大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法。設(shè)計一種斜契裝置，使花鍵成形刀具（齒條狀）能夠在工件徑向方向移動，由于工件未脫離刀具制約，保持了正常的漸開線展成屬性，使工藝系統(tǒng)具備進行二次擠壓加工的能力，擴展了設(shè)備加工范圍，適合于大直徑工件加工。優(yōu)化球化退火溫區(qū)，在保持工件剛性的同時，提高材料冷擠壓塑性，改善冷變形加工特性。經(jīng)過原理試驗、試棒加工及批量生產(chǎn)，在最大允許加工直徑φ40mm冷擠壓設(shè)備上，完成φ70mm工件的花鍵加工。本方法設(shè)計出刀具的契形裝置，并對工件中碳合金鋼球化溫區(qū)進行了優(yōu)化，使花鍵扭力軸抗疲勞能力增加28%~32%。
【專利說明】大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機械加工領(lǐng)域，尤其涉及一種大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]花鍵軸是機械傳動系統(tǒng)中傳遞軸與軸之間扭矩的零件，具有聯(lián)接強度高、結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸方便等特點?；ㄦI加工通常是采用切削方法，如銑削、滾削、拉削等。
[0003]花鍵聯(lián)接強度高、結(jié)構(gòu)緊湊、裝卸方便等特點在某些特殊領(lǐng)域使用也得到應(yīng)用:扭力軸廣泛使用于軍用裝甲車輛的行動部分，兩端頭較大，采用外花鍵設(shè)計，中間的桿部直徑小于兩端花鍵部分，并以圓弧與花鍵端過渡銜接。
[0004]扭力軸使用時一端花鍵與車體固定連接，另一端連接平衡肘與負重輪，裝甲車的靜態(tài)重量及起伏路況下的沖擊載荷全部傳遞給扭力軸進行緩沖，以保持車輛水平方向的穩(wěn)定性，便于火控系統(tǒng)精確射擊。所以扭力軸工作環(huán)境很惡劣:扭矩大、扭轉(zhuǎn)角度大以及扭轉(zhuǎn)頻率變化大等。扭力軸失效方式表現(xiàn)為突然斷裂，斷裂部位主要發(fā)生在花鍵根部與桿部的過渡區(qū)域，原因很明確——花鍵加工過程中微小刀痕產(chǎn)生的應(yīng)力集中，在變循環(huán)應(yīng)力作用下擴展延伸導(dǎo)致疲勞損傷。
[0005]扭力軸花鍵部分直徑接近Φ 70mm,長度2000mm。用常規(guī)滾切方法加工，刀具刃口的任何損傷都將刻劃在花鍵齒表面，通過光整加工后，仍然會有不顯見刻痕殘留，成為應(yīng)力集中點。所以，扭力軸滾切加工方法直接導(dǎo)致其壽命較短、加工效率較低的缺陷。
[0006]花鍵冷擠壓加工是一種無切削加工方法，是為了適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)而發(fā)明的，工件夾在兩把呈齒條狀刀具間，刀具一上一下作相對移動，帶動工件繞自身軸心線旋轉(zhuǎn)，并在齒條移動的全行程內(nèi)完成工件的花鍵成形，由于擠壓力大、刀具移動速度快，加工過程無切削，最大限度保留了金屬纖維的完整性，具有花鍵強度高、加工效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等突出特點。
[0007]如果用冷擠壓方法加工扭力軸兩端花鍵，可以獲得高品質(zhì)花鍵并提高扭力軸疲勞壽命。但是，國內(nèi)花鍵冷擠壓設(shè)備是為家庭乘用車與大型卡車的花鍵軸加工而設(shè)計的，最大加工直徑為Φ40，模數(shù)1.75，最大長度1000mm，通常加工直徑小于Φ35，不能直接應(yīng)用于扭力軸加工。
[0008]大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法由此孕育而生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本方法設(shè)計出刀具的契形裝置，并對工件I中碳合金鋼球化溫區(qū)進行了優(yōu)化，使花鍵扭力軸抗疲勞能力增加28%?32%。
[0010]本方法的具體技術(shù)方案如下:
I)設(shè)計了一種擴展花鍵冷擠壓設(shè)備加工范圍:在最大允許加工直徑Φ40πιπι長IOOOmm的冷擠壓設(shè)備上，完成直徑Φ 70mm長度達2040mm工件的成形加工； 機床上增加輔助支撐工裝，將工件加工長度擴展到2040mm，
2)刀具改進:將常規(guī)刀具的背面由與花鍵節(jié)圓平行改制成與花鍵節(jié)圓傾斜，與另一同等斜度的鋼條配合使用，形成契形結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整刀具(齒條)相對于鋼條的位置，使刀具能夠在工件徑向平行移動；
