傳動(dòng)軸管縮口工藝解析

不等角速度傳動(dòng)的萬向傳動(dòng)軸大都采用開式、管狀、兩端有剛性十字軸萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)。其中傳動(dòng)軸管的作用就是在盡可能減少功率消耗的情況下，滿足長(zhǎng)距離傳輸扭矩的需要。傳動(dòng)軸管通常采用薄壁直縫鋼管。為了保證平穩(wěn)、可靠地傳遞動(dòng)力，鋼管的強(qiáng)度、精度和工藝性能三方面應(yīng)滿足以下要求。（1）高強(qiáng)度要求。由于汽車傳動(dòng)軸的實(shí)際工況較為復(fù)雜，在工作中既要承受隨機(jī)變化的交變載荷，又要承受起動(dòng)、制動(dòng)及因道路狀況變化所引起的交變載荷，故要求鋼管必須具有較好的強(qiáng)度和塑性。（2）高精度要求。傳動(dòng)軸是在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下傳遞扭矩的運(yùn)動(dòng)部件，只有鋼管的尺寸和形狀達(dá)到一定的精度，才能使傳動(dòng)軸的質(zhì)量中心接近于回轉(zhuǎn)中心，減少由于離心力引起的系統(tǒng)振動(dòng)，保證車輛高速行駛時(shí)的平穩(wěn)性。（3）工藝性要求。為保證傳動(dòng)軸總成的質(zhì)量，鋼管的縮口、壓扁、靜扭等工藝性能試驗(yàn)必須合格。工藝方案雖然，生產(chǎn)某輕型汽車所用的φ68.9mm×2.3mm傳動(dòng)軸管的無縫鋼管，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中也已經(jīng)有規(guī)定，但要用這種無縫鋼管來加工傳動(dòng)軸管在工藝上遇到了麻煩：如果采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法進(jìn)行加工，傳動(dòng)軸管兩端在進(jìn)行縮口過程中，非常容易出現(xiàn)裂紋、皺縮的現(xiàn)象；若采用熱加工縮口，在焊接時(shí)強(qiáng)度就會(huì)明顯降低，因此不能滿足傳動(dòng)軸管高強(qiáng)度的要求；如果采用普通的冷擠壓縮口方式，則易使管口處出現(xiàn)裂紋、管口不平齊，從而影響到傳動(dòng)軸管的焊接定位和增加不平衡量。為解決上述問題，我們采用帶芯冷拔工藝加工傳動(dòng)軸管。試驗(yàn)證明，加工出來的傳動(dòng)軸管管口，工藝性能良好。采用帶芯棒冷拔鋼管時(shí)，作用在變形區(qū)域上的外力及應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示。圖1中P為作用在拔管上的外作用力，即施加于鋼管前端的拔制力；p及pz分別為在拔管模錐形入口處，作用在鋼管外表面上的單位壓力及其水平分力；P01、P1為在定徑帶上作用在鋼管內(nèi)表面的單位壓力；τ、τ2為在拔管模入口錐處，作用在鋼管外表面的單位摩擦力及其水平分力；τ0為在減壁區(qū)作用在鋼管內(nèi)表面的單位摩擦力；τ01、τ1為定徑帶上作用在鋼管內(nèi)外表面的單位摩擦力；σ為軸向應(yīng)力；σ1為徑向應(yīng)力；σi為周向應(yīng)力；I表示減徑區(qū)；Ⅱ表示減壁區(qū)；Ⅲ表示定徑帶。由圖1可知，在拔管過程中，在變形區(qū)上的鋼管所受的外力可以分解成兩組：一組是在外表面和內(nèi)表面沿圓周力分布的徑向壓力；一組是由拔制力和與它相平衡的軸向力所組成的拉力。在這些外力作用下，變形區(qū)內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)應(yīng)力。其軸向?yàn)槔瓚?yīng)力，徑向和周向均為壓應(yīng)力。在這種狀態(tài)下，金屬的變形抗力低，因此比較容易成形。圖1變形區(qū)域所受外力及應(yīng)力狀態(tài)如圖1所示，采用帶短芯棒拔制工藝時(shí)，由于鋼管的變形是在外模和芯棒的共同作用下完成的，即同時(shí)減徑和減壁，而且鋼管在內(nèi)外表面都存在摩擦阻力。所以，拔制時(shí)金屬的流動(dòng)和變形比較均勻，鋼管不易開裂。鋼管在冷拔過程中，外模型腔和內(nèi)芯棒的尺寸決定了鋼管變形后的尺寸；同時(shí)，鋼管的內(nèi)壁會(huì)比較均勻。因此，冷拔后鋼管的直徑與壁厚尺寸精度得以提高，為傳動(dòng)軸總成的生產(chǎn)提供了便利。在輕型汽車傳動(dòng)軸管的技術(shù)條件中，要求屈服強(qiáng)度大于412MPa。利用鋼管冷拔過程中產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象可以提高傳動(dòng)軸管用材的屈服強(qiáng)度值，滿足所要求的機(jī)械性能。