一种制造空心轴的方法

一种制造空心轴的方法
【专利摘要】本发明描述了一种制造近净成形的空心轴(4)的方法，该近净成形的空心轴(4)对于诸如风能工业中的齿轮箱之类的高动力应用是有用的。该方法涉及提供连铸坯(1)(具有圆形或矩形或者任意多边形横截面)或圆形铸锭，由连铸坯(1)或圆形铸锭使用空心模冲压来制备空心预制件(3)，随后为热处理、校准机械加工和应力消除过程。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空心轴，并且更具体地涉及一种由实心坯或者锭设计和制造空心轴的 方法，这样导致更有效的原材料利用，并增强由此生产的轴的力学性能和特性。 一种制造空心轴的方法

【背景技术】
[0002] 空心轴在许多工业中被需要。大多数空心轴的制造厂使用镗孔技术来形成空心轴 的环形孔。
[0003] 包括风能工业的许多工业使用空心轴。这些在齿轮箱中使用的空心轴典型地经受 高的静态和动态载荷。
[0004] 几十年来，使用传统的制造工艺制造这些部件，在传统的制造工艺中，连续铸坯 (连铸坯）或者铸锭经受锻造工艺，其导致锻造棒，随后被校准机械加工、热处理和精机械 加工。
[0005] 然而，传统的制造方法导致大量的加工时间和低的产量。这导致在大规模生产期 间大量的原材料浪费。
[0006] 制造这些零件的现有方法使用多边形/圆形铸锭或铸坯，在输入时没有热加工或 者最少的热加工。机械加工包括外径车削、精车削、端面车削；深孔钻制；镗孔、锪孔，随后 为热处理和精机械加工。
[0007] 概括地说，现有的制造方法是由连铸坯或者铸锭形成锻造棒及随后机械加工的组 合。已经发现，现有的工艺导致约50%的材料利用（因此从形成坯/锭至制造校准机械加 工零件的时间导致约50%的材料浪费）。
[0008] 空心轴的制造相关的发明在现有技术中被报告。其在以下被提及。
[0009] 美国专利US20030221514A1公开了一种制造空心轴的方法，空心轴具有动力传动 构件，诸如沿轴向方向被设置为一个在另一个之后的凸轮轴的凸轮、齿轮轴的冠齿轮、或者 曲轴的轴颈，这些动力传动件被构造为至少空心的。
[0010] 美国专利6062116公开了一种制造空心轴和用于保持圆柱形空心轴坯的心轴的 方法。空心轴通过以下步骤被制造：在轴坯中轴向地限定一通孔以产生圆柱形空心轴坯，将 心轴插入空心轴坯的通孔中，将心轴的相对端保持为与通孔同轴，使空心轴坯围绕空心轴 坯自己的轴线与通孔同轴地旋转，同时切割空心轴坯的至少一端的外圆周表面，以在空心 轴坯的至少一端上形成参考外圆周表面。
[0011] 美国专利4425774公开了一种用于挤压锻造的装置，基本上包括具有内压头的双 动液压机。坯料的挤压锻造通过以下步骤实现：将坯料放置在容器中，并将冲头插入容器 中，从而迫使坯料通过模具。在挤压锻造后，冲头被提升至规定的水平并被保持在那里，并 且随后提升容器。因为坯料的未变形部分被紧紧地附着至容器，所以提升的容器将坯料的 被挤压的部分拖出模具，且同时用冲头有力地撞击坯料的未变形部分，由此将挤压锻造产 品敲出容器。
[0012] 美国专利4803880公开了一种由超合金和钛合金锻造空心细长物品的工艺。该工 艺使用具有低强度和高延展性的预先处理的材料。该工艺在锻造压力机中进行，且具有通 过压力运动将预制件转换为中间形状的起始步骤，其产生径向向外的工件流。然后改变压 力冲头几何形状，并以围绕心轴的径向向内流继续操作。
[0013] 美国专利US7360388B2公开了空心台阶式物品由实心坯形成以降低材料成本，且 当一部分坯通过其径向扩展而变形时，防止大直径的台阶部分开裂。空心台阶式轴通过以 下步骤形成：分别用上模具和下模具轴向地保持实心杆状坯的上部分和下部分，上模具和 下模具在它们彼此相对的区域具有大直径的台阶式凹进；用上冲头和下冲头从坯的轴向相 对的侧部压缩坯，上冲头和下冲头的直径均比坯的直径小，由此挤出坯以使在其上部分和 下部分的每个中均形成围绕坯的轴线的轴向空心，并使坯的与大直径的台阶式凹进相对的 部分的直径上扩大，且在该凹进中变形，同时在冲头之间留下实心的塞子状部分；然后进一 步压缩移动一个冲头以剪切实心的塞子状部分并迫使其移动至坯外，借此坯通过在其相对 端之间的中间区域或者这些端部中的一个处径向扩大变形而形成大直径的台阶部分并形 成围绕其轴线的连续轴向空心。
