大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号(10)申请公布号 CN 103639217 A(43)申请公布日 2014.03.19

(21)申请号 201310615014.X(22)申请日 2013.11.28

(71)申请人江麓机电集团有限公司

地址411100 湖南省湘潭市北路4号研

发管理部科技管理室(72)发明人周铭 黄丽琴 陈坚 杨美花

林楠(74)专利代理机构湖南省国防科技工业局专利

中心 43102

代理人冯青(51)Int.Cl.

B21C 23/00(2006.01)B23P 15/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书3页 附图1页权利要求书2页 说明书3页 附图1页

()发明名称

大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法(57)摘要

本发明涉及大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法。设计一种斜契装置，使花键成形刀具（齿条状）能够在工件径向方向移动，由于工件未脱离刀具制约，保持了正常的渐开线展成属性，使工艺系统具备进行二次挤压加工的能力，扩展了设备加工范围，适合于大直径工件加工。优化球化退火温区，在保持工件刚性的同时，提高材料冷挤压塑性，改善冷变形加工特性。经过原理试验、试棒加工及批量生产，在最大允许加工直径φ40mm冷挤压设备上，完成φ70mm工件的花键加工。本方法设计出刀具的契形装置，并对工件中碳合金钢球化温区进行了优化，使花键扭力轴抗疲劳能力增加28%~32%。CN 103639217 ACN 103639217 A

权 利 要 求 书

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1.大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法，其特征在于：该方法具体包括：1）设计了一种扩展花键冷挤压设备加工范围：在最大允许加工直径φ40mm长1000mm的冷挤压设备上，完成直径φ70mm长度达2040mm工件的成形加工；

机床上增加辅助支撑工装，将工件加工长度扩展到2040mm，在左齿条模具上设有斜铁，扩大工件最大允许加工直径到φ70mm；

2）刀具改进：将常规刀具的背面由与花键节圆平行改成与花键节圆倾斜，与左齿条模具上的同等斜度的斜铁配合使用，形成契形结构，通过调整刀具相对于斜铁的位置，使刀具能够在工件径向平行移动；

3）花键二次成形：工件（1）位于左齿条模具（2）和右齿条模具（3）之间，将常规一次完成挤压过程分解为两个不连续的过程，第一过程为粗加工，完成８０％齿高挤压，第二过程为精加工，完成全齿高挤压及修整齿形；

4）加工材料的扩展：将工件的材料由低碳钢扩展至中高碳优质合金钢；5）适合优质中碳钢合金钢的热处理方法：在760-780℃保温7.5~11个小时，以减少残留碳化物，获得不均匀的奥氏体和大量细小的残留碳化物，并以此作为球化的非自发核心以促进碳化物球化；之后控制冷却速度，随炉冷却至500℃±15℃再转为空冷；

6）刀具非对称设置：刀具的安装方法是反向对称安装，刀具初始位置由对称安装改为不对称安装，边刀具整形段中点比工件旋转中心偏离10mm左右，当另一边刀具退到末段时，工件齿还啮合在整形段里，上下移动刀具预备进行契形向心移动时，工件既有空间移动，也保持在已成形的齿形里；

7）契形角设计：二次挤压量为0.35mm时，齿形精度、粗糙度组合最佳，工艺系统振动小，刀具在上下20mm的移动长度可控性好，此时的契形角度为0.5°，也处于自锁摩擦角内，工艺系统处于最优状态。

2.根据权利要求1所述的大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法，其特征在于，具体过程为：

（1）、准备工作：刀具：增加斜铁设计，刀具一起设计成契形结构，契形角0.5°，制造时采用刀具与斜铁同组磨削方法，保证角度统一，并刻同组标识；

工件：扭力轴两端花键按冷挤压前尺寸精车，粗糙度1.6，不允许有氧化皮、锈斑等表面缺陷；

工件经过球化退火处理，硬度为190HB~215HB；契形机构安装：按设计图要求将契形机构与机床左右支架联结，用角度尺对齐刻线，将左边或右边刀具整形段中点与工件旋转中心等高，另一边比工件旋转中心低10mm，试运行刀具移动，要求导向销无卡滞；