綜上所述，采用帶芯冷拔工藝方法生產(chǎn)φ68.9mm×2.3mm傳動(dòng)軸管，生產(chǎn)周期短、成本低、效率高，不僅在技術(shù)上可行，而且經(jīng)濟(jì)性也好。工藝試驗(yàn)帶芯冷拔工藝多適用于無縫鋼管的生產(chǎn)，而采用這種工藝生產(chǎn)汽車傳動(dòng)軸管，必須根據(jù)傳動(dòng)軸所用鋼管的技術(shù)要求和現(xiàn)有冷拔工藝的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，選出最合理的工藝方案。管坯的選擇帶芯冷拔鋼管的管坯直徑、壁厚及其尺寸是決定成品管的塑性變形量、殘余應(yīng)力、表面質(zhì)量及尺寸精度的基本因素。合理地選用管坯的規(guī)格，對(duì)加工傳動(dòng)軸管的質(zhì)量和降低成本都有很大的意義，考慮到傳動(dòng)軸管是專用鋼管，其尺寸精度和形狀精度都較高，尤其是焊縫的內(nèi)外毛刺必須徹底清除干凈。根據(jù)相關(guān)資料列出的拔制參數(shù)，選擇比成品φ68.9mm×2.3mm的外徑和壁厚都大的傳動(dòng)軸用電焊鋼管為毛坯。例如，國(guó)內(nèi)常用的傳動(dòng)軸管φ76mm×2.5mm和φ89mm×2.5mm兩種；同時(shí)考慮到焊管冷拔的實(shí)際情況，為使冷拔所產(chǎn)生的不利因素降至最低，分析選用08Z鋼的φ76mm×2.5mm的電焊鋼管為最佳，鋼管的內(nèi)徑為φ70.94mm，壁厚為2.61mm，直線度為0.33mm/m，橢圓度為0.32mm，焊縫高度為-0.02mm。該鋼管實(shí)測(cè)的參數(shù)如下：σb＝579MPa，σ0.2＝376MPa，δ=25.2％，擴(kuò)口、壓扁、渦流探傷均合格。拔管模冷拔采用入口錐度為24°的硬質(zhì)合金拔模。為保證拔制后鋼管的直線度，將拔模的定徑帶寬度制成常規(guī)拔模的2.5倍，公稱直徑為φ68.9mm。這樣寬的定徑帶會(huì)使拔制力P增大，但對(duì)保證加工后的軸管的直線度是有效的，對(duì)終拔后不經(jīng)校直的鋼管尤其有效。拔制采用的芯棒為硬質(zhì)合金短芯棒，其工作帶直徑為φ64.3mm。拔制工藝鋼管經(jīng)過冷拔后，不僅其材料的塑性指標(biāo)降低，更主要的是鋼管的焊縫質(zhì)量和力學(xué)性能都有可能急劇下降。在傳動(dòng)軸總裝時(shí)，需在傳動(dòng)軸兩端壓裝相關(guān)零件并與其焊成一體。在進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)時(shí)，還要在軸管上點(diǎn)焊平衡片?？紤]到由于鋼管在冷拔后會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，再經(jīng)兩端的熔焊及局部加熱的點(diǎn)焊，鋼材的內(nèi)應(yīng)力又會(huì)重新分布，使鋼管產(chǎn)生彎曲變形，動(dòng)態(tài)不平衡量值增大。在進(jìn)行重復(fù)動(dòng)態(tài)平衡試驗(yàn)時(shí)，質(zhì)量中心有可能無規(guī)律地或過分游離已標(biāo)定的相位，至使平衡矢量值無法修正。所以，考慮到鋼管焊接后內(nèi)應(yīng)力對(duì)傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)性能的影響程度，并為獲得材料良好的機(jī)械性能及焊縫質(zhì)量，我們擬定了以下三種試驗(yàn)方案，通過試驗(yàn)選出最佳工藝方法。（1）在冷拔前對(duì)管坯進(jìn)行退火處理，目的是進(jìn)一步改善管材質(zhì)量。尤其是改善焊縫處的金相組織，消除焊接應(yīng)力，降低屈服強(qiáng)度，提高塑性，減少冷拔后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。然后在矯直機(jī)上矯直，經(jīng)酸洗后再磷化皂化潤(rùn)滑，拔制成形。（2）直接對(duì)管坯進(jìn)行酸洗和磷化皂化，不經(jīng)熱處理工序直接冷拔至要求尺寸。（3）管坯在未經(jīng)熱處理的狀態(tài)下先空拔至φ71.5mm×2.5mm，然后進(jìn)行一次中間熱處理，矯直后經(jīng)酸洗和磷化皂化，然后采用帶芯冷拔法拔制。以上三種方案中，管坯均以13m/min的速度在最終成形模上拔成，所拔制的傳動(dòng)軸管的表面質(zhì)量都較好。試驗(yàn)結(jié)果與分析對(duì)拔制成形的傳動(dòng)軸管進(jìn)行了以下試驗(yàn)和檢測(cè)，鋼管的力學(xué)性能數(shù)值和管坯、成品管的實(shí)測(cè)數(shù)值如表1所示?！霰?