[0014] 对现有技术的评论揭露了以下技术差距，诸如缺少制造工艺改进，缺少机械加工 优化，材料利用不足，缺少用于空心轴优化工艺的虚拟制造技术实施。
[0015] 利用传统的制造方法，导致大量的加工时间和低的产量，因此大量的原材料在这 些部件的大规模生产期间被浪费。
[0016] 此外，不涉及通过热加工还原（reduction)或最小化地还原的现有方法不会导致 高动力应用中的布置所需的优异的材料性能。
[0017] 现有方法的另一重要限制产生于以下事实：研究中的空心轴在包括多个直径的孔 中具有台阶。已知这种多台阶孔只可通过机械加工制造，因此不能提供沿孔的轮廓的连续 的晶粒流（grain flow)。这是使用当前的方法生产的空心轴缺少优异的晶粒流特性和力学 性能的一个主要原因。
[0018] 因此需要提供设计和制造空心轴的替代方法，包括近净成形锻造，这将导致优异 的晶粒流特性和力学性能，且导致更有效的原材料利用。


【发明内容】

[0019] 因此，本发明的目的在于提供一种设计和制造在设置于风能应用中的齿轮箱部件 中使用的空心轴的方法。
[0020] 本发明的另一目的在于提供一种优化连铸坯或者圆铸锭以使其适于在近净锻造 工艺中使用的方法。本发明的一个另外的目的在于提供用于制造空心轴的近净成形锻造工 艺，以便增强从锻造至制造的校准机械加工阶段的材料利用。
[0021] 本发明的又一目的在于提供一种用于本发明的近净成形锻造工艺的锻造模具设 计。
[0022] 本发明的再一目的在于通过锻造以及随后的正火、硬化和双回火和后续的校准机 械加工及随后的应力消除步骤提供具有提高的密集晶粒流和强度的空心轴。
[0023] 零件列表
[0024] 1、连铸述或锭
[0025] 2、中心孔
[0026] 3、近净成形空心轴
[0027] 4、完成的空心轴

【专利附图】

【附图说明】
[0028] 图1示出空心轴制造的典型的传统工艺的流程图。
[0029] 图2a示出本发明的用于矩形形状的连铸坯的工艺的流程图。
[0030] 图2b示出本发明的用于圆形铸锭的工艺的流程图。
[0031] 图2c示出在使用冲压后的近净成形的轴。
[0032] 图3示出空心模和冲孔冲头。
[0033] 图4示出使用本发明的工艺制造的空心轴的模拟、锻造和校准机械加工阶段。

【具体实施方式】
[0034] 本发明描述了一种制造近净成形的空心轴的方法，该近净成形的空心轴对于诸如 用于风能工业的齿轮箱之类的高动力应用是有用的。该方法包括提供连铸坯（具有圆形或 矩形或者任意多边形横截面）或者圆形铸锭，由连铸坯或者圆形铸锭使用空心模冲压制备 空心预制件，随后为热处理、校准机械加工和应力消除过程。
[0035] 本发明可应用于制造在多种工业中使用的任何空心轴部件，特别是在使用高动力 传动齿轮箱的风能工业或其它工业中需要的空心轴部件。本说明书基于在风能工业中使用 的空心轴提供。
[0036] 从图1所示的流程图显而易见，空心轴制造的现有工艺典型地包括以下步骤：
[0037] -提供铸锭或连铸坯（1)，典型地为圆形形状
[0038] -进行外径（0D)车削、精车削和端面车削
[0039] -进行深孔钻制
[0040] -镗孔和锪孔，以提供中心孔（2)
[0041] -提供热处理
[0042] -进行最后的机械加工
[0043] 从图1中显而易见，为了实现空心轴的最终形状，制造贯穿工件长度的中心孔 (2)。这导致切割横穿锻造工件的自然晶粒流，这对材料的强度不利。如在【背景技术】部分讨 论的，已经注意到，当前的空心轴制造工艺部在制造工艺中未利用近净成形锻造技术，因此 意味着这些工艺不会导致部件中可识别的晶粒结构。尽管这些部件典型地满足强度和其它 力学要求，但是在高风险应用中所需的额外的安全因素经常难以恒定地实现。
