傳動軸管縮口工藝解析

不等角速度傳動的萬向傳動軸大都采用開式、管狀、兩端有剛性十字軸萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)。其中傳動軸管的作用就是在盡可能減少功率消耗的情況下，滿足長距離傳輸扭矩的需要。傳動軸管通常采用薄壁直縫鋼管。為了保證平穩(wěn)、可靠地傳遞動力，鋼管的強度、精度和工藝性能三方面應(yīng)滿足以下要求。（1）高強度要求。由于汽車傳動軸的實際工況較為復(fù)雜，在工作中既要承受隨機變化的交變載荷，又要承受起動、制動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度和塑性。（2）高精度要求。傳動軸是在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下傳遞扭矩的運動部件，只有鋼管的尺寸和形狀達到一定的精度，才能使傳動軸的質(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，保證車輛高速行駛時的平穩(wěn)性。（3）工藝性要求。為保證傳動軸總成的質(zhì)量，鋼管的縮口、壓扁、靜扭等工藝性能試驗必須合格。工藝方案雖然，生產(chǎn)某輕型汽車所用的φ68.9mm×2.3mm傳動軸管的無縫鋼管，在國家標準中也已經(jīng)有規(guī)定，但要用這種無縫鋼管來加工傳動軸管在工藝上遇到了麻煩：如果采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法進行加工，傳動軸管兩端在進行縮口過程中，非常容易出現(xiàn)裂紋、皺縮的現(xiàn)象；若采用熱加工縮口，在焊接時強度就會明顯降低，因此不能滿足傳動軸管高強度的要求；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軸管。試驗證明，加工出來的傳動軸管管口，工藝性能良好。采用帶芯棒冷拔鋼管時，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。其軸向為拉應(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，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，拔制時金屬的流動和變形比較均勻，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，鋼管的內(nèi)壁會比較均勻。因此，冷拔后鋼管的直徑與壁厚尺寸精度得以提高，為傳動軸總成的生產(chǎn)提供了便利。在輕型汽車傳動軸管的技術(shù)條件中，要求屈服強度大于412MPa。利用鋼管冷拔過程中產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象可以提高傳動軸管用材的屈服強度值，滿足所要求的機械性能。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)濟性也好。工藝試驗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)汽車傳動軸管，必須根據(jù)傳動軸所用鋼管的技術(shù)要求和現(xiàn)有冷拔工藝的生產(chǎn)經(jīng)驗進行工藝試驗，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，對加工傳動軸管的質(zhì)量和降低成本都有很大的意義，考慮到傳動軸管是專用鋼管，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軸用電焊鋼管為毛坯。例如，國內(nèi)常用的傳動軸管φ76mm×2.5mm和φ89mm×2.5mm兩種；同時考慮到焊管冷拔的實際情況，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。該鋼管實測的參數(shù)如下：σb＝579MPa，σ0.2＝376MPa，δ=25.2％，擴口、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。這樣寬的定徑帶會使拔制力P增大，但對保證加工后的軸管的直線度是有效的，對終拔后不經(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。在傳動軸總裝時，需在傳動軸兩端壓裝相關(guān)零件并與其焊成一體。在進行動平衡試驗時，還要在軸管上點焊平衡片?？紤]到由于鋼管在冷拔后會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，再經(jīng)兩端的熔焊及局部加熱的點焊，鋼材的內(nèi)應(yīng)力又會重新分布，使鋼管產(chǎn)生彎曲變形，動態(tài)不平衡量值增大。在進行重復(fù)動態(tài)平衡試驗時，質(zhì)量中心有可能無規(guī)律地或過分游離已標定的相位，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)力對傳動軸動態(tài)性能的影響程度，并為獲得材料良好的機械性能及焊縫質(zhì)量，我們擬定了以下三種試驗方案，通過試驗選出最佳工藝方法。（1）在冷拔前對管坯進行退火處理，目的是進一步改善管材質(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。然后在矯直機上矯直，經(jīng)酸洗后再磷化皂化潤滑，拔制成形。（2）直接對管坯進行酸洗和磷化皂化，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，所拔制的傳動軸管的表面質(zhì)量都較好。試驗結(jié)果與分析對拔制成形的傳動軸管進行了以下試驗和檢測，鋼管的力學(xué)性能數(shù)值和管坯、成品管的實測數(shù)值如表1所示?！霰?成品管力學(xué)性能工藝性能試驗（1）縮口試驗。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，采用標準試驗方法進行縮口試驗。對60°圓錐縮小0.80％，對于先熱處理管、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。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，進行鋼管的壓扁試驗，H=2D/3=45.93mm，其中：H為管高，D為管徑。對于先熱處理管、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)強度試驗。根據(jù)試驗要求，取實測數(shù)值與規(guī)格相近的φ76mm×2.5mm和φ63.5×2.5mm兩種傳動軸管的額定靜扭矩值進行比較，φ6mm×2.5mm管的靜扭矩值不小于1.57kN?m，采用500型扭力試驗機進行試驗，試驗結(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。為考核冷拔傳動軸承受交變載荷的能力，根據(jù)輕型汽車傳動軸的額定軸荷，采用非對稱循環(huán)，在WHP-6型試驗臺上檢驗其扭轉(zhuǎn)疲勞壽命指標。經(jīng)試驗，扭轉(zhuǎn)疲勞循環(huán)次數(shù)達三十余萬次仍無破壞，超過了《汽車傳動軸質(zhì)量分等規(guī)定－汽車傳動軸總成質(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，達到的等級均為優(yōu)等品。結(jié)果分析從試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)管坯經(jīng)過預(yù)熱處理后拔制的鋼管，其抗拉強度、屈服強度、尺寸精度及橢圓度都明顯高于國家標準的規(guī)定。冷拔后，鋼管及焊縫質(zhì)量通過工藝性能試驗也全部合格。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，低于國家標準的規(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標的規(guī)定，但明顯低于經(jīng)過熱處理拔制的鋼管，雖然其抗拉強度和屈服強度提高顯著、直線度好，但由此引起延伸率下降，導(dǎo)致在擴口和壓扁試驗時焊縫開裂，而且鋼管殘留內(nèi)應(yīng)力也相對最大，對焊接反應(yīng)最敏感，焊后彎曲變形嚴重。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軸所用鋼管的加工要求。結(jié)束語汽車傳動軸管由于擔(dān)負長距離傳輸扭矩的任務(wù)，因此在強度、精度及工藝性等方面有很高的要求。對加工傳動軸管采用的帶芯冷拔縮口進行可行性分析，并進行工藝試驗，試驗結(jié)果表明，采用短芯棒冷拔工藝加工傳動軸管，技術(shù)經(jīng)濟性能好，有一定的推廣價值。傳動軸管的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式是在輥式成形機組上將熱（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