一种汽车驱动桥半轴套管的加工方法与流程

本发明涉及汽车零部件制造领域，尤其涉及一种汽车驱动桥半轴套管的加工方法。

背景技术

半轴套管是工程机械驱动桥上重要的零件，作为驱动桥两端的轮边支承,工作时承受着由于环境变化产生的各种复杂交变应力(如图7所示驱动桥结构示意图)。半轴套管锻造质量的好坏，对于工程机械驱动桥的安全运行与否有着重要的意义，是其能否正常工作的必要前提。

世界上半轴套管具有各种各样的成形方法，包括我国大多数半轴套管生产厂家均采用以棒材为原材料，对其进行多次挤压成形。然而长期以来这样的成形工艺暴漏了它的诸多缺点：以棒材为原材料，低的材料利用率造成了很大的浪费；复杂的工序需要很长的时间，同时降低了效率。

传统的半轴套管成形工艺有以下几种：胎膜锻半轴套管，其产品如图8所示，采用的工艺为：下料-加热拔长杆部-镦头预成形-预冲盲孔-终锻成形，存在生产率低、劳动强度大等缺点；正挤横轧复合成形工艺，产品如图9所示。本工艺管体和法兰盘各自单独成形，管体由无缝钢管轧制。轧辊形状可以保证管体正确成形。半轴套管法兰盘部分由胎模锻造，最终经过机械加工后将两者焊接成形，产品经焊接而成，机械强度下降。镦挤成形，如图10所示，镦挤成形工艺工序为-次加热-压型-冲孔-正挤-二次加热-镦挤成形，本工艺的生产工步较多，且不能够成形通孔，需要二次加工。

所以，各大半轴套管生产厂家都急需开发一种新的成形方法，来满足节能、环保、经济、高效的要求。随着制造业的发展，以下特征将成为新型工艺生产的必然趋势：提高生产效率和零件质量可靠性。

技术实现要素：

本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种汽车驱动桥半轴套管的加工方法，简化了工序并提高了材料利用率。

本发明提供的技术方案为：一种汽车驱动桥半轴套管的加工方法，包括：

步骤一、根据驱动桥半轴套管尺寸选取管坯，将所述管坯放置于频炉中加热至1150℃～1200℃；

步骤二、将所述管坯放置于第一挤压成形模具中，第一凸模插入所述管坯自上而下连续挤压扩孔，所述管坯下端以正挤压方式压入第一凹模下端，上端以反挤压的变形方式镦粗，中部沿轴向下移，得到预成形工件；

步骤三、将所述预成形工件于第二挤压成形模具中，所述预成形工件下端以正挤压方式压入第二凹模下端，上端以反挤压的变形方式镦粗，中部沿轴向下移，得到成形锻件；

步骤四、将所述成形锻件和法兰盘组装焊接，并进行精加工得半轴套管；

其中，所述第一挤压成形模具与所述预成形工件匹配，所述第二挤压成形模具与所述成形锻件匹配。

优选的是，

所述预成形工件长度l1满足：

其中，vz为管坯变形部分体积，d1为预成形外径，k为第一模膛未充满系数，δ为加热火耗系数，d1为预成形工件的内径，并且满足：

d1²＝d0²-d0²

其中，d0为管坯外径，d0为管坯内径。

优选的是，所述管坯采用材质为40cr中碳低合金钢的热轧圆钢。

优选的是，所述步骤二包括以下步骤：

步骤a、对所述管坯进行局部感应加热至1150℃；

步骤b、将所述管坯涂抹润滑剂后定位在第一凹模中；

步骤c、在垂直缸的作用下，第一凹模下移压紧固定管坯；

步骤d、水平缸带动第一凸模，对所述管坯进行水平镦挤成形。

优选的是，所述步骤三的方法如下：

将所述预成形工件放置在液压机内，加热至950℃；

将加热后的所述预成形工件涂抹润滑剂后定位在第二凹模中；

在垂直缸的作用下，第二凹模下移压紧固定管坯；

利用水平缸带动第二凸模，对所述管坯进行水平镦挤成形。

优选的是，所述步骤二中对第一挤压程序模具进行预热，其中，第一凹模预热温度400℃，第一凸模预热温度300℃。

优选的是，在所述步骤d中，锻造挤压的锻造力为400～630t，第一模具和管坯的接触行程为40～50mm，接触时间为5～10s。

优选的是，所述步骤二中采用ym61-630液压机；

并且，所述步骤三中采用卧式液压镦锻机。

优选的是，所述步骤二中为保证金属挤出时的降温速率及预成件的刚度性能，对正挤压内孔时的挤压速率v进行控制：

其中，t为挤压时的温度，vz为管坯变形部分体积，d0为管坯外径，d0为管坯内径，f为校正系数。

优选的是，f为校正系数，满足：

其中，μ为第一系数

本发明所述的有益效果：提供了一种以管坯作为原料的两序挤压成形工艺，简化了工序、提高了材料利用率低，节约能源、提高了生产效率、降低制造成本；通过具体的工作状况来调整挤压速度，避免二次加热或挤压力增大。

