轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 旋鍛即旋轉(zhuǎn)鍛造，也叫徑向鍛造，旋鍛常采用兩個或兩個以上的模具，在使其環(huán)繞 還料外徑周圍旋轉(zhuǎn)的冋時，也向還料軸心施加尚頻率的徑向力，使還料受徑向壓縮而按豐旲 具型線成形和沿軸向延伸的過程。它是一種局部而連續(xù)、無肩而且精密的金屬成形加工工 藝，該工藝具有連續(xù)的纖維流線、表面成形質(zhì)量好、容易成形變截面變厚度結(jié)構(gòu)、效率高、材 料利用率高等優(yōu)勢方法具有效率高、表面成形質(zhì)量好、材料利用率高等優(yōu)勢。特別是含芯棒 旋鍛時材料內(nèi)外受三向壓應(yīng)力，尤其適用于難變形的高強度合金材料的成形，對于小尺寸 和承受大扭矩的轎車等速萬向傳動中間軸制造具有明顯的優(yōu)勢，轎車等速萬向傳動中間軸 旋鍛將成為中間軸制造生產(chǎn)的大趨勢。
[0003] 旋鍛周向進給工藝參數(shù)包括周向進給運動、周向進給速度以及周向進給角度等， 旋鍛周向進給工藝參數(shù)不但對旋鍛軸尺寸和圓度影響巨大，而且還進一步影響旋鍛軸產(chǎn)品 的靜強度和疲勞強度。
[0004] 在國外的高技術(shù)和高水平高級轎車傳動軸制造中廣泛應(yīng)用。轎車等速萬向中間軸 是利用無縫鋼管通過無芯棒旋鍛、含芯棒旋鍛、漸開線花鍵成形等工藝形成的變截面、變厚 度空心軸。無論是無芯棒旋鍛還是含芯棒旋鍛，旋鍛過程中的周向進給工藝參數(shù)是保證旋 鍛產(chǎn)品尺寸和圓度質(zhì)量的重要因素，旋鍛周向進給工藝參數(shù)包括周向進給運動、周向進給 速度以及周向進給角度等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明基于轎車旋鍛軸產(chǎn)品旋鍛工藝特征和旋鍛軸產(chǎn)品尺寸和圓度質(zhì)量要求等， 提出了一種轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法，該方法結(jié)合轎車旋鍛軸 特性提出了旋鍛軸周向工藝參數(shù)制定方法，包括旋鍛過程中周向進運動、周向進給速度以 及周向進給角度等，對合理制定旋鍛周向工藝參數(shù)、提高旋鍛軸產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要的技 術(shù)參考價值。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給 工藝參數(shù)確定方法，其步驟為：
[0007] (1)根據(jù)轎車旋鍛軸尺寸和結(jié)構(gòu)特性，確定旋鍛制造錘頭模具的基本參數(shù)、旋鍛工 序、周向進給運動以及毛坯和模具初始和最終接觸角；
[0008] (2)根據(jù)旋鍛軸毛坯尺寸和旋鍛產(chǎn)品特征，計算旋鍛周向進給條件和周向進給過 程中錘頭模具鍛打不重合條件，選擇鍛打頻率、周向進給速度以及確定周向進給最小周期；
[0009] (3)根據(jù)旋鍛軸毛坯管徑和模具尺寸，確定旋鍛軸周向進給最小角度和周向進給 角度范圍；
[0010] (4)確定旋鍛軸產(chǎn)品外表面外徑的尺寸與圓度公差與周向鍛打次數(shù)之間關(guān)系；
[0011] (5)根據(jù)旋鍛軸產(chǎn)品外表面外徑的尺寸公差或圓度公差，確定旋鍛軸旋鍛過程中 鍛打次數(shù)、進給圈數(shù)、進給時間。
[0012] 上述步驟(2)中，在旋鍛過程中，每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)可以根據(jù)鍛打頻率和工件周向 運動計算，為了保證旋鍛表面質(zhì)量和圓度，每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)不是錘頭數(shù)的倍數(shù)，周向運動 滿足如式(1)