工件安装：用随动夹头夹持工件一端，调整另一端顶尖座位置，将花键加工段置于刀具宽度以内，并在表面涂满浓肥皂水；

数控程序：包括起始点位置、一二次加工终止点、刀具到工件旋转中心线位置设置及刀具移动速度等；

（2）、加工：

按程序完成一次加工，并停止在预定位置；

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权 利 要 求 书

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松开契形装置连接螺栓，调整刀具沿长度方向移动20mm，对齐刻线后再拧紧契形装置连接螺栓；

启动设备完成二次加工，再往复一个行程，以修整、校正齿形及光整齿面，达到粗糙度要求。

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说 明 书

大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法

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技术领域

[0001]

本发明属于机械加工领域，尤其涉及一种大直径外花键二次冷挤压成形工艺方

法。

背景技术

[0002] 花键轴是机械传动系统中传递轴与轴之间扭矩的零件，具有联接强度高、结构紧凑、装卸方便等特点。花键加工通常是采用切削方法，如铣削、滚削、拉削等。[0003] 花键联接强度高、结构紧凑、装卸方便等特点在某些特殊领域使用也得到应用：扭力轴广泛使用于军用装甲车辆的行动部分，两端头较大，采用外花键设计，中间的杆部直径小于两端花键部分，并以圆弧与花键端过渡衔接。[0004] 扭力轴使用时一端花键与车体固定连接，另一端连接平衡肘与负重轮，装甲车的静态重量及起伏路况下的冲击载荷全部传递给扭力轴进行缓冲，以保持车辆水平方向的稳定性，便于火控系统精确射击。所以扭力轴工作环境很恶劣：扭矩大、扭转角度大以及扭转频率变化大等。扭力轴失效方式表现为突然断裂，断裂部位主要发生在花键根部与杆部的过渡区域，原因很明确——花键加工过程中微小刀痕产生的应力集中，在变循环应力作用下扩展延伸导致疲劳损伤。

[0005] 扭力轴花键部分直径接近φ70mm，长度2000mm。用常规滚切方法加工，刀具刃口的任何损伤都将刻划在花键齿表面，通过光整加工后，仍然会有不显见刻痕残留，成为应力集中点。所以，扭力轴滚切加工方法直接导致其寿命较短、加工效率较低的缺陷。[0006] 花键冷挤压加工是一种无切削加工方法，是为了适应汽车产业大规模生产而发明的，工件夹在两把呈齿条状刀具间，刀具一上一下作相对移动，带动工件绕自身轴心线旋转，并在齿条移动的全行程内完成工件的花键成形，由于挤压力大、刀具移动速度快，加工过程无切削，最大限度保留了金属纤维的完整性，具有花键强度高、加工效率高、结构紧凑等突出特点。

[0007] 如果用冷挤压方法加工扭力轴两端花键，可以获得高品质花键并提高扭力轴疲劳寿命。但是，国内花键冷挤压设备是为家庭乘用车与大型卡车的花键轴加工而设计的，最大加工直径为φ40，模数1.75，最大长度1000mm，通常加工直径小于φ35，不能直接应用于扭力轴加工。

[0008] 大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法由此孕育而生。发明内容

本方法设计出刀具的契形装置，并对工件1中碳合金钢球化温区进行了优化，使

花键扭力轴抗疲劳能力增加28%~32%。[0010] 本方法的具体技术方案如下：

1）设计了一种扩展花键冷挤压设备加工范围：在最大允许加工直径φ40mm长1000mm的冷挤压设备上，完成直径φ70mm长度达2040mm工件的成形加工；

[0009]

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说 明 书

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机床上增加辅助支撑工装，将工件加工长度扩展到2040mm，2）刀具改进：将常规刀具的背面由与花键节圆平行改制成与花键节圆倾斜，与另一同等斜度的钢条配合使用，形成契形结构，通过调整刀具（齿条）相对于钢条的位置，使刀具能够在工件径向平行移动；

3）花键二次成形：工件1位于左齿条模具2和右齿条模具3之间。将常规一次完成挤压过程分解为两个不连续的过程，第一过程为粗加工，完成８０％齿高挤压，第二过程为精加工，完成全齿高挤压及修整齿形；

4）加工材料的扩展：将适宜于冷挤压成形的低碳钢扩展至中高碳优质合金钢。汽车零件的材料通常用低碳钢，以35#钢为多，硬度不超过180HB，工件的扭力轴采用专用的优质中碳合金钢45CrNiMoVA，要求热处理前的硬度为190HB~215HB；