[0044] 图2a、2b和2c示出了本发明的制造空心轴的工艺的流程图。本发明的工艺开始 于提供具有特定压缩比的连铸坯或圆形铸锭（1)。对于圆形锭压缩比应当大于3,对于连铸 坯压缩比应当大于5。这是为了符合微观洁净和宏观洁净、晶粒尺寸细化、力学性能的要求。 借助本发明，
【发明者】已经发现通过小尺寸的输入原材料实现8:1的更高的压缩比。这远高 于对于圆形锭的压缩比大于3:1和连铸坯的压缩比大于5:1的典型的工业要求。
[0045] 本发明的工艺包括以下步骤：
[0046] -提供矩形横截面的连铸坯（输入对象）
[0047]-在熔炉中加热
[0048] -镦锻至中间高度
[0049] -拉拔至中间直径
[0050] -提供辅助加热（booster heating)
[0051] -在空心模中镦锻至预制件的最终高度
[0052] -在空心模中冲压，以生产近净成形空心轴（3)
[0053] -提供热处理，以进行正火、硬化和双回火
[0054] -校准机械加工（外径车削、精车削和端面车削；镗孔和锪孔），以生产最终形状的 空心轴（4)
[0055] -应力消除
[0056] 在连铸坯或锭的横截面为圆形的情况下，本发明的工艺包括以下步骤：
[0057]-提供圆形横截面的连铸坯（输入对象）（1)
[0058] -在熔炉中加热
[0059] -拉拔至中间直径
[0060] -镦锻至中间高度
[0061] -提供辅助加热
[0062]-拉拔至在先前的拉拔步骤后实现的直径 [0063]-如果需要则提供辅助加热 [0064]-在空心模中镦锻至预制件的最终高度 [0065]-在空心模中冲压，以生产近净成形的空心轴（3)
[0066]-提供热处理，以进行正火、硬化和双回火
[0067]-校准机械加工（外径车削、精车削和端面车削；镗孔和锪孔），以生产最终形状的 空心轴（4)
[0068]-应力消除
[0069] 本发明的工艺相比于现有方法的以下优点被观察到：
[0070] 1、与在传统工艺中使用的相比，正好在工艺的开始时的输入对象的重量被显著地 减少。例如，如示例1和示例2例示的实现30%的减少。换言之，工艺的产量（以百分比表 不的输出重量与输入重量的比）提商近似25-30%。
[0071] 2、机械加工时间被减少（与现有的工艺相比）近似40-45%。
[0072] 3、与现有的制造工艺相比，由本发明的工艺产生的最终产品的晶粒流被大大改 善。这导致更好的微观结构和力学性能。
[0073] 4、在整个产品中产品的强度和力学性能形式的安全因子比现有工艺的安全因子 更高和更一致，这是高风险应用中需要的，并且通常在现有工艺的情况下经常难以实现。
[0074] 图3示出了被设计作为本发明的一部分且用于镦锻、拉拔和空心冲压的模具的典 型的3-D CAD近净成形设计模型。利用迭代的模拟方法，用于近净成形锻造的许多制造概 念被评估，以优化近净成形几何形状和使用虚拟制造技术的制造工艺。锻造工艺也使用3D 金属流模拟被优化，并且机械加工工艺使用CAM模拟被优化。基于模拟的结果，最佳的制造 方法学被开发用于制造例如在诸如用于风能的齿轮箱的应用中使用的诸如空心轴的部件。
[0075] 重要的是理解近净成形的优化的重要性。许多近净成形可以作为生产给定部件的 起点。然而，部件的最终形状以及工具类型和尺寸可能使得许多近净成形实际上不能使用。 因此，近净成形的优化寻求达到这样的近净成形：该近净成形将提供最少的材料浪费并且 还实现最快的机械加工同时达到最终部件。本工艺包含通过锻造进行这种近净成形优化的 步骤。
[0076] 本发明的另一关键方面在于近净成形锻造工艺被设计为借助使用平模镦锻和拉 拔以及使用空心模进一步镦锻和冲压的组合，以便为校准机械加工提供近净成形的输入。 图4示出了使用本发明的工艺制造的空心轴的模拟、锻造和校准机械加工阶段。
[0077] 应当注意，在本发明的工艺中，近净成形锻造由任何合适的锻造设备执行，例如 4000吨液压机。产生的部件被热处理以实现所需的微观结构和力学性能。
[0078] 经热处理的部件使用合适的机械加工设备进行校准机械加工，随后为应力消除。 应力消除工艺有助于去除在校准机械加工期间引起的应力。