[0014] 式中，ω 周向運動速度;辦 周向進給角度;f 旋鍛機鍛打頻率;m 錘 頭數(shù);k 整數(shù);t 周向進給時間。
[0015] 上述步驟(3)中，根據(jù)旋鍛最小周向進給周期，周向進給的最大角度小于旋鍛周向 進給的最小周期，對于在最小周期內(nèi)，采用三道工序的周向進給角度范圍分別為：
[0016] 軸段I無芯棒旋鍛:90°>θ>29°
[0017] 軸段II含芯棒旋鍛:90°>θ>30°
[0018] 軸段III無芯棒旋鍛:90°>θ>31°。
[0019] 上述步驟(4)中，無論錘頭模具是單圓弧或多圓弧或平面，旋鍛成形的截面最終是 正多邊形或正花環(huán)形，旋鍛后截面的正多邊形或正花環(huán)形數(shù)即為旋鍛鍛打次數(shù)，旋鍛后截 面尺寸和圓度誤差用正多邊形的內(nèi)接圓和外切圓的半徑差表示，如式(2)所示

[0021] 式中：δ-一內(nèi)外徑之差，即尺寸公差或圓度;η-一正多邊形邊數(shù)，等于鍛打次數(shù) 與錘頭數(shù)之積；g--旋鍛產(chǎn)品半徑的公稱尺寸，假設(shè)為內(nèi)接圓和外切圓半徑和的一半。
[0022] 本發(fā)明的有益效果是:該方法結(jié)合轎車旋鍛軸特性提出了旋鍛軸周向工藝參數(shù)制 定方法，包括旋鍛過程中周向進運動、周向進給速度以及周向進給角度等，對合理制定旋鍛 周向工藝參數(shù)、提高旋鍛軸產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要的技術(shù)參考價值。
【附圖說明】
[0023]圖1為某轎車旋鍛軸毛坯圖；
[0024]圖2為某轎車旋鍛軸產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與尺寸圖；
[0025]圖3為無芯棒式旋鍛剖面圖；
[0026] 圖4為圖3的左視圖；
[0027] 圖5為旋鍛初始模具和毛坯的截面尺寸和角度，
[0028] 其中：（a)為軸段I最小直徑處，（b)為軸段III最小直徑處，（c)為軸段II最小直徑 處；
[0029] 圖6為旋鍛最終不同模具位置和毛坯的截面尺寸和角度，
[0030] 其中：（a)為軸段I最小直徑處，（b)為軸段III最小直徑處，（c)為軸段II最小直徑 處。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0032] 以某轎車等速萬向傳動中間軸旋鍛為對象，材料為25CrM〇4，毛坯和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與主 要尺寸如圖1，2所示，它由等截面等壁厚的無縫鋼管經(jīng)過旋鍛制造而成。為了描述方便，根 據(jù)轎車旋鍛軸的產(chǎn)品特征和旋鍛成形工藝要求，把該轎車等速萬向傳動中間軸其分為三大 部分，即軸段I、軸段Π 和軸段III。
[0033] (1)根據(jù)轎車旋鍛軸尺寸和結(jié)構(gòu)特性，確定旋鍛制造錘頭模具的基本參數(shù)、旋鍛工 序、周向進給運動以及毛坯和模具初始和最終接觸角；
[0034]轎車等速萬向傳動軸旋鍛鍛造，毛坯尺寸一般在20-50mm之間，屬于中小尺寸旋 鍛。對于本例毛坯尺寸，旋鍛制造錘頭模具基本參數(shù)選擇：四個90°對稱分布的模具錘頭;錘 頭模具圓心角為90°;錘頭鍛打部位采用鍛打質(zhì)量較高的單圓弧形狀，為了保證含芯棒和無 芯棒旋鍛質(zhì)量，錘頭模具旋鍛完成時要求無芯棒旋鍛4個錘頭閉合以保證內(nèi)外表面質(zhì)量，含 芯棒旋鍛4個模具不閉合以防止軸向變形。
