机下压，首先，氮气弹簧19压紧在下模的套头应力圈11上，液压机继续下压时，上模中的凸模15向下挤压棒料的上端，使材料向与下模模孔连通的型腔径向流动形成T形头，得到如图1（b）所示的T形坯件，棒料的另一端为T形坯件的轴部；

步骤二、所述T形坯件的T形头的端面中心位置留有挤压后的凸台，如图1（c）所示，然后采用盘铣刀将凸台切除；

步骤三、在T形坯件的T形头涂抹润滑剂，然后采用挤压弯曲模将T形头的两翼对向弯曲，并形成圆弧，得到公轴端部的U型叉，并成型U型叉内槽，即U型叉的U型槽，如图1（d）所示；

步骤四、去除所得U型叉上的毛刺后，利用冲床冲切掉U型叉端部的余量，如图1（e）；

步骤五、对经步骤四处理所得的坯件进行表面润滑处理，然后对坯件的轴部冷挤压外花键，得到公轴毛坯，所得公轴毛坯如图1（f）所示，公轴毛坯中U型叉及外花键的无需进行后续的补充机械加工；

步骤六、对所得公轴毛坯补充机械加工至成品长度尺寸，热处理至强度和硬度要求，得到公轴成品。

上述方法中，所述镦挤成型模具的具体结构如图2所示，该模具包括上模和下模两大部分，在图2中左侧和右侧分别为不同状态下的模具剖视图，其中左侧表示挤压前上模和下模之间的位置状态，右侧表示挤压完成后上模和下模之间的位置状态。

其中，上模主要由封模上座20、封模座台18、氮气弹簧19、凸模垫块17、锁紧环16、凸模15组成。所述封模上座20尺寸和液压机滑块槽相对应，以便将其安装在液压机上，封模座台18位于封模上座20的下方，由螺栓将二者固定连接，封模上座20和封模座台18上设有用以安装氮气弹簧19的安装槽，氮气弹簧19的上端通过螺钉固定在封模上座20上，下端伸出封模座台18的安装槽；所述封模座台18还设有安装凸模15以及凸模垫块17的安装孔，安装孔位于封模座台18的中心，且安装孔为台阶孔，所述凸模垫块17位于安装孔的孔底，所述凸模15的上端顶在凸模垫块17上，再由所述锁紧环16加以固定。所述的锁紧环16中心是和所述凸模15端部锥面相配合的锥孔，锁紧环16外圆柱面加工有外螺纹，和所述安装孔螺纹配合实现对凸模15的固定，锥孔和凸模15端部锥面的配合可以更好的压紧凸模15，避免凸模15在挤压过程中松动、歪斜。锁紧环16的端面设有便于旋转锁紧环16的插孔，利用工具插入该插孔，可以转动锁紧环16，使其旋紧固定凸模15。

上述氮气弹簧19在此是作为弹性压紧机构，用于压紧下模的各部件，使得上模与下模在竖直方向上在挤压的过程中一直处于合模状态。因此，只要可以起到该作用的弹性压紧机构均可。

所述的下模包括自上而下依次设置的下腔内芯5、径向挤压内芯8和镦挤模内芯10，下腔内芯5外设有同心的下腔外套4，下腔外套4为下腔内芯提供预应力，径向挤压内芯8外设有同心的容料腔外套7，容料腔外套7为径向挤压内芯8提供预应力，镦挤模内芯10外设有同心的套头应力圈11，套头应力圈11为镦挤模内芯10提供预应力，所述下腔内芯5、径向挤压内芯8和镦挤模内芯10的中心孔上下对应形成棒料成型用的模孔，所述容料腔外套7上表面的中部沿径向方向设置两条成型槽，两条成型槽分别位于所述模孔的两侧，且呈“一”字布置，所述径向挤压内芯8顶面开有与所述成型槽对接的过渡槽，过渡槽和成型槽对接形成用以成型所述T形头的模腔22。所述镦挤模内芯10底部和过渡槽对应的部位还设有径向挤压工作带，以减小径向挤压的摩擦力。

进一步的，所述下腔内芯5、径向挤压内芯8和镦挤模内芯10的外圆周面均为锥面，且均为上端小、下端大。

所述的套头应力圈11和容料腔外套7之间、容料腔外套7和下腔外套4之间均通过止口结构配合安装；所述下腔外套4固定在模架内，模架包括模架筒体6、模架垫座1、模架垫板2，模架筒体6和模架垫座1之间通过止口配合连接，模架垫板2位于模架垫座1中心的凹槽内，模架垫板2和模架垫座1的上表面齐平，以承载所述的下腔内芯5及下腔外套4；所述模架筒体6通过螺钉固定在下底板21上。

进一步的，所述容料腔外套7以及套头应力圈11之间还设有导柱9以及导套。所述导套安装在容料腔外套7以及套头应力圈11对应的导向孔中，所述导柱9活动设置在导套内，且导柱9底端设有直径大于导套内径的限位头，下方模架筒体6的上表面可以顶住限位头，以阻止导柱9脱离导套。

所述上模和下模之间还设有限位机构以及导向机构，限位机构和导向机构均沿模具周向设置，所述限位机构用于限制上模回程的极限位置，所述导向机构为上模下压提供导向。

所述限位机构为定距拉杆螺钉13，定距拉杆螺钉13穿过所述封模座台18后，定距拉杆螺钉13的螺纹端部和套头应力圈11螺纹连接、螺钉头伸入所述封模上座20的限位孔中，在上模回程时，螺钉头挡在所述限位孔底部起到限制上模回程极限位置的作用。