[0079] 本发明的关键优点现在将借助以下示例被例示。
[0080] 示例：本发明现在通过示例而被例示。
[0081] 示例1(见图2a):
[0082] 矩形横截面的连铸述被切割成320mmX400mmX950mm(L)的尺寸。其被加热至 1250°C的温度，且通过将热坯保持在（4000t的液压机）的机床上且居中放置（最后镦锻高 度500mm)而被镦锻。然后，镦锻的坯被旋转90°以使其水平，且被拉拔至需要的标准尺寸 (直径400mm)。辅助加热被提供给坯以将其温度升高至1250°C。由此获得的热拉拔预制件 被再次镦锻至648mm。这通过将其保持在机床上、居中放置且在空心模中撞击以去除氧化 皮（镦锻至在模具表面以下近似100mm)而完成。此后，零件被抬起且其氧化皮被去除，居 中保持在机床上，且在空心模中镦锻。经镦锻的预制件被冲压至634mm的需要的高度。产 生的部件具有适于进一步处理的近净成形。
[0083] 经热处理的部件使用外径车削、精车削和端面车削这些步骤进行机械加工。如图 4中所示，经机械加工的部件然后被镗孔和锪孔至最终形状。
[0084] 示例2 (见图2b):
[0085] 直径为615mm的圆形锭被切割至401mm的长度。其被加热至125(TC的温度，且被 拉拔至400mm的直径。经拉拔的锭通过将保持在（4000t液压机）的机床上、且居中放置 (最终镦锻高度500mm)而被镦锻。然后，辅助加热被提供给锭以将其温度升高至1250°C。 热锭被再一次拉拔至400mm的直径。辅助加热被再次提供以将锭的温度升高至1250°C。此 后，零件被抬起，其氧化皮被去除，居中保持在机床上，且在空心模中镦锻至648mm的高度。 经镦锻的预制件被冲压至634mm的高度。产生的部件具有适于进一步处理的近净成形。 [0086] 经热处理的部件使用外径车削、精车削和端面车削这些步骤进行机械加工。如图 4中所示，经机械加工的部件然后被镗孔和锪孔至最终形状。
[0087] 产生于本发明的工艺的几个操作优点已经被观察到。这些从以上示例获得的数据 (见表1)显而易见。
[0088] 表1 :输入材料的减少
[0089] 参数 旧工艺 本发明的工艺 节省 校准/精机械加 658kg 658kg - 工重量____ 输入坯的尺寸 直径535 X 950 L连铸坯 383kg (28.9%) (mm )二1323kg 320 x 400 x 950 L ( mm )或者 =940kg 388kg ( 29.3% ) 或者 直径 615 x 401 L ( mm ) ___=935kg__ 产量百分比49.7% 70.0% 20.3% (校准机械加 或者 或者 工重量/切割重 70.4% 20.7% 量)____ 锻造重量__^__889kg__-_
[0090] 基于上表做出如下评论：
[0091] 1、使用矩形横截面坯料或者圆形横截面坯料，输入重量均可减少约30%。
[0092] 2、对于矩形横截面坯料，产量从49. 7%提高至70.0% (基于锻造输入重量增加 20. 3% ) 〇
[0093] 3、对于圆形横截面坯料，产量从49. 7%提高至70. 4% (基于锻造输入重量增加 20. 7% ) 〇
[0094] 4、制造生广率被大幅提商。
[0095] 5、机械加工时间减少41%。
[0096] 因此，从前述讨论中显而易见，本发明包括以下实施例。
[0097] 1、一种用于由输入对象制造在风能应用的齿轮箱中使用的空心轴的方法，其特征 在于所述方法包括通过锻造及随后的校准机械加工和应力消除来优化近净成形的步骤，所 述输入对象为连铸坯或者锭。
[0098] 2、如实施例1所述的制造空心轴的方法，其中在所述连铸坯或锭的横截面为圆形 或多边形的情况下，其特征在于优化近净成形的所述步骤包括以下步骤：
[0099] a、在熔炉中加热所述坯或锭，
[0100] b、将所述坯或锭第一次镦锻至中间高度，
[0101] C、将经镦锻的坯或锭拉拔至中间直径，
[0102] d、为经拉拔的坯或锭提供辅助加热，