[0035] 本例旋鍛軸的具體結(jié)構(gòu)，旋鍛可分為三道工序，即變壁厚變截面的軸段I和軸段m 的無芯棒多道次旋鍛成形，軸段I和軸段m由于尺寸不同，模具不同；等壁厚軸段π的含芯 棒單道次旋鍛拉拔成形。
[0036] 以無芯棒旋鍛為例，旋鍛過程中錘頭徑向運動鍛打毛坯，錘頭和毛坯還有相對周 向運動，本例中毛坯做周向進給運動，如圖3,4所示，含芯棒旋鍛除了錘頭1的徑向運動外還 有軸向進給運動。為了防止鍛打過程中扭曲變形，毛坯2鍛打過程中，錘頭和毛坯的相對周 向運動停止；錘頭和毛坯非接觸過程中，錘頭和毛坯相對周向運動進給，實現(xiàn)整個圓周鍛 打。本例中假定毛坯周向進給運動是勻速旋轉(zhuǎn)運動。
[0037] 本例中旋鍛終了無芯棒旋鍛模具閉合，含芯棒旋鍛不閉合，圖1，2中的旋鍛軸旋鍛 分三套模具三道工序完成。開始旋鍛以及旋鍛結(jié)束時，模具和毛坯截面接觸時的關(guān)鍵尺寸 和角度如圖5所示。其中，軸段I最小直徑處（圖5(a))，模具和毛坯的最小接觸角30.5°、軸段 III最小直徑處（圖5(b))，模具和毛坯的最小接觸角29.5°、軸段II最小直徑處（圖5(c))，模 具和毛坯的最小接觸角29.8°。隨著旋鍛過程進給，工件外徑逐漸減少，模具和工件的最小 接觸角逐漸增大。
[0038]旋鍛結(jié)束后，模具位置和產(chǎn)品截面接觸時的關(guān)鍵尺寸和角度如圖6所示，軸段I最 小直徑處（圖6(a))、軸段III最小直徑處（圖6(b))、軸段II最小直徑處（圖6(c))模具和關(guān)鍵 的接觸角達到最大分別為45°、45°、35°。
[0039] (2)根據(jù)旋鍛軸毛坯尺寸和旋鍛產(chǎn)品特征，計算旋鍛周向進給條件和周向進給過 程中錘頭模具鍛打不重合條件，選擇鍛打頻率、周向進給速度以及確定周向進給最小周期； 旋鍛過程中，每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)可以根據(jù)鍛打頻率和工件周向運動計算，為了保證旋鍛表 面質(zhì)量和圓度，要求避免每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)是錘頭數(shù)的倍數(shù)，否則旋鍛件截面多邊形或花 環(huán)形狀的數(shù)量固定，旋鍛精度較低。
[0040]對于本例中，假設(shè)周向進給為勻速運動，錘頭數(shù)為4,周向運動速度ω，周向進給角 度秒，則每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)不應(yīng)是錘頭數(shù)倍數(shù)，周向運動滿足如式(1)

[0042] 式中，f一一旋鍛機鍛打頻率;m-一錘頭數(shù)；k一一整數(shù)；沒一一周向進給角度； ω 周向運動速度;t 周向進給時間。
[0043] 本例中，選擇旋鍛軸旋鍛的鍛打頻率選擇1200次/分鐘，毛坯周向運動速度90rpm， 每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)不是錘頭數(shù)的倍數(shù)；由于4個錘頭旋鍛的對稱性，周向進給的最小周期為 90。。
[0044] (3)根據(jù)旋鍛軸毛坯管徑和模具尺寸，確定旋鍛軸周向進給最小角度和周向進給 角度范圍；
[0045] 對于本例，如圖5所示，三道旋鍛工序中模具的鍛打區(qū)域都大于非鍛打區(qū)域，屬于 中小尺寸旋鍛。為了保證旋鍛的尺寸和圓度質(zhì)量，每次的周向進給的條件是:每次鍛打必須 要有一定的重合度;根據(jù)模具和工件實際尺寸，下一次的鍛打區(qū)域中盡可能全部包含上一 次未鍛打區(qū)域，對于本例全部包括上次未鍛打區(qū)域。
