空心轴成形技术研究现状.pdf

第43卷第1期Vol． 43 No． 1FORGlNG 2．西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;3．江苏龙城精锻有限公司,江苏常州213164)摘要:比较了空心轴和实心轴的抗弯和抗扭截面系数,发现相同外径的空心轴和实心轴在传递扭矩、弯矩和弯扭复合的功能时差别不大,但空心轴能大幅降低轴的重量,故空心轴的应用受到了越来越多的重视,急需解决空心轴的成形问题。对空心轴的成形方法做了归纳总结,简要分析了锻造+机加工、径向锻造、旋转锻造、挤压或挤压+机加工、楔横轧、强力旋压、旋转压缩、内高压成形、横轧+轴向穿孔、注射锻造、静液挤压+内高压成形等的原理和特点,并对几种常用成形方法在坯料形式、成形温度、润滑、成形道次、尺寸精度、表面质量和成形周期等方面进行了比较。未来对空心轴的需求会越来越多,成形方法也将向高效、精密、柔性的方向发展。关键词:空心轴;实心轴;轻量化;径向锻造;旋转锻造;挤压DOI: 10． 13330/ j． issn． 1000-3940． 2018． 01． 001中图分类号: TG306 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2018) 01-0001-08Research status on forming technology for hollow shaftYang Cheng1,2, Lu Xingxing1, Sun Yue3, Zhuang Xiaowei3, Wang Ling3(1． School of Metallurgical Engineering, Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China;2． School of Mechanical Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710049, China;3． Jiangsu Longcheng Precision Forging Co． , Ltd． , Changzhou 213164, China)Abstract: The section moduli of bending resistance and torsion resistance for hollow shaft and solid shaft were compared, and there waslittle difference in transmission of torsion, bending moment and bending-torsion between hollow shaft and solid shaft with the same externaldiameter. However, the weight of hollow shaft could reduce a lot. Thus, the application of hollow shaft was increased more and more, andthe problems of hollow shaft forming were urgent to be solved. Then, the forming technologies of hollow shaft were concluded and summa-rized, and the principles and characteristics of forging + machining, radial forging, rotary forging, extrusion or extrusion + machining,cross wedge rolling, power spinning, rotary compression, internal high pressure forming, cross rolling + axial piercing, injection forgingand hydrostatic extrusion + internal high pressure forming were briefly analyzed. Furthermore, the commonly used methods were comparedfrom the following aspects of blank form, forming temperature, lubrication, forming pass, dimensional accuracy, surface quality and formng cy-cle. In the future, there is an increasing need for hollow shaft, and the forming method will be more effective, precise and flexible.Key words: hollow shaft; solid shaft; lightweight; radial forging; rotary forging; extrusion收稿日期: 2017 -07 -14;修订日期: 2017 -09 -29基金项目:国家自然科学基金资助项目(51335009);陕西省教育厅专项(16JK1462);陕西省耐磨材料工程技术研究中心专项(2016NMZX07)作者简介:杨 程(1976 - ),男,博士,副教授E-mail: yang． cheng@ stu． xjtu． edu． cn轴是组成机械的重要零件之一,各类做回转运动的传动零件都是通过轴来支承传动零件、传递运动和动力的。