附图说明

图1为坯料挤压成形工艺流程示意图。

图2为坯料挤压成形工序预成品示意图。

图3为半轴套管第一挤压成形工序管坯图。

图4为本发明所述的第一步挤压工序半轴套管预成品图。

图5为本发明所述的第二步挤压成形后的镦锻成品图。

图6是本发明所述挤压工序凹凸模结构及相对位置示意图。

图7是本发明所述的驱动桥体结构示意图。

图8是本发明所述的胎膜锻半轴套管成形工艺图。

图9是本发明所述的正挤横轧复合成形工艺图。

图10是本发明所述的镦挤成形工序示意图。

图11是本发明所述的第二凸模结构示意图。

图12是本发明所述的第二凹模结构示意图。

图13是本发明所述的第一凸模结构示意图。

图14是本发明所述的第一凹模结构示意图。

图15是本发明所述的凹模总体结构示意图。

图16是本发明的成形过程中力-行程曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1-6和图11-16所示，本发明的一种汽车驱动桥半轴套管的加工方法，方法如下：

步骤一、选料工序；

根据应用范围内驱动桥半轴套管的尺寸参数和几何特征，确定管坯的直径、壁厚、管坯长度，利用锯床，根据计算尺寸对管坯进行下料。半轴轴管挤压成形使用材质为40cr中碳低合金钢的热轧圆钢。然后将符合要求的管坯放入频炉中加热至1150℃～1200℃。

步骤二、第一步挤压成形工序；

挤压加热温度范围为920℃～1200℃，初始温度定为1200℃。模具的预热温度对工件的成形温度分布具有重要影响，成形温度过低使模具寿命降低，挤压件容易出现条状碳化物和裂纹。凹模预热可以减小坯料和模具之间的温差，使其接触部位热传导降低，进而使锻件表面温度下降梯度减缓，因此模具预热温度的提高会使热挤压成形过程中温度分布较为均匀。但模具预热温度过高会降低模具的使用寿命，增加生产成本。所以模具初始温度应该控制在合适的范围内。

如图6所示，本发明中挤压模应进行预热，其中第一凹模220预热温度设置为400℃，第一凸模220预热温度设置为300℃。挤压过程需要选择合理的挤压速度，挤压速度过小使得温度下降过快，需要二次加热，并且所需挤压力也较大。挤压速度过大使得金属流动应力随应变率增大，也会使得挤压力增大。本发明中第一挤压成型中挤压速度设置为v：

其中，t为挤压时的温度，单位为℃，vz为管坯变形部分体积，单位为mm³，d0为管坯外径，单位为mm，d0为管坯内径，单位为mm，f为校正系数。

f为校正系数，满足：

其中，μ为第一系数，其值与管料(即管坯)的性能有关，其取值如表1：

表1第一系数的值

将管坯100放置于ym61-630液压机的第一凹模220和第一凸模210中，夹紧定位，三者轴线重合。带有锥度的第一凸模210插入管坯100自上向下连续进行挤压扩孔。管坯100下端通过正挤压方式压入第一凹模220下端，上端部分通过反挤压的成形工艺进行镦粗。中间部分部分不变形，只是沿着轴线向下位移，以此减小变形量。挤压成形过程中，利用金属塑性变形前后体积不变的原则可以通过计算获得预成形工件的长度。

预成形工件长度l1满足：

其中，vz为管坯变形部分体积，单位为mm³，d1为预成形外径，单位为mm，k为第一模膛未充满系数，δ为加热火耗系数，d1为预成形工件的内径，单位为mm，并且满足：

d1²＝d0²-d0²

其中，d0为管坯外径，d0为管坯内径。

步骤三、第二步挤压成形工序；

如图11，扩径凸模311、镦粗凸模312、凸模垫板313、冲头314。图中扩径凸模311在镦粗过程中的作用是第一步成形件的小径和大径之间过渡圆弧的挤压成形。镦粗凸模312是与第二凹模配合，完成第二工序大径的挤压成形。保证大径的挤压成形尺寸。凸模垫板313是辅助挤压，保证镦粗凸模312和冲头314的刚度，防止镦粗凸模312和冲头314直接接触导致过渡磨损。冲头314用于接受外界作用，引导凸模整体按照预定挤压方向运动。

