汽车传动轴冷挤压成型工艺研究概述

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  摘要:传动轴是汽车传动系中重要的零件,为了减轻重量,降低成本,同时便于实现生产制造自动化,可以采用无缝钢管作为毛坯件,并通过两端缩径的工艺来制造成两端细、中间粗的汽车传动中空轴。缩径的工艺根据变形力的作用方式,种类很多,本文对各种缩径加工工艺进行比较,提出推压—拉拔复合缩径的优点,及其研究现状。此汽车空心传动轴的加工方法的研究,对于实际工程应用有重要的意义。
  关键词:汽车传动轴;推压-拉拔复合缩径
  轴是组成机械的重要零件之一,汽车的传动轴只传递扭矩、不承受弯矩。随着国家经济可持续发展、对保护环境、节能减排要求力度的增加,工业生产也要求产品减少材料的使用,生产加工以保护环境为主。其中,汽车产品要求轻量化也成为必然的趋势,在产品制造时减少材料消耗,在应用时,在保证更好的安全、操控性的条件下,减少能源的浪费和对环境的污染。在保证各种要求的情况下,空心轴的优点有:可以减少材料浪费、消耗、使轴轻量化;由于空心轴的质量小,转动惯量更小,并且振动减弱,所以将空心轴应用在交通工具上,比如汽车、高铁和飞行器等,优越性更为显著[2]。空心轴和实心轴在使用功能上差别不大,但重量却能大幅降低,随着轻量化的发展,对空心轴的需求会越来越多,成形方法将向高效、精密、智能的方向发展[3]。
  汽车传动轴外形为两端径向尺寸较小的圆柱体,适用于管件的两端缩径工艺加工,即选取一定尺寸的无缝钢管作为初始管坯,对初始管坯的两端缩径,保持中部区域不变形,制得汽车传动空心轴。
  缩径已经成为管材加工制造中重要的成形方法,制造成本低,生产效率高,已广泛用于汽车、飞机、工程机械中管件的加工制造,根据变形力的作用方式,主要分为电磁缩径、旋压缩径、冲击缩径及冲压缩径等。电磁缩径是一种高效成形方法,可实现局部较大变形,成形过程无污染,近年来发展迅速,但电磁成形适用于制件局部成形,且其成形装置价格昂贵,不适用中厚壁管坯两端缩径工艺;旋压缩径对于薄壁筒形管件缩径是一种有效的方法,该工艺在普通车床或专用旋压机上,利用旋轮进给运动得到管件目标尺寸,但旋压缩径适用于薄壁长管件,对于中厚壁管坯的两端缩径,工艺复杂,且较大的旋压力容易造成管坯弯曲;冲击缩径加工在旋转锻造机上,也称为旋转模锻(或径向锻造)缩径,主要用于长管件的缩径加工,不适用于中厚壁管件的大变形缩径,尤其是两端均需缩径的工艺;冲压缩径是通过凹模将管坯外径进行缩减的冲压方法,按作用方式不同分为拉拔缩径与推压缩径,其中拉拔缩径是拉动管坯端部经过缩径凹模进行减径的一种加工方法。拉拔缩径后需对端部夹持部分进行切除,对于中厚壁管的两侧缩径,材料利用率低、制造成本高。
  推压缩径是一种应用广泛的管坯减径的方法,通过缩径模具的挤压来减少管件或棒料的横截面积,该方法对于胀压成形汽车桥壳初始管坯的两侧缩径是可行的。推压缩径按照成形过程中有无芯轴,分为无芯轴的自由推压缩径和芯轴推压缩径[4]。
  无芯轴的自由推压缩径在加工中,模具结构简单,单次缩径变形量大,生产效率高。关于自由推压缩径的研究比较多,王连东[5,6]对汽车桥壳推压缩径工艺进行了深入研究,文献[5]揭示了推压缩径变形机理,计算了缩径应力,推导了极限缩径系数,并制定了桥壳端部缩径方案,确定了工艺参数。文献[6]揭示了缩径时管坯端部存在翘曲的主要原因,并分析了三个工艺参数(缩径率、缩径凹模半锥角及摩擦系数)对管端翘曲和轴向伸长率的影响规律。根据目前研究现状可知自由推压缩径的成形管件存在一些问题:由于加工过程中管坯内表面无约束,成形管件的壁厚增加率较大,不符合汽车轻量化趋势;管坯内表面无约束导致壁厚及壁厚偏差不可控,不利于提高空心轴的使用性能;缩径时管坯内、外层金属塑性变形不均,成形管件端部出现较大翘曲及轴向开裂,增大了废品率。
  芯轴推压缩径可以提高管件的成形质量,所以生产上常采用这种方式。芯轴推压缩径分浮动式芯轴推压缩径与固定式芯轴推压缩径两种。固定式芯轴推压缩径的传力区变形抗力较大,极易造成起皱失稳,常用于厚壁管缩径,张双杰[7,8]采用冷挤压工艺针对厚壁管件有芯棒开式进行研究,利用流函数法建立了变形区连续速度场,采用上限法得到了挤压功率、挤压力,对三种工艺参数(坯料原始厚径比、摩擦因数、模具锥角)对挤压成形极限的影响进行了分析,对理论计算结果与试验结果进行了对比。Tangsri[9]针对薄壁、中厚壁管芯轴推压缩径研究发现:如果坯料厚径比值较小,采用固定芯轴方法时,容易造成管件失稳起皱。浮动式芯轴推压缩径的传力区变形抗力较固定式小,其缩径成形极限有所提高,常用于薄壁管缩口,滕宏春[10]使用上限法针对动芯轴薄壁管及薄壁圆杯缩径成形进行研究,得出管坯缩径力解析解,并进行了试验验证,结果显示浮动式芯轴缩径成形极限大于固定式。对胀压成形汽车桥壳初始管坯的两侧大变形缩径,若采用芯轴推压缩径,虽可改善管件成形质量,但易造成管坯中部传力区失稳起皱,单道次变形量较小,并且由于缩径道次增多,致使成本增加。因此,我们提出了推压—拉拔复合缩径的加工工藝。
