轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种轿车旋锻轴硬度及硬度分布设计方法，尤其是一种采用旋锻工艺 具有连续的纤维流线、表面成形质量好、容易成形变截面变厚度结构、效率高、材料利用率 高等优势的轿车旋锻轴及硬度分布设计方法。
【背景技术】
[0002] 在国外的高技术和高水平高级轿车传动轴制造中广泛应用。轿车等速万向中间轴 是利用无缝钢管通过无芯棒旋锻、含芯棒旋锻、渐开线花键成形等工艺形成的变截面、变厚 度空心轴。轿车旋锻轴制造过程中毛坯硬度及硬度分布影响旋锻工艺过程、渐开线花键成 形过程、热处理强化工艺制定以及产品静强度和疲劳特性。轿车旋锻轴硬度设计包括毛坯 硬度及硬度分布设计、无芯棒旋锻后花键成形段的硬度及硬度分布设计、旋锻轴热处理强 化的硬度及硬度分布设计。
[0003] 旋锻成形工艺是一种近净成形技术，该工艺具有连续的纤维流线、表面成形质量 好、容易成形变截面变厚度结构、效率高、材料利用率高等优势方法具有效率高、表面成形 质量好、材料利用率高等优势。特别是含芯棒旋锻时材料内外受三向压应力，尤其适用于难 变形的高强度合金材料的成形，对于小尺寸和承受大扭矩的轿车等速万向传动中间轴制造 具有明显的优势，轿车等速万向传动中间轴旋锻将成为中间轴制造生产的大趋势。
[0004] 轿车旋锻轴制造过程中的硬度设计和控制包括旋锻轴毛坯的硬度及硬度分布、无 芯棒旋锻后花键成形段的硬度及硬度分布设计、热处理强化硬度和硬度分布、旋锻轴产品 要求的旋锻轴硬度及硬度设计。旋锻轴制造过程中硬度及其硬度分布不仅影响旋锻轴毛坯 设计、旋锻工艺参数制定和热处理强化工艺制定，而且还影响旋锻轴产品的静强度和疲劳 强度。
【发明内容】
[0005] 本发明结合轿车旋锻轴产品旋锻工艺、渐开线花键成形工艺、热处理强化工艺以 及产品静强度和疲劳强度要求等提出了一种轿车旋锻轴硬度及硬度分布的设计方法。
[0006] 本发明的技术方案是：一种轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，包括以下步 骤： (1) 基于轿车旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，进行轿车旋锻轴毛坯的硬度及 硬度分布初步设计； (2) 基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及硬度分布的设计 要求； (3) 基于轿车旋锻轴材料的端淬曲线，提出轿车旋锻轴产品的热处理强化工艺设计要 求，进行轿车旋锻轴产品热处理强化后的表面硬度及硬度梯度设计； (4) 试验获得轿车旋锻轴毛坯硬度与轿车旋锻轴产品静强度和疲劳寿命关系； (5) 结合制造工艺、热处理工艺以及旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的要求，进行轿车旋 锻轴毛坯、制造过程中及产品的硬度及硬度分布的最终设计。
[0007] 上述步骤（1)中，基于旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，旋锻轴毛坯硬度和 硬度梯度的初步设计为：对于低碳合金钢，旋锻轴毛坯材料的旋锻工艺限制毛坯材料的硬 度不高于240HV ;旋锻轴渐开线花键成形工艺限制毛坯旋锻后硬度不高于210HV ;根据材料 的加工硬化特性，轿车旋锻轴的毛坯硬度设计不高于190HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略 高于表面硬度5HV以内。
[0008] 上述步骤（2)中，基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及 硬度分布的设计要求：根据旋锻轴产品传递的极限载荷，计算出旋锻轴危险截面的应力，旋 锻轴产品的硬度及硬度分布的设计要求是旋锻轴危险截面硬度及硬度分布均在最大应力 所对应的硬度及硬度分布曲线之上。
[0009] 上述步骤（3)中，基于轿车旋锻轴材料的端淬曲线，提出轿车旋锻轴产品的热处 理强化工艺设计要求，进行轿车旋锻轴产品热处理强化后的表面硬度及硬度梯度设计：满 足旋锻工艺要求的低碳合金钢旋锻轴材料的端淬曲线表明，旋锻轴产品仅淬火不能满足强 度要求，旋锻轴产品的热处理强化工艺设计为渗碳淬火，渗碳时防止旋锻轴轴段II渗透， 渗碳深度确定为0. 5-lmm ;为了满足旋锻轴危险截面硬度及硬度分布均在最大应力所对应 的硬度及硬度分布曲线之上，旋锻轴渗碳淬火后表面硬度不低于630HV、心部硬度不低于 480HV。