3)花鍵二次成形:工件I位于左齒條模具2和右齒條模具3之間。將常規(guī)一次完成擠壓過程分解為兩個不連續(xù)的過程，第一過程為粗加工，完成8 O %齒高擠壓，第二過程為精加工，完成全齒高擠壓及修整齒形；
4)加工材料的擴展:將適宜于冷擠壓成形的低碳鋼擴展至中高碳優(yōu)質(zhì)合金鋼。汽車零件的材料通常用低碳鋼，以35#鋼為多，硬度不超過180HB，工件的扭力軸采用專用的優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼45CrNiMoVA，要求熱處理前的硬度為190HB?215HB ；
5)適合優(yōu)質(zhì)中碳鋼合金鋼的熱處理方法:通過實踐與優(yōu)化，摸索出適宜的熱處理方法——在(760-780) °C保溫7.5小時，比推薦保溫時間延長1.5小時?I小時。以減少殘留碳化物，獲得不均勻的奧氏體和大量細小的殘留碳化物，并以此作為球化的非自發(fā)核心以促進碳化物球化。同時控制冷卻速度，隨爐冷卻至500°C ±15°C再轉(zhuǎn)為空冷；
這種球化熱處理的有效性在實際冷擠壓成形過程中得到了驗證，相對于比較組試棒(35#鋼、180HB)加工，扭力軸在硬度200HB條件下，擠壓過程平穩(wěn)、柔和侵入性良好，振動明顯減小。
[0011]6)刀具非對稱設(shè)置:花鍵一次性冷擠壓加工方法其刀具的安裝方法是反向?qū)ΨQ安裝，刀具作相向運動——工件同時進入導(dǎo)入段、整形段與退出段。左右刀具初始安裝位置需保證整形段中點與工件旋轉(zhuǎn)中心等高?；ㄦI二次成形方法必須要保證工件與刀具第二次的運動軌跡與第一次完全重合——保持相互間呈展成狀態(tài)。所以，將刀具初始位置由對稱安裝改為不對稱安裝——一邊刀具整形段中點比工件旋轉(zhuǎn)中心偏離IOmm左右(高或低)，當(dāng)另一邊刀具退到末段時，工件齒還嚙合在整形段里，上下移動刀具(20mm)預(yù)備進行契形向心移動時，工件既有空間移動，也保持在已成形的齒形里。
[0012]7)契形角設(shè)計:根據(jù)試驗摸索，二次擠壓量為0.35mm時，齒形精度、粗糙度組合最佳，工藝系統(tǒng)振動小，刀具在上下20mm的移動長度可控性好，此時的契形角度為0.5°，也處于自鎖摩擦角內(nèi)，工藝系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。
[0013]本發(fā)明通過研究花鍵冷擠壓成形設(shè)備的工作特性，設(shè)計一種斜契裝置，使花鍵成形刀具(齒條狀)能夠在工件徑向方向移動，由于工件未脫離刀具制約，保持了正常的漸開線展成屬性，使工藝系統(tǒng)具備進行二次擠壓加工的能力，擴展了設(shè)備加工范圍，適合于大直徑工件加工。
[0014]研究優(yōu)質(zhì)中碳合金鋼(45CrNiMoVA)材料特性，優(yōu)化球化退火溫區(qū)，在保持工件剛性的同時,提高材料冷擠壓塑性,改善冷變形加工特性。經(jīng)過原理試驗、試棒加工及批量生產(chǎn)，在最大允許加工直徑Φ 40mm冷擠壓設(shè)備上，完成Φ 70mm工件的花鍵加工。通過實踐證明工藝系統(tǒng)穩(wěn)定，工件尺寸一致性好，粗糙度遠好于設(shè)計要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1齒條擠壓花鍵原理圖，
圖2工件示意圖?！揪唧w實施方式】
[0016]本方法的具體過程為:
1、準備工作:
刀具:增加斜鐵設(shè)計，刀具一起設(shè)計成契形結(jié)構(gòu)，契形角0.5°，制造時采用刀具與斜鐵同組磨削方法，保證角度統(tǒng)一，并刻同組標(biāo)識。
[0017]工件:扭力軸兩端花鍵按冷擠壓前尺寸精車，粗糙度1.6，不允許有氧化皮、銹斑等表面缺陷；
工件經(jīng)過球化退火處理，硬度為190HB?215HB ；
契形機構(gòu)安裝:按設(shè)計圖要求將契形機構(gòu)與機床左右支架聯(lián)結(jié)，用角度尺對齊刻線，將左邊(或右邊)刀具整形段中點與工件旋轉(zhuǎn)中心等高，另一邊比工件旋轉(zhuǎn)中心低10mm。試運行刀具移動，要求導(dǎo)向銷無卡滯；
工件安裝:用隨動夾頭夾持工件一端，調(diào)整另一端頂尖座位置，將花鍵加工段置于刀具寬度以內(nèi)，并在表面涂滿濃肥皂水；
數(shù)控程序:包括起始點位置、一二次加工終止點、刀具到工件旋轉(zhuǎn)中心線位置設(shè)置及刀具移動速度等；