所述导向机构包括导向杆14和导向套12，导向套12安装在封模座台18上，导向杆14设置在导向套12中，导向杆14底端固定在所述套头应力圈11上，导向杆14顶端活动设置在封模上座20的导向孔内。

本发明所述的镦挤成型模具可以对放在模孔内的棒料上端进行挤压，挤压时，金属材料向下流动，只能流向模孔两侧的模腔22，从而成型T形头。在此过程中，氮气弹簧19在液压机的压力下，柔性下压，使得套头应力圈11下表面和容料腔外套7上表面贴合紧密，进一步保证所述模腔22的组成，因为所述模腔22除了过渡槽和成型槽对接形成外，还需要套头应力圈11下表面以及镦挤模内芯10下表面对过渡槽和成型槽上方的封闭，避免金属流动到套头应力圈11和容料腔外套7之间。

本发明所述模具还设有顶件器，顶件器具有可以上下活动的顶杆3；所述模架垫板2和模架垫座1的中心设有供顶杆3上下活动的顶杆孔，顶杆孔和所述模孔同轴设置且相连通。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、根据公轴设计长度，截取球化退火的棒料，放入镦挤成型模具内，冷态挤压棒料的一端，使材料径向流动形成T形头，得到T形坯件，棒料的另一端为T形坯件的轴部；

步骤二、所述T形坯件的T形头的端面中心位置留有挤压后的凸台，采用盘铣刀或车床将凸台切除；

步骤三、在T形坯件的T形头涂抹润滑剂，然后采用挤压弯曲模将T形头的两翼对向弯曲，并形成圆弧，得到公轴端部的U型叉和U型叉内槽；

步骤四、去除所得U型叉上的毛刺后，利用冲床冲切掉U型叉端部的余量；

步骤五、对经步骤四处理所得的坯件进行表面润滑处理，然后冷挤压成形轴部外花键，得到所需的公轴毛坯，毛坯的花键和U型叉部分不再补充机械加工；

步骤六、对所得的公轴毛坯补充机加工至成品尺寸，热处理至技术要求的强度和硬度，得到公轴成品；

所述的镦挤成型模具包括上模和下模，在上模中安装有凸模（15）和弹性压紧机构，所述弹性压紧机构用于使上模和下模紧密合模，所述凸模（15）的直径和待成型的棒料头端相配合；所述下模的模孔具有用于成型所述T形头的模腔（22），所述凸模（15）下压挤压模孔内的棒料时，棒料头端的材料向下流动并沿径向流入所述模腔（22），成型T形头。

2.根据权利要求1所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述上模包括封模上座（20）和封模座台（18），封模座台（18）固定在封模上座（20）下表面，所述弹性压紧机构固定在封模上座（20）和封模座台（18）相对应的安装槽内，弹性压紧机构下端伸出所述安装槽；所述封模座台（18）的中心设有用以安装所述凸模（15）的安装孔，凸模（15）的上端面抵在安装孔中的凸模垫块（17）上，由锁定机构将凸模（15）固定在所述安装孔内。

3.根据权利要求2所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述凸模（15）上端部呈锥型，所述锁定机构为带有外螺纹的锁紧环（16），所述安装孔孔壁加工有内螺纹，锁紧环（16）套在凸模（15）上端部，通过内外螺纹配合，将凸模（15）固定在封模座台（18）上。

4.根据权利要求2所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述弹性压紧机构为氮气弹簧（19）。

5.根据权利要求2所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述下模包括自下而上设置的下腔内芯（5）、径向挤压内芯（8）和镦头模内芯（10），下腔内芯（5）外设有同心的下腔外套（4），径向挤压内芯（8）外设有同心的容料腔外套（7），镦头模内芯（10）外设有同心的套头应力圈（11），所述下腔内芯（5）、径向挤压内芯（8）和镦头模内芯（10）的中心孔上下对应形成所述的模孔，所述容料腔外套（7）上表面的中部沿径向方向设置两条成型槽，两条成型槽分别位于所述模孔的两侧，且呈“一”字布置，所述径向挤压内芯（8）顶面开有与所述成型槽对接的过渡槽，过渡槽和成型槽对接形成用以成型所述T形头的模腔（22）。

6.根据权利要求5所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述套头应力圈（11）和容料腔外套（7）之间、容料腔外套（7）和下腔外套（4）之间均通过凸凹结构配合安装；所述下腔外套（4）固定在模架内，容料腔外套（7）以及套头应力圈（11）之间还设有导柱（9）以及导套。

7.根据权利要求5所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述上模和下模之间还设有限位机构以及导向机构，限位机构和导向机构均沿模具周向设置，所述限位机构用于限制上模回程的极限位置，所述导向机构为上模下压提供导向。

8.根据权利要求7所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述限位机构为定距拉杆螺钉（13），定距拉杆螺钉（13）穿过所述封模座台（18）后，定距拉杆螺钉（13）的螺纹端部和套头应力圈（11）螺纹连接、螺钉头伸入所述封模上座（18）的限位孔中，在上模回程时，螺钉头挡在所述限位孔底部，以起到限制上模回程极限位置的作用。

9.根据权利要求7所述的汽车转向系统中间轴的公轴加工方法，其特征在于，所述导向机构包括导向杆（14）和导向套（12），导向套（12）安装在封模座台（18）上，导向杆（14）设置在导向套（12）中，导向杆（14）底端固定在所述套头应力圈（11）上，导向杆（14）顶端活动设置在封模上座（20）的导向孔内。

Images