按照轴所受载荷的不同,可将轴分为:只承受弯矩、不传递扭矩的心轴,如高铁的轮轴;只传递扭矩、不承受弯矩的传动轴,如汽车的传动轴;既传递扭矩又承受弯矩的转轴,如汽车变速箱轴[1 -2]。随着国家节能减排政策的日趋严格和经济可持续发展的要求,生产资源节约型、环境友好型的产品是工业界的必然选择。其中,节材和降耗等对轻量化的需求越来越多,比如汽车的轻量化,可在制造阶段减少材料消耗,在应用阶段减少能源和排放,同时拥有更好的负载和操控性。与实心轴相比,在保证使用要求的情况下,空心轴拥有以下优点: (1)减少材料消耗、降低轴的重量; (2)对于高转速的零件,空心轴的转动惯量小; (3)减少振动。对交通工具如汽车、高万方数据铁和飞行器等,空心轴的优越性尤为明显[3 -4]。为此,本文对实心轴和空心轴在传递弯矩和扭矩时的效果做了对比,发现外径相同的空心轴和实心轴在使用功能上差别不大,但重量却能大幅降低,对于轻量化有着重要的意义,为此空心轴的成形受到了越来越多的重视。空心轴的成形方法有:锻造+机加工、径向锻造、旋转锻造、挤压+冲孔(钻孔)、楔横轧、内高压成形、剪切旋压、轧挤成形等,比较成熟的方法有锻造+机加工、径向锻造、旋转锻造、挤压等。未来随着轻量化的发展,对空心轴的需求会越来越多,成形方法将向高效、精密、柔性的方向发展[5 -6]。1 轴的受力分析轴在使用过程中,其应力往往集中于轴的表面,而芯部仅受较小的应力[7],因此,芯部的材料属于“多余的死区”。由表1可知,当空心轴的内外径之比为0． 5和0． 6时,相同外径的空心轴和实心轴的抗弯和抗扭截面系数仅相差6． 25%和12． 96%。由表2可知:内外径之比为0． 5的空心轴只比实心轴的外径大2%,即可承受相同的扭矩和弯矩,但重量仅为实心轴的0． 78,减重达22%;而当空心轴的内外径之比为0． 6时,承受相同的扭矩和弯矩时,外径仅比实心轴大5%,但重量为实心轴的0． 71,减重达29%。可见,与实心轴相比,空心轴在使用性能上并没有太大的差距,但是却能大幅度降低轴的重量。随着国家节能减排的要求越来越高,对轻量化的空心轴的需求越来越多,为此,本文对空心轴的成形方法做了一个简要的归纳总结。图1 空心轴锻造后钻孔成形过程(a)坯料 (b)拔长锻件 (c)空心轴零件Fig． 1 Forming process of drilling after forging for hollow shaft(a) Billet (b) Stretched forging (c) Hollow shaft part2 空心轴的成形方法2． 1 锻造+机加工采用实心坯料通过自由锻、开式或闭式模锻出表1 常用的抗弯和抗扭截面系数计算公式Table 1 Common calculation formulas of section moduli forbending resistance and torsion resistance截面形状抗弯截面系数W抗扭截面系数WTπd332πd316πd332 (1 - υ4) πd316 (1 - υ4)实心截面和空心截面之差πd332 υ4 πd316 υ4注: υ = d1 / d,为空心轴内径d1和外径d之比,通常取值为0． 5 ~0． 6。表2 承受相同弯矩和扭矩时实心轴与空心轴的对比Table 2 Comparison of solid shaft and hollow shaftbearing the same bending moment and torsion moment内外径比值υ 0． 5 0． 6 0． 7 0． 8 0． 9实心轴外径d d d d d空心轴外径dmin 1． 02d 1． 05d 1． 10d 1． 19d 1． 43d实心轴的面积A π4 d2 π4 d2 π4 d2 π4 d2 π4 d2空心轴的面积0． 78A 0． 71A 0． 62A 0． 51A 0． 39A外形接近零件的锻件,然后机加工内孔和外形。如图1所示,将坯料拔长至接近成品件的外形,然后机加工外形和内孔到最终的尺寸[8]。其特点为:(1)适合比较粗大的重载轴的成形; (2)材料浪费严重; (3)长轴的中心孔加工比较困难,对加工设备的要求高; (4)一般为热锻,成形粗糙; (5)生产效率低,不易实现自动化。2锻 压 技 术 第43卷万方数据2． 2 径向锻造采用分布在坯料周围的4个或多个锤头,对坯料进行快速和同步锻打。如工件为圆截面,则坯料一面低速旋转,一面轴向进给移动;如工件为非圆截面,则只轴向进给而不旋转,如图2所示[9 -11]。其特点为: (1)不需要专用模具,能按预定程序锻出精密的轴类零件; (2)每次压缩量小,每分钟锻打次数高,一般为240 ~ 1800次/ min,能提高金属的塑性; (3)锻件精度高,热锻的外径偏差可达±0．5 mm,内径偏差可达±0．1 mm;冷锻的外径偏差可达±0． 1 mm,内径偏差可达± 0． 