本发明属于机械领域，具体涉及一种模具精整段长度的确定方法。
背景技术：
：等速万向传动轴是汽车等速万向传动总成中一个重要组成部件。一端与变速器内的差速器半轴齿轮相连，另一端与驱动轮的轮毂连接，在轿车行驶过程中起着传递运动及转矩的作用。旋转锻造简称旋锻，也可以叫做径向锻造，是一种用于棒料、管材或线材精密加工的回转成形工艺，属于渐进成形和近净成形的范畴。旋转锻造是一种由2～4块锻模环绕坯料轴线高速旋转的同时，对坯料进行高频锻打，从而使坯料轴截面尺寸减小或形状改变的渐进成形方法。旋锻加工空心轴，能够实现连续径向锻打，进给量小，与切削加工获得的锻件相比，具有较好的成型质量。此外，采用锻造成形技术，形状及尺寸可灵活控制，可以提供形状复杂的零部件毛坯，因此,在国外的高级轿车传动轴制造中广泛应用旋锻工艺。采用旋锻工艺能够加工出整体式轿车空心轴，具有轻量化程度高、扭转刚度高和疲劳寿命高等特点。旋锻工艺能够加工出整体式轿车空心轴，具有轻量化程度高、扭转刚度高和疲劳寿命高等特点，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，因此轿车等速万向传动中间轴旋锻工艺会成为中间轴制造生产的发展趋势。轿车等速万向传动轴的中间部分是利用含芯棒旋锻工艺形成的等壁厚空心轴，旋锻过程中合理的工艺参数是保证旋锻产品质量及预防缺陷的关键。但是，采用目前的旋锻加工工艺生产出的轿车等速万向传动轴存在有凹坑、表面折叠、内表面裂纹、圆度误差、直线度误差、表面粗糙度过大等缺陷。如果锻件要求尺寸精度较高，则必须对旋锻模具精整段长度进行合理的设计，若模具精整段长度设计不合理，常会引起空心轴在旋锻过程中出现圆度误差、直线度误差、表面粗糙度过大等缺陷，影响空心轴的质量和性能。技术实现要素：本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法。本发明提供了一种变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法，用于在含芯棒轴段的旋锻轴旋锻工艺中，对影响旋锻质量的旋锻过程中的中性面位置以及旋锻轴旋锻模具精整段长度进行确定，其特征在于，包括：步骤1，确定含芯棒轴段旋锻过程中的中性面的位置；步骤2,建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与中性面位置之间的关系；步骤3，建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系；步骤4，确定含芯棒轴段旋锻模具精整段极限长度；步骤5，确定含芯棒轴段旋锻模具精整段工作长度。在本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，通过理论解析法、仿真法、实验法中的任意一种方法来确定含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系。另外，在本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中通过仿真法分别选取复数种不同的精整段长度的含芯棒轴段旋锻模具，通过实验得到含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系线1，该关系线1的函数表达式为：yy1＝0.49x+15.02，y1为中性面所对应的Y轴坐标值，x为单位是mm的含芯棒旋锻模具精整段长度的值。另外，在本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中，在设定含芯棒旋锻进给量的条件下，分别选取复数种不同的精整段长度的含芯棒轴段旋锻模具，通过实验得到含芯棒旋锻模具精整段长度与锻打力之间的关系线2，该关系线2的函数表达式为：yy2＝16.46x-199.35，y2为锻打力的值，x为单位是mm的含芯棒旋锻模具精整段长度的值。另外，在本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，选取相同的毛坯材料，在设定含芯棒旋锻进给量的条件下，分别选取复数种不同的精整段长度的含芯棒轴段旋锻模具，通过实验得到含芯棒旋锻模具精整段长度与轴向拉应力的关系曲线3，该关系线3的表达式为：yy3＝9.73×1010×0.64x+477.12，y3为单位是MPa的轴向拉应力值，x为单位是mm的含芯棒旋锻模具精整段长度的值。另外，在本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，根据关系线3，得到与毛坯材料极限值对应的精整段极限长度。另外，在本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤5中，所述精整段工作长度为同时满足所述关系线1、所述关系线2以及所述关系线3且小于所述精整段极限长度的任意一个x的值。发明的作用与效果根据本发明所涉及的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法，包括以下步骤：确定含芯棒轴段旋锻过程中的中性面的位置；建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与中性面位置之间的关系；建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系；确定含芯棒轴段旋锻模具精整段极限长度；结合旋锻性中面位置、旋锻力以及旋锻轴产品尺寸，确定合适的含芯棒轴段旋锻模具精整段长度。