分布的 设计要求； 对于本例的轿车旋锻轴，根据整车和等速万向传动轴设计要求，旋锻轴要的最大静 载荷是：等速万向传动轴固定端摆角40°、移动端摆角10°条件下，静断裂扭矩不小于 3700Nm。旋锻轴危险截面为轴段I和III最小截面处，轴段III危险截面的最大等效应力 可达2276MPa。危险截面应力对于的硬度沿深度分布如图2所示。
[0020] 本实例的轿车旋锻轴为了满足等速万向传动轴传递的最大载荷要求，旋锻轴强度 沿深度分布要大于图2中危险截面处的应力。根据强度与硬度转换关系一一IHV相对于 3. 98MPa，旋锻轴表面硬度要不低于630HV、硬度沿深度分布在最大应力分布线之上。
[0021] (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； 本实例的轿车旋锻轴毛坯经过无芯棒旋锻后，轴段I和III危险截面的表面硬度大约 为190HV左右，含芯棒旋锻的轴段II的表面硬度在240HV左右。为了提高旋锻轴强度以满 足产品要求，需要对旋锻轴产品进行热处理强化。热处理强化包括渗碳和淬火，以提高表面 和次表面强度和硬度。本例中25CrM 〇4材料的端淬曲线--即最大和最小淬火曲线如图3 所示。
[0022] 图3中可以看到，25CrM〇4材料仅通过淬火，表面硬度在最大应力对应的硬度分布 曲线下，不满足产品硬度及硬度分布需要。需要对25CrM 〇4旋锻轴产品进行渗碳提高表面 和次表面硬度以满足产品设计要求。渗碳淬火后25CrM〇4材料的最大和最小硬度沿深度分 布如图3中所示，25CrM 〇4产品渗碳淬火后的最小硬度分布要在最大应力对应的硬度曲线 以上。渗碳时防止旋锻轴轴段II渗透，渗碳深度确定为〇.5~lmm。渗碳淬火热处理强化后 表面硬度不低于630HV (相对于强度不低于2300MPa)、心部硬度不低于480HV (相对于强度 不低于1700MPa)。
[0023] (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； 选择不同的毛坯硬度，旋锻和热处理强化后，进行旋锻轴静强度和疲劳寿命试验，建立 毛坯硬度与产品静强度和疲劳寿命的影响关系。本例中选择不同硬度的25CrM〇4毛坯进行 试制，按照产品要求进行静强度和疲劳寿命试验的结果如表1所示。
[0024] 表1旋锻轴毛坯强度与静断裂扭矩
*注：静强度要求扭矩不小于4000Nm，疲劳寿命不小于30万次 试验结果表明本实例的轿车旋锻轴：随着毛坯的硬度增加，旋锻轴产品的静强度增加， 疲劳寿命降低；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。
[0025] (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。
[0026] 结合旋锻工艺、渐开线花键成形工艺要求、热处理强化工艺和旋锻轴产品的静强 度和疲劳强度要求，轿车旋锻轴产品和制造过程中的硬度及硬度分布：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。
【主权项】
1. 一种轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其特征在于，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。2. 根据权利要求1所述的轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其特征在于：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。3. 根据权利要求1所述的轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其特征在于：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。4. 根据权利要求1所述的轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其特征在于：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. 5-1_ ;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。5. 根据权利要求1所述的轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其特征在于：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。6. 根据权利要求1所述的轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其特征在于：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
【专利摘要】本发明涉及一种轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其步骤是：（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。
【IPC分类】C21D11/00, G06F17/50
【公开号】CN105302955
【申请号】CN201510690732
【发明人】卢曦, 朱卓选
【申请人】上海理工大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月22日