01 mm; (4)柔性好,能适合各种轴的成形。图2 空心轴径向锻造成形Fig． 2 Radial forging for hollow shaft用管状坯料径向锻造空心轴时,如果减少横截面积没有问题,但如果增大横截面积,会带来管壁的减薄,导致强度降低,可采取径向锻造+轴向镦粗联合成形的方式来改善,如图3所示[12]。在径向锻造的设备上加镦粗单元,坯料通过一个可动的机械手进行夹持,在感应加热区将管坯加热到900 ~1200 ℃后移动到成形区。在径向锻造的同时,机械手移动,轴向镦粗也开启,使得坯料在径向变形的同时轴向也发生变形。该工艺可在增加坯料外径的同时也增加管壁厚度。2． 3 旋转锻造旋转锻造是在坯料圆周方向均匀布置多个锤头,锤头在对工件进行径向高频锻打的同时绕轴旋转,使坯料横截面尺寸减小,轴向延伸,从而获得工件的一种方法,如图4所示[13 -15]。其特点为: (1)柔性好,适合各种规格的轴类件; (2)近净成形,尺寸加工精度和表面质量高,其尺寸精度可达IT7 ~IT8级; (3)生产效率高,易于实现自动化,适合大批量生产; (4)具有不间断的材料组织流线和加工硬化,且在压应力作用下使材料更加致密,可提高零件的疲劳寿命、抗压和抗弯扭强度,可用成本较低的原材料代替较贵的原材料,降低零件成本;(5)机械结构复杂,维护保养较为困难; (6)该工艺采用的是专用设备,只适合轴类件成形。已广泛应用于机床、汽车、飞机和其他机械的空心轴以及带膛线的枪管和炮管等零件的生产中。2． 4 挤压或挤压+机加工一般是在多工位压力机上,利用模具使坯料发生多道次的缩径、镦粗、挤压、冲底等变形来获得图3 空心轴径向锻造和轴向镦粗联合成形(a)锻造设备 (b)可成形的空心轴类型Fig． 3 Combined forming of radial forging and axial upsettingfor hollow shaft(a) Forging equipment (b) Types of formable hollow shaft零件的加工方法,如图5所示[16 -18]。其特点为:(1)工艺复杂、成形道次多,对于复杂外形的零件,一般需要经过多道次的挤压、镦粗、减径、冲孔等成形工序; (2)模具结构复杂,对模具的材3第1期杨 程等:空心轴成形技术研究现状 万方数据图4 空心轴旋转锻造成形Fig． 4 Rotary forging for hollow shaft料、设计、制造、热处理和表面处理要求高; (3)成形零件的范围有限,无法成形一些尺寸较大或工图6 空心轴楔横轧成形(a)固定芯轴 (b)活动芯轴Fig． 6 Cross wedge rolling for hollow shaft(a) Fixed mandrel (b) Moved mandrel艺难度较大的零件; (4)生产中一般采用多工位压力机和专用模架,设备及工装投资大,适用于单一品种的大批量生产; (5)对于空心零件来讲,挤压冲头受力状态恶劣,冲头寿命短; (6)尺寸精度高、后续机加工量少、成形后不需要最终热处理等,因此也获得很多成功的应用。2． 5 楔横轧圆柱形坯料在两轧辊模具之间或两平板模具之间发生连续局部变形,使圆柱形的坯料在径向变形的同时产生轴向变形,加工成与模具型腔相对应的零件,如图6所示[19 -25],采用固定芯轴可以获得内径一定的工件,而采用活动芯轴可以获得变内径的空心轴。其特点为: (1)受制于轧机尺寸,不能做超长轴; (2)生产效率高,通常是其他工艺的5 ~20倍; (3)楔横轧生产空心轴时,如果采用空心坯料,若成形时不带芯棒,内孔的变形是自由的,易出现质量问题;而对于带固定芯棒和活动芯棒的空心轴楔横轧工艺,目前尚未完全掌握其复杂的变形图5 空心轴挤压成形(a)第1种工艺方案 (b)第2种工艺方案Fig． 5 Extrusion forming for hollow shaft(a) The first process scheme (b) The second process scheme规律,楔横轧工艺仍难以满足要求。2． 6 强力旋压尾顶将预制管坯夹紧后,由芯模带动管坯高速旋转,单个或多个旋轮沿轴向和径向进给获得零件,如图7所示[26]。其特点为: (1)柔性好,成本低廉; (2)少无切削,材料利用率高; (3)逐点变形,接触面积小,所需变形力小; (4)纤维组织完整,提高零件强度和硬度; (5)该工艺比较适合薄壁管件成形。2． 7 旋转压缩旋转压缩工艺是将空心坯料放在3个相同的圆4锻 压 技 术 第43卷万方数据图7 空心轴强力旋压成形Fig． 7 Power spinning for hollow shaft柱形轧辊中, 3个轧辊同向旋转,并同时沿径向进给,坯料由轧辊带动随轧辊一起旋转以获得工件的一种方法,如图8所示[27]。其特点为: (1)旋转压缩具有高效率、低成本、易于实现和自动化等优点;(2)只需一道工序即可获得工件,减少工序数和节材,缩短生产时间和减少装备,降低成本; (3)材料会沿轴向和径向流动,一个显著的特点是壁厚会增厚。图8 空心轴旋转压缩成形(a)成形前 (b)成形后 (c)坯料、轧件和零件Fig． 8 Rotary compression forming for hollow shaft(a) Before forming (b) After forming(c) Billet, rolling piece and workpiece2． 