[0046] 從圖5和圖6可以看到，對于本例旋鍛過程，無論是含芯棒旋鍛III、還是無芯棒軸 段I和II，模具鍛打區(qū)域大于模具間隔區(qū)域，每次鍛打后周向進給完全覆蓋上次未鍛打區(qū) 域。無芯棒多道次旋鍛，隨著旋鍛過程進行，工件直徑逐漸減小，非旋鍛區(qū)域?qū)?yīng)角度也逐 漸減少，旋鍛周向進給的最小角度同樣減小，直到最后模具錘頭閉合，最小進給角度為零。 無芯棒多道次旋鍛可以用模具和毛坯初次接觸角作為周向進給最小角度。
[0047] 對于本例，三道工序的周向進給最小角度為初始狀態(tài)下的非鍛打區(qū)域所對應(yīng)的角 度，分別為：
[0048]軸段I無芯棒旋鍛:29°
[0049]軸段II含芯棒旋鍛:30°
[0050]軸段III無芯棒旋鍛:31°根據(jù)旋鍛最小周向進給周期，周向進給的最大角度小于 旋鍛周向進給的最小周期。對于本例，在最小周期內(nèi)，三道工序的周向進給角度范圍分別 為：
[0051 ] 軸段I無芯棒旋鍛:9〇。>0>29。
[0052] 軸段II含芯棒旋鍛:9〇。>0>3〇。
[0053] 軸段III無芯棒旋鍛:9〇。>0>31。
[0054] (4)確定旋鍛軸產(chǎn)品外表面的尺寸與圓度公差與周向鍛打次數(shù)之間關(guān)系；
[0055] 無論錘頭模具是單圓弧、多圓弧還是平面，旋鍛成形的截面最終是正多邊形或正 花環(huán)形，對于正花環(huán)形其精度假設(shè)比正多邊形高一倍。旋鍛后截面的正多邊形或正花環(huán)形 數(shù)即為旋鍛鍛打次數(shù)，旋鍛后截面尺寸和圓度誤差可以用正多邊形的內(nèi)接圓和外切圓的半 徑差表示，如式(2)所示

[0057] 式中：δ-一內(nèi)外徑之差，即尺寸公差或圓度;η-一正多邊形邊數(shù)，等于鍛打次數(shù) 與錘頭數(shù)之積；g--旋鍛產(chǎn)品半徑的公稱尺寸，假設(shè)為內(nèi)接圓和外切圓半徑和的一半。
[0058] (5)根據(jù)旋鍛軸產(chǎn)品外表面的尺寸公差或圓度公差，確定旋鍛軸旋鍛過程中鍛打 次數(shù)、進給圈數(shù)、進給時間；
[0059]無論是單道次還是多道次，根據(jù)周向鍛打次數(shù)與旋鍛軸尺寸和圓度公差要求之間 的關(guān)系，確定最少鍛打次數(shù)。
[0060] 對于本例含芯棒單道次旋鍛，旋鍛產(chǎn)品半徑的公稱尺寸為32mm，利用式（2)可 以計算得到圓度公差與正多邊形邊數(shù)之間關(guān)系如表1所示，
[0061] 表1圓度公差與正多邊形邊數(shù)之間關(guān)系

[0063] 根據(jù)表1的關(guān)系以及產(chǎn)品的尺寸和圓度公差對應(yīng)關(guān)系，可以確定單道次旋鍛所需 要的最小多邊形邊數(shù)，進而得到同一位置處旋鍛最小周向鍛打次數(shù)。
[0064] 本例中，旋鍛現(xiàn)狀為正花環(huán)形，假設(shè)產(chǎn)品尺寸精度等級選擇7級精度，對應(yīng)的尺寸 公差25μπι，則要保證尺寸精度，對于本例的正花環(huán)形結(jié)構(gòu)周向進給次數(shù)至少是正多邊形結(jié) 構(gòu)周向進給次數(shù)的一半，即55次，此時，圓度誤差在13μπι以下。
[0065]旋轉(zhuǎn)進給圈數(shù)與周向進給角度有關(guān)，本例中，對于4模具錘頭，按照周向進給極限 90°計算，至少旋轉(zhuǎn)進給圈數(shù)Ν可以有式(3)得到

[0067] 式中：Ν-一轉(zhuǎn)動圈數(shù);η--正多邊形邊數(shù)，對于正花環(huán)形可以取一半;m--錘頭 數(shù)，Θ-周向進給角度。
[0068]本例中，N* 3.5轉(zhuǎn)。
[0069]對于本例，周向進給速度為90rpm，則含芯棒旋鍛周向進給完成時間至少2.4s。
【主權(quán)項】