成品管力學(xué)性能工藝性能試驗(yàn)（1）縮口試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行縮口試驗(yàn)。對(duì)60°圓錐縮小0.80％，對(duì)于先熱處理管、未熱處理管、中間熱處理管，除了未處理管在第2次裂了外，其他都完好。（2）壓扁試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行鋼管的壓扁試驗(yàn)，H=2D/3=45.93mm，其中：H為管高，D為管徑。對(duì)于先熱處理管、未熱處理管、中間熱處理管，除了未熱處理管在第2次，第5次裂了外，其他都完好。（3）靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)要求，取實(shí)測(cè)數(shù)值與規(guī)格相近的φ76mm×2.5mm和φ63.5×2.5mm兩種傳動(dòng)軸管的額定靜扭矩值進(jìn)行比較，φ6mm×2.5mm管的靜扭矩值不小于1.57kN?m，采用500型扭力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，以上三種方案拔制的鋼管在5kN?m力矩的作用下均未屈服。（4）扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。為考核冷拔傳動(dòng)軸承受交變載荷的能力，根據(jù)輕型汽車傳動(dòng)軸的額定軸荷，采用非對(duì)稱循環(huán)，在WHP-6型試驗(yàn)臺(tái)上檢驗(yàn)其扭轉(zhuǎn)疲勞壽命指標(biāo)。經(jīng)試驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)疲勞循環(huán)次數(shù)達(dá)三十余萬次仍無破壞，超過了《汽車傳動(dòng)軸質(zhì)量分等規(guī)定－汽車傳動(dòng)軸總成質(zhì)量分等》中優(yōu)等品水平20萬次，6次循環(huán)次數(shù)分別為300311、300068、301945、301943、301943、300521，均無破壞情況，達(dá)到的等級(jí)均為優(yōu)等品。結(jié)果分析從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)管坯經(jīng)過預(yù)熱處理后拔制的鋼管，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、尺寸精度及橢圓度都明顯高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。冷拔后，鋼管及焊縫質(zhì)量通過工藝性能試驗(yàn)也全部合格。由于產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小，故鋼管焊接后的彎曲變形也較小。采用中間熱處理的鋼管由于有兩道拔制工藝，所以直線度較差，低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。未經(jīng)熱處理的冷拔的鋼管，其尺寸精度和橢圓雖然高于國(guó)標(biāo)的規(guī)定，但明顯低于經(jīng)過熱處理拔制的鋼管，雖然其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度提高顯著、直線度好，但由此引起延伸率下降，導(dǎo)致在擴(kuò)口和壓扁試驗(yàn)時(shí)焊縫開裂，而且鋼管殘留內(nèi)應(yīng)力也相對(duì)最大，對(duì)焊接反應(yīng)最敏感，焊后彎曲變形嚴(yán)重。上述分析說明，經(jīng)熱處理拔制的軸管在許多方面優(yōu)于未經(jīng)熱處理拔制的鋼管，它完全可以滿足輕型汽車傳動(dòng)軸所用鋼管的加工要求。結(jié)束語汽車傳動(dòng)軸管由于擔(dān)負(fù)長(zhǎng)距離傳輸扭矩的任務(wù)，因此在強(qiáng)度、精度及工藝性等方面有很高的要求。對(duì)加工傳動(dòng)軸管采用的帶芯冷拔縮口進(jìn)行可行性分析，并進(jìn)行工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用短芯棒冷拔工藝加工傳動(dòng)軸管，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好，有一定的推廣價(jià)值。傳動(dòng)軸管的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式是在輥式成形機(jī)組上將熱（冷）軋帶鋼高頻焊接成形，需要21道工序；而采用冷拔法則只需12道工序：管料→錘頭→退火→矯直→酸洗→清洗→沖洗→磷化→皂化→拔制→切頭切