本发明结合轿车旋锻轴产品和旋锻特征，建立含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置、旋锻力之间的关系，提出的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法对提高空心轴的质量和性能，以及含芯棒旋锻空心轴模具设计及实际生产具有重要的技术参考价值。附图说明图1是本发明的实施例中旋锻前空心轴中间段的示意图；图2是本发明的实施例中变壁厚变截面的空心轴段示意图；图3是本发明的实施例中含芯棒轴段旋锻模具与毛坯的位置关系示意图；图4是本发明的实施例中含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系线示意图；图5是本发明的实施例中含芯棒旋锻模具精整段长度与锻打力的关系线示意图；以及图6是本发明的实施例中含芯棒旋锻模具精整段长度与轴向拉应力的关系线示意图。具体实施方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明提供的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法作具体阐述。实施例步骤1，确定含芯棒轴段旋锻过程中的中性面位置。本实施例以某轿车旋锻空心轴中间段为例，旋锻加工等速万向中间轴使用的坯料为无缝钢管，如图1所示，材料为合金钢25CrMo4，产品对毛坯材料的性能要求:抗拉强度最大630MPa(目标600MPa)、表面硬度86～100HRB(目标86～95HRB)、芯部硬度169～240HV5。该坯料尺寸为：外径为37mm，壁厚为5mm。为了描述方便，根据产品的加工工艺把旋锻轴分为三部分，如图2所示，其轴段1、3是变壁厚变截面的空心轴段，采用无芯棒多道次旋锻成形；轴段2是等壁厚等截面的空心轴段，采用含芯棒单道次旋锻成形。(1)根据变截面变壁厚轿车旋锻轴的旋锻特征，确定含芯棒旋锻中性面位置；对于本实施例，变截面变壁厚的旋锻轴的旋锻过程的主要分为无芯棒轴段1旋锻、含芯棒轴段2旋锻和无芯棒轴段3旋锻等三个过程。工序过程一，无芯棒轴段1旋锻，旋锻过程材料流动主要是径向的，轴向金属流动很少。工序过程二，含芯棒轴段2旋锻，旋锻过程是一个对材料的拉拔过程，旋锻中金属流动既产生径向流动又产生轴向流动，通过控制模具形状是影响金属的流动方向的关键参数。含芯棒轴段2旋锻过程中需要控制金属流动的主要方向，因为无芯棒轴段1已经旋锻完成，金属向含芯棒轴段1端流动过多会影响旋锻产品的质量。工序过程三，无芯棒轴段3旋锻，旋锻过程与无芯棒轴段1的旋锻过程一样，旋锻过程材料流动主要是径向的，轴向金属流动很少。。含芯棒轴段2旋锻模具与毛坯的详细位置关系如图3所示，根据模具和坯料旋锻变形之间的金属流动关系可以把含芯棒旋锻模具分为三段，分别为下沉段I、锻造段II、精整段III。其中下沉段主要是在模具的锻打下毛坯材料径向移动，内外径减小；锻造段为材料的主要变形段，在模具的锻打下并结合芯棒的作用而形成产品的基本型线；模具精整段部分为校准段，毛坯经过精整段的锻打进一步提高产品圆度和表面质量。旋锻过程中的中性面是金属流动的分割面，中性面内金属不流动，中性面两侧的流动方向相反，旋锻过程中中性面的位置是影响旋锻质量的重要参数之一。对于本实施例，为了保证旋锻质量，中性面位置应该在模具精整段，这样旋锻时金属尽可能给向坯料端流动，以保证已旋锻完成的轴段1的质量。当中性面位于精整段时，坯料端的金属流动速度远远大于产品端。根据变截面变壁厚轿车旋锻轴的旋锻特征和中性面位置处材料流动特性，中性面越靠近产品端越好，可以减小材料向产品端的流动，从而避免影响已加工过部分的质量。所以中性面应该位于精整段Ⅲ内。步骤2,建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与中性面位置之间的关系。(2)建立含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置之间的关系。含芯棒旋锻模具精整段长度对中性面位置影响很大，为了确定含芯棒旋锻模具精整段长度，需要建立含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系，可以通过理论解析法、仿真法、实验法等确定含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系。本例中通过仿真法来确定含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系。分别选取40mm、45mm、50mm、55mm、60mm五种不同精整段长度的模具得到含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系如表1所示：表1不同精整段长度下的中性面位置利用表1中的数据，得到如图4所示的含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置的关系线1。根据图4中精整段长度和中性面的位置关系线1，拟合出精整段长度与中性面位置之间的函数关系如式(1)所示yy1＝0.49x+15.02(1)式中，y1为中性面所对应的Y轴坐标值，x为单位是mm的含芯棒旋锻模具精整段长度的值。不同精整段长度下的中性面位置的仿真结果还表明，随着精整段长度的增加，中性面位置向产品端移动，由中性面位置对材料的流动影响可知，精整段长度的增加使材料向模具入口端的流动增加，这有利于提高加工轴的质量，所以中性面理论上越长越好，但在旋锻轴实际加工过程中会受到加工工艺和锻打力的限制，所以精整段也不能过长。步骤3，建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系。