8 内高压成形内高压成形是将管坯放在上下闭合的模具中,将管坯两端用水平冲头密封后向管坯内通高压液体,在内部加压胀形的同时,两端冲头轴向加力进行补料,管坯在内压和轴力的共同作用下贴靠模具,成形出所需的工件,如图9所示[28 -29]。其特点为:(1)一次可成形出较复杂的形状,减少模具数量,降低模具费用; (2)提高工件的强度与刚度; (3)比较适合薄壁的空心轴类件成形,易出现破裂、起皱、弯曲、折叠等缺陷; (4)内高压成形工艺、设备的设计尚无标准可言,成形过程中金属流动情况复杂,坯料变形极不均匀,导致工艺设计及参数的正确选取困难。图9 空心轴内高压成形Fig． 9 Internal high pressure forming for hollow shaft2． 9 横轧+轴向穿孔将加热好的圆棒料,一端由一个可以旋转的夹头夹住,另一端的中心用一个和空心零件内径相等的穿孔针顶住, 2个或3个轧轮对棒料进行轧制的同时,穿孔针对棒料进行挤压,在轧轮和穿孔针的共同作用下坯料发生连续的局部塑性流动,成形出空心零件,如图10所示[30 -35]。其特点为: (1)可由实心坯料制作空心轴; (2)只需一道工序即可获得工件; (3)柔性好。2． 10 注射锻造在管坯中间穿入刚性芯轴或者柔性材料,坯料在端面受压,获得模具赋予的形状,如图11所示[36 -39],与内高压、胀形等工艺类似。其特点为:成形工件的形状不宜太复杂,只适合一些简单的轴类件。2． 11 静液挤压+内高压成形文献[40]提出了一种将内高压和静液挤压结合起来的工艺,如图12所示,通过将空心坯料放在挤压筒内的锥形凹模上,并借助于定位圈定中心。然后向挤压筒中注入计算好的液体量,柱塞压向液体并使挤压筒内液体压力增加。在压力达到必须值p1时,坯料下半段挤入凹模内开始变形,压力继续升高到p2,位于上半段的毛坯开始变形,形成工件。其特点为:采用高压液体挤压空心毛坯,能够实现机械加工方法无法达到的细长内孔变截面结构。其他空心轴的成形方法还有:锻造+冲孔+芯轴扩孔以及冷拔管材等。因这些方法只用于特定的场合,且应用较少,故本文未做详细介绍。5第1期杨 程等:空心轴成形技术研究现状 万方数据图10 空心轴横轧和轴向穿孔成形(a)成形前 (b)成形后Fig． 10 Cross rolling and axial piercing for hollow shaft(a) Before forming (b) After forming图11 空心轴注射锻造成形(a)实心坯料的注射锻造 (b)带刚性芯轴的注射锻造(c)带柔性芯轴的注射锻造Fig． 11 Injection forging for hollow shaft(a) Injection forging for solid billet (b) Injection forgingfor hollow shaft with rigid core shaft(c) Injection forging for hollow shaft with soft core shaft图12 空心轴静液挤压和内高压成形(a)成形装置 (b)坯料 (c)工件Fig． 12 Hydrostatic extrusion and internal high pressureforming for hollow shaft(a) Forming device (b) Billet (c) Workpiece3 各种成形方法的比较当分析不同的制造工艺时,不仅要考虑成本和材料利用率等方面因素,更为重要的是成形的可靠性和可重复性,以及公差、外形轮廓和零件最终轮廓接近程度等。当采用管状毛坯成形时,很难获得很好的尺寸公差,尤其是内孔和外径的同轴度的偏差,这种偏差很难在后续加工中进行纠正。由于轴通常在高速下运动,因此,即使极小的偏差也会带来很大的隐患。本文对几种常用的成形方法进行了比较,具体如表3所示[6]。4 结论(1)国内外应用比较成熟的空心轴成形工艺有6锻 压 技 术 第43卷万方数据表3 几种常用成形方法的比较Table 3 Comparison of several common forming processes成形方法坯料形式成形温度润滑成形道次尺寸精度表面质量成形周期旋转锻造空心高温或室温不需要少好好一般径向锻造空心高温或室温不需要少好好一般内高压成形空心高温或室温需要少一般好较长冷挤实心室温需要多好好长冷挤+深孔钻实心室温需要多好好长楔横轧空心高温不需要少一般一般一般强力旋压空心高温或室温需要少好好一般锻造+机加工实心高温需要多好好长注射锻造空心高温或室温需要少一般一般较长锻造+机加工、旋转锻造、径向锻造和挤压等。锻造+机加工的材料利用率低;旋转锻造和径向锻造空心轴的工艺和设备相对成熟,且具有精度高、柔性好、生产效率高等突出优势;挤压适合一些短的空心轴成形。(2)楔横轧在空心轴成形中也有很大潜力,但带芯轴的轧制理论和工艺还不完善;强力旋压、内高压、旋转压缩等工艺比较适合薄壁的传动轴成形。(3)目前,空心轴成形工艺大多采用管坯,对于多规格、小批量的空心轴类件来讲,采用管坯导致生产成本较高。横轧+轴向穿孔复合工艺可以由实心坯料制得空心轴,但尚处于实验阶段。参考文献:[1] 闻邦椿.机械设计手册-轴及其连接件[M].北京:机械工业出版社, 2015.Wen B C. 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