[0103] e、在空心模中将经辅助加热的坯或锭第二次镦锻至预制件的最终高度，
[0104] f、在空心模中冲压经第二次镦锻的坯或锭，
[0105] g、为经冲压的坯或锭提供热处理，以进行正火、硬化和双回火，从而生产近净成形 的空心轴。
[0106] 3、如实施例1所述的制造空心轴的方法，其中在所述连铸坯或锭的横截面为大致 矩形的情况下，优化近净成形的所述步骤包括以下步骤：
[0107] a、在熔炉中加热所述坯或锭，
[0108] b、将经加热的坯或锭第一次镦锻至中间高度，
[0109] c、将经第一次镦锻的坯或锭拉拔至中间直径，
[0110] d、为经拉拔的坯或锭提供辅助加热，
[0111] e、在空心模中将经辅助加热的坯或锭第二次镦锻至预制件的最终高度，
[0112] f、在空心模中冲压经第二次镦锻的坯或锭，从而生产近净成形的空心轴。
[0113] 4、一种如实施例1至3中所述的由坯或锭制造的空心轴，其中对近净成形的优化 通过使用空心模和冲床并通过为所述近净成形提供粗机械加工和应力消除处理而进行。
[0114] 5、如实施例4所述的空心轴，其中所述空心轴的制造开始于连铸坯或锭，该连铸 坯或锭的横截面为圆形或多边形。
[0115] 6、如实施例5所述的空心轴，其中所述空心轴的制造开始于连铸坯或锭，该连铸 坯或锭的横截面为大致矩形。
[0116] 7、如权利要求5和6所述的空心轴，其中所述轴具有多个直径的孔。
[0117] 尽管以上说明包含许多细节，但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制， 而是应当被解释为其优选实施例的示例。必须意识到，在不背离本发明的精神和范围的情 况下，可以基于以上给出的公开内容进行修改和变化。相应地，本发明的范围不应当由例示 的实施例确定，而是由所附权利要求书及其法律等同物确定。
【权利要求】
1. 一种由输入对象制造在风能应用的齿轮箱中使用的空心轴的方法，其特征在于所述 方法包括通过锻造及随后的校准机械加工和应力消除来优化近净成形的步骤，所述输入对 象为连铸述或者锭。
2. 如权利要求1所述的制造空心轴的方法，其中在所述连铸坯或锭的横截面为圆形或 多边形的情况下，其特征在于优化近净成形的所述步骤包括以下步骤： a、 在熔炉中加热所述坯或锭， b、 将所述坯或锭第一次镦锻至中间高度， c、 将经镦锻的坯或锭拉拔至中间直径， d、 为经拉拔的坯或锭提供辅助加热， e、 在空心模中将经辅助加热的坯或锭第二次镦锻至预制件的最终高度， f、 在空心模中冲压经第二次镦锻的坯或锭， g、 为经冲压的坯或锭提供热处理，以进行正火、硬化和双回火，从而生产近净成形的空 心轴。
3. 如权利要求1所述的制造空心轴的方法，其中在所述连铸坯或锭的横截面为大致矩 形的情况下，优化近净成形的所述步骤包括以下步骤： a、 在熔炉中加热所述坯或锭， b、 将经加热的坯或锭第一次镦锻至中间高度， c、 将经第一次镦锻的坯或锭拉拔至中间直径， d、 为经拉拔的坯或锭提供辅助加热， e、 在空心模中将经辅助加热的坯或锭第二次镦锻至预制件的最终高度， f、 在空心模中冲压经第二次镦锻的坯或锭，从而生产近净成形的空心轴。
4. 一种如权利要求1至3所述的由坯或锭制造的空心轴，其特征在于对近净成形的优 化通过使用空心模和冲床及随后的为所述近净成形提供粗机械加工和应力消除处理而进 行。
5. 如权利要求4所述的空心轴，其中所述空心轴的制造开始于连铸坯或锭，该连铸坯 或锭的横截面为圆形或多边形。
6. 如权利要求4所述的空心轴，其中所述空心轴的制造开始于连铸坯或锭，该连铸坯 或锭的横截面为大致矩形。
7. 如权利要求5和6所述的空心轴，其中所述轴具有多个直径的孔。
【文档编号】B21J5/10GK104114299SQ201280069338
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2011年12月30日
【发明者】巴巴萨海布·尼尔康德·卡利亚尼 申请人:巴巴萨海布·尼尔康德·卡利亚尼