  推压拉拔复合缩径工艺,是在缩径前,在管坯内部将芯轴推入,然后开始缩径,在缩径凹模由管端向内部工进的同时,芯轴以大于管坯伸长的速度,由管坯内部向端部拉出,相当于对管坯施加了一定的拉拔力,减少了管坯中部传力区的变形抗力,缩径成形极限大大提高,同时由于缩径凹模与芯轴的共同作用,缩径管坯外径尺寸精度高,壁厚趋于均匀,且壁厚增加率得到有效控制。另外,变形管坯受到一对方向相反的摩擦剪应力作用,改变了变形区的力学状态,更有利于管坯内外表面变形均匀,成形后残余应力较小。
  对于推压拉拔复合缩径工艺,目前研究现状是燕山大学胀压成形汽车桥壳课题组为了解决胀压成形汽车桥壳初始管坯的两侧大变形缩径问题,提出了推压—拉拔复合缩径工艺,该工艺能够有效地改善推压式自由缩径管坯成形质量不高及芯轴推压缩径传力区易失稳的问题,适用于管件的两侧缩径。对于推压-拉拔复合缩径工艺,文献[11]针对壁厚偏差对于推压—拉拔复合缩径进行了研究,表明:通过测量、分析某载重6.5t胀压成形汽车桥壳用钢管的轴向及周向的壁厚,建立了带壁厚偏差管坯的几何模型及推压-拉拔复合缩径的力学模型,分析了薄壁侧、厚壁侧管坯的受力及变形差异,在专用缩径设备上成功试制出缩径样件,试验结果与有限元模拟所得规律一致。文献[12]对推压-拉拔复合缩径的芯轴外径对工艺的影响进行了研究,通过推压-拉拔复合缩径的力学模型定性分析了不同外径芯轴缩径时管坯的受力及变形差异,并给出了芯轴外径设计公式;针对某载重6.5t胀压成形汽车桥壳管件的第一道次使用推压-拉拔复合缩径,在专用设备上进行了第一道次推压-拉拔复合缩径试验,成功试制出缩径样件,试验结果与有限元模拟结果相吻合。对于该工艺的加工细长薄壁的汽车空心传动轴是非常可取的。   因此,基于理论和建模分析,对比传统汽车传动轴的加工工艺,通过使用冷挤压成形工艺能够有效地改善推压式自由缩径管坯成形质量不高及芯轴推压缩径传力区易失稳的问题,适用于管件的两侧缩径。并且使用冷挤压成形工艺生产汽车传动轴可以达到汽车的轻量化,可在制造阶段减少材料消耗,在应用阶段减少能源和排放,同时拥有更好的负载和操控性。所以对于冷挤压成形工艺的研究于实际工程应用有重要的意义。
  参考文献:
  [1]王连东,赵石岩,高鹏飞,等.管坯推压缩径端部翘曲机理及其影响因素分析[J].塑性工程学报,2005,12(3):76-79.
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  [3]范子杰,桂良进,苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报,2014,5(1):1-16.
  [4]张玮玮,王仲仁,张志超.无芯棒拉拔过程应力应变分析及壁厚变化[J].塑性工程学报,2013,20(2):29-32.
  [5]王連东.回转壳体正负成形理论及汽车桥壳胀形工艺的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2002:43-50.
  [6]王连东,赵石岩,高鹏飞,等.管坯推压缩径端部翘曲机理及其影响因素分析[J].塑性工程学报,2005,12(3):76-79.
  [7]张双杰,李强,李占华,李军.厚壁管件有芯棒开式冷挤压理论建模[J].塑性工程学报,2010,17(6):67-71.
  [8]张双杰,李强,王丽娟,等.厚壁管件有芯棒开式冷挤压成形极限分析[J].机械工程学报,2010,46(22):53-57.
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  [11]刘超,王连东,刘恒,等.带壁厚偏差无缝钢管推压—拉拔复合缩径的研究[J].中国机械工程,2018,11(7):234-238.
  [12]王连东,刘超,刘恒,等.芯轴外径对大变形推压-拉拔复合缩径影响的研究[J].中国机械工程,2019,29(17):2131-2136.
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