将第一步挤压成形的预成形工件放在第二挤压成形的模具之中，挤压工件的温度为950℃。

第二步挤压成形的锻造件的成形锻件尺寸，尺寸关系满足：

d2＝ε2d1

其中，ε2为第二挤压成形直径允许增大系数，m1第二挤压成形自由聚集允许镦粗比，d1为预成形工件的内径。

步骤四、整形精加工；

将得到的成形锻件和加工得到的法兰盘组装焊接，并对内外进行机械精加工得到汽车半轴套管(如图5所示)。

实施例

步骤一、半轴轴套的挤压成形工艺，确定所用管坯的尺寸结构以及性质。

利用锯床，根据计算尺寸对管坯进行下料。根据应用范围内驱动桥半轴的尺寸参数和几何特征，确定管坯的直径d0＝121mm，壁厚h0＝14mm与管坯长度l0＝404.37mm；半轴轴管套管挤压成形使用材质为40cr中碳低合金钢的热轧圆钢。然后将符合要求的管坯放入频炉中加热至1150℃～1200℃，分为两步工序依次进行。

步骤二、第一步挤压成形工序。

1)由于是管坯大端成形工艺，所以只需要利用加热装置对管坯进行局部感应加热，加热到1100℃。

2)将管坯涂上润滑剂(优选石墨润滑剂或玻璃润滑剂)，按照上述设计的模具定位挡板放入下凹模中。

3)在垂直缸的作用下，上凹模下移以用来压紧管坯，防止管坯在成形过程中产生前后移动现象。

4)固定好管坯以后，第一凸模在水平缸的带动下向前移动，对管坯进行水平镦挤成形。其中锻造挤压工序所需最大锻造力为630t，第一步锻造挤压模具和管坯的接触行程为45.565mm，模具与锻件接触时间为10s。

5)镦挤完成之后，水平缸带动第一凸模退出模膛。垂直缸带动上第一凹模回到上限位。将第一凹模模腔中的锻件取出得预成形工件。

6)清理模膛。

步骤三、第二步挤压成形工序。

第二步挤压成形工序所使用的坯料为第一步的预成形工件。

1)将第一序挤压成形的预成形工件放在第二挤压成形的模具之中，挤压工件的温度为950℃。

2)利用加热装置对预成形工件进行局部感应加热，加热到950℃。

3)将管坯涂上润滑剂(优选石墨润滑剂或玻璃润滑剂)，按照上述设计的模具定位挡板放入下第二凹模中。

4)在垂直缸的作用下，第二凹模下移以用来压紧管坯，防止管坯在成形过程中产生前后移动现象。

5)固定好管坯以后，第二凸模在水平缸的带动下向前移动，对管坯进行水挤成形。

6)镦挤完成之后，水平缸带动第二凸模退出模膛。垂直缸带动上第二凹模回到上限位。将第二凹模模腔中的锻件取出。

7)清理模膛。

如图15所示，上模套410、上压紧镶块420、下压紧镶块430、下模套440、导套460、管坯100、导柱470、模板480、设备板490、模具固定销481、镶块定位销431、模具安装套482。由于采用的是卧式液压镦锻机成形半轴套管，凹模分为上下凹模，利用垂直液压缸带动上凹模进行上下行进，用来与下凹模进行开合。其中凹模又创新性的采用了镶块结构，压紧镶块420与成形镶块430分割开来，有利于模具的更换。在水平方向上，凸模在液压缸的带动下对管坯进行镦挤。凹模采用的是分体式，分为上下凹模两部分，并且每一部分又单独分出来很多小的部件，包括上压紧镶块420和下压紧镶块430、上模套410和下模套440、模具安装座等镶块482分为夹紧部分和成形部分，二者分开，这样在更换模具时就不用将模具全部进行更换，可以做到哪里有缺陷换哪里，进行局部更换，这样可以大大降低模具成本。成形模具和压紧模具分别与凹模安装座在水平方向上通过定位销进431行固定。上下凹模以导柱470为导向，以确保上下凹模精准对位。采用卧式凹模进行成形，适合长轴类锻件的局部成形，不受设备的行程限制。

模具的整体装配图如图15所示，冲头314安装在凸模固定座上，凸模固定座直接与液压机相连，为了保证凹凸模同心，可以对凸模进行上下左右的调整。同时，凹模固定采用槽型固定，使得凹模也可以进行左右移动，使调整同心时更加方便快捷。

采用本发明制作重型车半轴套管，半轴套管镦挤参数如表2：

表2半轴套管镦挤参数

仿真变量参数设计如表3：

表3仿真变量参数

如图16所示，初期阶段，力缓慢增加，并且保持在2t以内。一段时间后，力骤然增大，斜率突然陡峭。载荷达到8t以上，说明此时镦粗和扩孔同时进行。符合实际生产情况。

我们进行了多组正交试验，参数如下：

表4正交试验数据

得到如下表5结果的载荷

表5正交试验的成形载荷

其中载荷较小的是第6、8、9组。为了避免出现10000kn以上的镦锻力，我们结合实际生产快速调节，选取了本专利的参数搭配。符合实际生产需求。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。