2、加工:
按程序完成一次加工，并停止在預(yù)定位置；
松開契形裝置連接螺栓，調(diào)整刀具沿長度方向移動20mm，對齊刻線后再擰緊契形裝置連接螺栓；
啟動設(shè)備完成二次加工，再往復(fù)一個行程，以修整、校正齒形及光整齒面，達到粗糙度要求。
[0018]本發(fā)明為保證某特殊領(lǐng)域使用的扭力軸高可靠性及提高疲勞壽命，研發(fā)了大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法，并完成了技術(shù)原理驗證、試件加工及批量穩(wěn)定生產(chǎn)。
【權(quán)利要求】
1.大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法，其特征在于:該方法具體包括: 1)設(shè)計了一種擴展花鍵冷擠壓設(shè)備加工范圍:在最大允許加工直徑Φ40πιπι長1000mm的冷擠壓設(shè)備上，完成直徑Φ 70mm長度達2040mm工件的成形加工； 機床上增加輔助支撐工裝，將工件加工長度擴展到2040mm，在左齒條模具上設(shè)有斜鐵，擴大工件最大允許加工直徑到Φ 70mm ； 2)刀具改進:將常規(guī)刀具的背面由與花鍵節(jié)圓平行改成與花鍵節(jié)圓傾斜，與左齒條模具上的同等斜度的斜鐵配合使用，形成契形結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整刀具相對于斜鐵的位置，使刀具能夠在工件徑向平行移動； 3)花鍵二次成形:工件(I)位于左齒條模具(2)和右齒條模具(3)之間，將常規(guī)一次完成擠壓過程分解為兩個不連續(xù)的過程，第一過程為粗加工，完成8 O %齒高擠壓，第二過程為精加工，完成全齒高擠壓及修整齒形； 4)加工材料的擴展:將工件的材料由低碳鋼擴展至中高碳優(yōu)質(zhì)合金鋼； 5)適合優(yōu)質(zhì)中碳鋼合金鋼的熱處理方法:在760-780°C保溫7.5^11個小時，以減少殘留碳化物，獲得不均勻的奧氏體和大量細小的殘留碳化物，并以此作為球化的非自發(fā)核心以促進碳化物球化；之后控制冷卻速度，隨爐冷卻至500°C ±15°C再轉(zhuǎn)為空冷； 6)刀具非對稱設(shè)置:刀具的安裝方法是反向?qū)ΨQ安裝，刀具初始位置由對稱安裝改為不對稱安裝，邊刀具整形段中點比工件旋轉(zhuǎn)中心偏離IOmm左右，當(dāng)另一邊刀具退到末段時，工件齒還嚙合在整形段里，上下移動刀具預(yù)備進行契形向心移動時，工件既有空間移動，也保持在已成形的齒形里； 7)契形角設(shè)計:二次擠壓量為0.35mm時，齒形精度、粗糙度組合最佳，工藝系統(tǒng)振動小，刀具在上下20mm的移動長度可控性好，此時的契形角度為0.5°，也處于自鎖摩擦角內(nèi)，工藝系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑外花鍵二次冷擠壓成形工藝方法，其特征在于，具體過程為: (1)、準備工作: 刀具:增加斜鐵設(shè)計，刀具一起設(shè)計成契形結(jié)構(gòu)，契形角0.5°，制造時采用刀具與斜鐵同組磨削方法，保證角度統(tǒng)一，并刻同組標(biāo)識； 工件:扭力軸兩端花鍵按冷擠壓前尺寸精車，粗糙度1.6，不允許有氧化皮、銹斑等表面缺陷； 工件經(jīng)過球化退火處理，硬度為190HB~215HB ； 契形機構(gòu)安裝:按設(shè)計圖要求將契形機構(gòu)與機床左右支架聯(lián)結(jié)，用角度尺對齊刻線，將左邊或右邊刀具整形段中點與工件旋轉(zhuǎn)中心等高，另一邊比工件旋轉(zhuǎn)中心低10mm，試運行刀具移動，要求導(dǎo)向銷無卡滯； 工件安裝:用隨動夾頭夾持工件一端，調(diào)整另一端頂尖座位置，將花鍵加工段置于刀具寬度以內(nèi)，并在表面涂滿濃肥皂水； 數(shù)控程序:包括起始點位置、一二次加工終止點、刀具到工件旋轉(zhuǎn)中心線位置設(shè)置及刀具移動速度等； (2)、加工: 按程序完成一次加工，并停止在預(yù)定位置；松開契形裝置連接螺栓，調(diào)整刀具沿長度方向移動20mm，對齊刻線后再擰緊契形裝置連接螺栓； 啟動設(shè)備完成二次加工，再往復(fù)一個行程，以修整、校正齒形及光整齒面，達到粗糙度要求。
【文檔編號】B23P15/00GK103639217SQ201310615014
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月28日
【發(fā)明者】周銘, 黃麗琴, 陳堅, 楊美花, 林楠 申請人:江麓機電集團有限公司