[0010] 上述步骤（4)中，试验获得轿车旋锻轴毛坯硬度与轿车旋锻轴产品静强度和疲劳 寿命关系的具体方法是：选择不同的毛坯硬度，进行旋锻和热处理强化，按照产品要求进 行静强度和疲劳寿命试验，建立旋锻轴毛坯硬度与旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的影响关 系，试验结果表明，随着毛坯的硬度增加，旋锻轴产品的静强度增加，但疲劳寿命却降低；随 着毛坯的硬度降低，旋锻轴产品的静强度减少，疲劳寿命反而增加，旋锻轴产品的静强度和 疲劳寿命要求旋锻轴毛坯的硬度范围为150HV-180HV。
[0011] 上述步骤（5)中，结合制造工艺、热处理工艺以及旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的 要求，进行轿车旋锻轴毛坯、制造过程中及产品的硬度及硬度分布的最终设计：旋锻轴毛坯 硬度表面硬度范围为150HV-180HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度5HV以内； 无芯棒旋锻后轴段I和III的表面硬度不高于210HV ;热处理强化后旋锻轴产品表面硬度 不低于630HV、心部硬度不低于480HV ;旋锻轴产品的硬度沿深度分布在最大应力对应的硬 度分布线之上。
[0012] 本发明的有益效果是： 本发明结合材料的旋锻能力、旋锻硬化、渐开线花键成形要求以及旋锻轴产品强度要 求，进行旋锻轴毛坯硬度及硬度分布设计、无芯棒旋锻后花键成形段的硬度及硬度分布设 计、热处理强化硬度和硬度分布、旋锻轴产品要求的旋锻轴硬度及硬度设计。本发明方法对 合理制定旋锻工艺参数、提高旋锻轴产品质量和产品合格率等具有重要的技术参考价值。
【附图说明】
[0013] 图1为某轿车旋锻轴轴产品特征和尺寸图； 图2为轴段I和III危险截面的最大等效应力图； 图3为轴段III危险截面硬度及硬度梯度分布图。
【具体实施方式】
[0014] 以某轿车等速万向传动中间轴旋锻为对象，材料为25CrM〇4,产品特征及其主要 尺寸如图1所示，它有等截面等壁厚的无缝钢管经过旋锻制造而成。为了描述方便，根据 轿车旋锻轴的产品特征和旋锻成形工艺要求，把该轿车等速万向传动中间轴其分为两大部 分：第一部分为变壁厚变截面的空心轴段部分，即轴段I和轴段III，它们通过无芯棒多道次 旋锻成形；第二部分为等壁厚的空心轴段部分，即轴段II，它通过含芯棒单道次旋锻拉拔成 形；轴段I和轴段III旋锻后进行渐开线花键冷成形。
[0015] 轿车旋锻轴的主要制造过程中为无芯棒旋锻轴段I、含芯棒旋锻轴段II、无芯棒 旋锻轴段III、渐开线花键成形轴段I和III、旋锻轴热处理强化等。
[0016] (1)基于轿车旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，进行轿车旋锻轴毛坯的硬 度及硬度分布初步设计； 对于本例中25CrMo4材料，属于低碳合金钢，对于这类材料硬度小于190HV时旋锻效果 最佳，硬度高于240HV时不适于旋锻，硬度在190-240HV区间旋锻趋于稳定。基于25CrM〇4 材料的旋锻能力，旋锻轴毛坯的硬度小于200HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬 度（5HV以内）。
[0017] 本实例的轿车旋锻轴毛坯经过无芯棒旋锻轴段I、含芯棒旋锻轴段II、无芯棒旋 锻轴段III后，需要对轴段I和III进行渐开线花键冷推成形。空心轴管渐开线花键冷推 成形的材料的硬度小于210HV，即通过无芯棒毛坯旋锻后，轴段I和III的表面硬度小于 210HV。根据无芯棒旋锻毛坯变形和材料的加工硬化曲线可以计算出旋锻轴毛坯硬度小于 190HV。
[0018] 基于旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，旋锻轴毛坯硬度和硬度梯度的初 步设计为：旋锻轴毛坯表面硬度小于190HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度 (5HV以内）。
[0019] (2)基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及硬度