1. 一種轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法，其特征在于，其步驟為： (1) 根據(jù)轎車旋鍛軸尺寸和結(jié)構(gòu)特性，確定旋鍛制造錘頭模具的基本參數(shù)、旋鍛工序、 周向進給運動以及毛坯和模具初始和最終接觸角； (2) 根據(jù)旋鍛軸毛坯尺寸和旋鍛產(chǎn)品特征，計算旋鍛周向進給條件和周向進給過程中 錘頭模具鍛打不重合條件，選擇鍛打頻率、周向進給速度以及確定周向進給最小周期； (3) 根據(jù)旋鍛軸毛坯管徑和模具尺寸，確定旋鍛軸周向進給最小角度和周向進給角度 范圍； (4) 確定旋鍛軸產(chǎn)品外表面直徑的尺寸與圓度公差與周向鍛打次數(shù)之間關(guān)系； (5) 根據(jù)旋鍛軸產(chǎn)品外表面直徑的尺寸公差或圓度公差，確定旋鍛軸旋鍛過程中鍛打 次數(shù)、進給圈數(shù)、進給時間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法，其特 征在于:上述步驟(2)中，在旋鍛過程中，每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)可以根據(jù)鍛打頻率和工件周向 運動計算，為了保證旋鍛表面質(zhì)量和圓度，每轉(zhuǎn)錘頭鍛打次數(shù)不是錘頭數(shù)的倍數(shù)，周向運動 滿足如式(1)式中，ω 周向運動速度；泛 周向進給角度;f 旋鍛機鍛打頻率;m 錘頭 數(shù);k 一一整數(shù);t 一一周向進給時間。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法，其特 征在于:上述步驟(3)中，根據(jù)旋鍛最小周向進給周期，周向進給的最大角度小于旋鍛周向 進給的最小周期，對于在最小周期內(nèi)，采用三道工序的周向進給角度范圍分別為： 軸段I無芯棒旋鍛:90° >θ>29° 軸段II含芯棒旋鍛:90° >θ>30° 軸段ΠΙ無芯棒旋鍛:90°>θ>31°。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法，其特 征在于:上述步驟(4)中，無論錘頭模具是單圓弧或多圓弧或平面，旋鍛成形的截面最終是 正多邊形或正花環(huán)形，旋鍛后截面的正多邊形或正花環(huán)形數(shù)即為旋鍛鍛打次數(shù)，旋鍛后截 面尺寸和圓度誤差用正多邊形的內(nèi)接圓和外切圓的半徑差表示，如式(2)所示 Α/ η η式中：δ-一內(nèi)外徑之差，即尺寸公差或圓度;η-一正多邊形邊數(shù)，等于鍛打次數(shù)與錘 頭數(shù)之積；H一一旋鍛產(chǎn)品半徑的公稱尺寸，假設(shè)為內(nèi)接圓和外切圓半徑和的一半。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種轎車等速萬向傳動軸旋鍛周向進給工藝參數(shù)確定方法，其步驟為：（1）根據(jù)轎車旋鍛軸尺寸和結(jié)構(gòu)特性，確定旋鍛制造錘頭模具的基本參數(shù)、旋鍛工序、周向進給運動以及毛坯和模具初始和最終接觸角；（2）根據(jù)旋鍛軸毛坯尺寸和旋鍛產(chǎn)品特征，計算旋鍛周向進給條件和周向進給過程中錘頭模具鍛打不重合條件，選擇鍛打頻率、周向進給速度以及確定周向進給最小周期；（3）根據(jù)旋鍛軸毛坯管徑和模具尺寸，確定旋鍛軸周向進給最小角度和周向進給角度范圍；4）確定旋鍛軸產(chǎn)品外表面直徑的尺寸與圓度公差與周向鍛打次數(shù)之間關(guān)系；（5）根據(jù)旋鍛軸產(chǎn)品外表面直徑的尺寸公差或圓度公差，確定旋鍛軸旋鍛過程中鍛打次數(shù)、進給圈數(shù)、進給時間。
【IPC分類】B21K7/12, B21K1/06
【公開號】CN105710273
【申請?zhí)枴緾N201610031525
【發(fā)明人】盧曦, 朱卓選
【申請人】上海理工大學(xué)