(3)建立含芯棒旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系。为了确定含芯棒旋锻模具精整段长度，还需要建立含芯棒旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系。精整段为产品的校准部分，主要用来控制锻件的最终成形尺寸和校准坯料的直线度。从精整段的效果来看，精整段越长越好，但过长的精整段使参与变形的金属增加，若还要保持原有的进给量，就需要增大旋锻力，从而会增加机器的负荷。当精整段减小时，相反，就需要减小旋锻力。若不减小旋锻力，精整段过短会出现锤印和表面波纹。对于本实施例，含芯棒旋锻的进给量为2.42mm，精整段长度与锻打力之间的关系线2，如图5所示。由图5可以看出不同的精整段长度对应不同的锻打力，两者基本呈线性关系，根据图5精整段长度与锻打力的变化可以拟合出精整段长度与锻打力之间的函数关系如式(2)所示yy2＝16.46x-199.35(2)式中，y2为锻打力的值，x为单位是mm的含芯棒旋锻模具精整段长度的值。精整段长度与锻打力之间的关系还表明精整段越短，径向锻打力越小，减小精整段的长度有利于降低锻打力。步骤4，确定含芯棒轴段旋锻模具精整段极限长度。(4)根据旋锻材料力学特性确定含芯棒旋锻模具精整段极限长度。含芯棒旋锻模具精整段长度还受到材料极限的影响，因为坯料含芯棒旋锻过程中轴向受拉。若拉应力过大，则可能导致旋锻裂纹等缺陷。因此含芯棒精整段长度要受到旋锻轴材料的应力约束。本实施例中所选用的毛坯材料为合金钢25CrMo4，其抗拉强度最大为630MPa(目标600MPa)。本例中含芯棒旋锻进给量为2.42mm。四种不同精整段长度45mm、50mm、55mm、60mm下的轴向拉应力如表2所示：表2不同精整段长度下的轴向拉应力参数模具1模具2模具3模具4精整段长度L/mm45505560轴向拉应力/MPa232440469483由表2中数据可以得到如图6所示精整段长度与轴向拉应力的关系线3。根据图6中的关系线3。得到精整段长度与锻打过程中轴向拉应力之间的函数关系如式(3)所示yy3＝9.73×1010×0.64x+477.12(3)式中，y3为单位是MPa的轴向拉应力值，x为单位是mm的含芯棒旋锻模具精整段长度的值。由精整段长度与轴向拉应力关系线3可知，在含芯棒旋锻时，在其它条件不变情况下，随着精整段长度的增大，其对应的轴向应力也随之增大。当精整段长度达到60mm时其轴向应力达到483MPa，为了确保旋锻过程中轴向拉应力不能过大，实际精整段长度最好不大于55mm。步骤5，确定含芯棒轴段旋锻模具精整段工作长度。(5)结合旋锻中性面位置、旋锻力以及旋锻轴产品尺寸，确定合适的精整段工作长度。结合含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置之间的关系，含芯棒旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系以及旋锻材料力学特性确定含芯棒旋锻模具精整段极限长度，可以确定含芯棒旋锻模具精整段工作长度,所述精整段工作长度为同时满足所述关系线1、所述关系线2以及所述关系线3且小于所述精整段极限长度的任意一个x的值。对于本实施例，根据变截面变壁厚轿车旋锻轴的旋锻特征和含芯棒旋锻轴的表面质量要求确定中性面在精整段Ⅲ处；当精整段长度为45～55mm时，锻打力为550～700KN，轴向拉应力为230～469MPa，材料向产品端流动率显著提高，机器锻打力也较低，锻打过程中轴向拉应力不大，不会缺陷，所以当精整段长度为45-55mm时，旋锻过程中的锻打力和轴向拉力合适，此时产品质量也会显著提高；当精整段长度为55～60mm时，锻打力大于700KN，轴向拉应力也增加为469～483MPa，机器锻打力较大，此时，如果毛坯材料存在缺陷的话，锻打过程中产品会因轴向拉应力过大而产生缺陷或潜在缺陷，从而降低产品质量。另外，虽然精整段长度越大精整效果越好，但精整段长度还会受到产品具体结构的制约，也不能过长，否则影响产品的加过程。实施例的作用与效果根据本实施例所涉及的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法，包括以下步骤：确定含芯棒轴段旋锻过程中的中性面的位置；建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与中性面位置之间的关系；建立含芯棒轴段旋锻模具精整段长度与旋锻力之间的关系；确定含芯棒轴段旋锻模具精整段极限长度；结合旋锻性中面位置、旋锻力以及旋锻轴产品尺寸，确定合适的含芯棒轴段旋锻模具精整段长度。本实施例结合轿车旋锻轴产品和旋锻特征，建立含芯棒旋锻模具精整段长度与中性面位置、旋锻力之间的关系，提出的变截面变壁厚旋锻轴旋锻模具精整段长度的确定方法对提高空心轴的质量和性能，以及含芯棒旋锻空心轴模具设计及实际生产具有重要的技术参考价值。另外，本实施例通过仿真实验得到所述含芯棒旋锻模具精整段长度与所述中性面位置的关系线1，便于根据中性面位置确定来精整段的长度。进一步地，本实施例通过实验得到所述含芯棒旋锻模具精整段长度与锻打力之间的关系线2，便于根据锻打力来确定精整段的长度。进一步地，本实施例通过实验得到所述含芯棒旋锻模具精整段长度与轴向拉应力的关系曲线3，便于根据轴向拉应力来确定精整段的长度。上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。当前第1页1 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