5）适合优质中碳钢合金钢的热处理方法：通过实践与优化，摸索出适宜的热处理方法——在（760-780）℃保温7.5小时，比推荐保温时间延长1.5小时~2小时。以减少残留碳化物，获得不均匀的奥氏体和大量细小的残留碳化物，并以此作为球化的非自发核心以促进碳化物球化。同时控制冷却速度，随炉冷却至500℃±15℃再转为空冷；

这种球化热处理的有效性在实际冷挤压成形过程中得到了验证，相对于比较组试棒（35#钢、180HB）加工，扭力轴在硬度200HB条件下，挤压过程平稳、柔和侵入性良好，振动明显减小。[0011] 6）刀具非对称设置：花键一次性冷挤压加工方法其刀具的安装方法是反向对称安装，刀具作相向运动——工件同时进入导入段、整形段与退出段。左右刀具初始安装位置需保证整形段中点与工件旋转中心等高。花键二次成形方法必须要保证工件与刀具第二次的运动轨迹与第一次完全重合——保持相互间呈展成状态。所以，将刀具初始位置由对称安装改为不对称安装——一边刀具整形段中点比工件旋转中心偏离10mm左右（高或低），当另一边刀具退到末段时，工件齿还啮合在整形段里，上下移动刀具（20mm）预备进行契形向心移动时，工件既有空间移动，也保持在已成形的齿形里。[0012] 7）契形角设计：根据试验摸索，二次挤压量为0.35mm时，齿形精度、粗糙度组合最佳，工艺系统振动小，刀具在上下20mm的移动长度可控性好，此时的契形角度为0.5°，也处于自锁摩擦角内，工艺系统处于最优状态。

[0013] 本发明通过研究花键冷挤压成形设备的工作特性，设计一种斜契装置，使花键成形刀具（齿条状）能够在工件径向方向移动，由于工件未脱离刀具制约，保持了正常的渐开线展成属性，使工艺系统具备进行二次挤压加工的能力，扩展了设备加工范围，适合于大直径工件加工。

[0014] 研究优质中碳合金钢（45CrNiMoVA）材料特性，优化球化退火温区，在保持工件刚性的同时，提高材料冷挤压塑性，改善冷变形加工特性。经过原理试验、试棒加工及批量生产，在最大允许加工直径φ40mm冷挤压设备上，完成φ70mm工件的花键加工。通过实践证明工艺系统稳定，工件尺寸一致性好，粗糙度远好于设计要求。附图说明

[0015] 图1齿条挤压花键原理图，

图2工件示意图。

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说 明 书

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具体实施方式

[0016] 本方法的具体过程为：

1、准备工作：刀具：增加斜铁设计，刀具一起设计成契形结构，契形角0.5°，制造时采用刀具与斜铁同组磨削方法，保证角度统一，并刻同组标识。[0017] 工件：扭力轴两端花键按冷挤压前尺寸精车，粗糙度1.6，不允许有氧化皮、锈斑等表面缺陷；

工件经过球化退火处理，硬度为190HB~215HB；契形机构安装：按设计图要求将契形机构与机床左右支架联结，用角度尺对齐刻线，将左边（或右边）刀具整形段中点与工件旋转中心等高，另一边比工件旋转中心低10mm。试运行刀具移动，要求导向销无卡滞；

工件安装：用随动夹头夹持工件一端，调整另一端顶尖座位置，将花键加工段置于刀具宽度以内，并在表面涂满浓肥皂水；

数控程序：包括起始点位置、一二次加工终止点、刀具到工件旋转中心线位置设置及刀具移动速度等；

2、加工：

按程序完成一次加工，并停止在预定位置；松开契形装置连接螺栓，调整刀具沿长度方向移动20mm，对齐刻线后再拧紧契形装置连接螺栓；

启动设备完成二次加工，再往复一个行程，以修整、校正齿形及光整齿面，达到粗糙度要求。

[0018] 本发明为保证某特殊领域使用的扭力轴高可靠性及提高疲劳寿命，研发了大直径外花键二次冷挤压成形工艺方法，并完成了技术原理验证、试件加工及批量稳定生产。

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说 明 书 附 图

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图1

图2

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