熱擠壓空心車軸直接成型工藝的製作方法
2023-10-05 04:54:19
熱擠壓空心車軸直接成型工藝的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種熱擠壓空心車軸直接成型工藝，其通過管料檢驗加工、梯度加熱處理、上模、水平和徑向加載、脫模後整體加熱、再上模、再加載，以及重複上述步驟和檢驗處理後，有效完成了空心車軸的直接變徑熱擠壓成型。具有工藝設計合理，模具結構簡單、鐓出速度快、成品率高、使用效果好、成本低廉的優點，在大大降低車軸重量的同時，有效提高和保證了空心車軸的強度和扭矩力，特別適合高速列車車軸的大批量工業化生產。
【專利說明】熱擠壓空心車軸直接成型工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱擠壓成型管料技術，特別涉及一種利用平鍛液壓機進行熱擠壓空心車軸的成型工藝，屬於金屬鍛造加工領域。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著高速鐵路的發展，對高速列車的要求不斷提高。其中，為保證列車運行速度，降低磨擦對能量的損耗，減輕列車重量已成為高速列車發展的必然。而減輕簧下質量，降低車軸重量，採用空心車軸就成為首選。
[0003]現階段，空心車軸的加工主要延續鍛造工藝進行鍛造，然後用機械加工鑽孔的方式生產不變徑空心車軸，生產出的空心車軸，原料消耗大，加工周期長，生產成本居高不下，同時，生產工藝受到較大限制，沒能全面發揮空心車軸的使用效果。而直接使用空心管坯鍛造車軸，明顯具有節約原材料、縮短工藝流程和加工周期的優點，但受熱擠壓空心車軸變徑成型技術工藝的限制，其加工質量一直無法保證，特別是車軸水平橫向鍛造屬於三維成形問題，其變形部位具有瞬時局部性和連續性的特點，計算量極大，到目前為止相關報導還未出現。在我國列車車軸的重點生產企業一太原重型機械廠和晉西車軸股份有限公司中，也只是用快鍛油壓機鍛造實心車軸，而熱擠壓空心車軸受技術和設備的限制，也只停留在理論探討中。
【發明內容】
[0004]鑑於上述現有技術的不足，本發明旨在提供一種鐓出速度快、成品率高、成本低、使用效果好、適於大批量生產的熱擠壓變徑空心車軸鐓出加工方法，以滿足高速列車車軸、重載列車車軸、輕軌列車車軸以及一般列車車軸直接鐓出成型的需要。
[0005]本發明是通過以下技術方案來實現的:
[0006]一種熱擠壓空心車軸直接成型工藝，空心車軸的兩側由外向內分別為軸承座位置和輪座位置，具體步驟包括:
[0007]步驟一、對進廠管料進行超聲波和磁粉探傷，按產品規格下料後，以管料外徑為加工基準進行內孔加工。
[0008]步驟二、採用梯度加熱的方式，對輪座變形區以及變形區與內側非變形區之間的過渡區進行滿足始鍛溫度的加熱，保證變形區溫度高於過渡區溫度80?100°C。
[0009]步驟三、將上、下分體模具中的下半模固定在工作檯上，上半模對應固定在垂直方向的豎直加載液壓機上，將車軸一端梯度加熱處理完成的的輪座變形區及內側非變形區水平放入分體模具的相應位置處，通過豎直加載液壓機產生徑向加載力壓緊上、下半模，並保持上、下半模間隙為I?2mm。
[0010]步驟四、通過臥式水平加載液壓機和變徑芯棒，採用定程定壓的方式對輪座變形區進行熱擠壓，形成輪座變形區的內鐓粗，同時，保持徑向加載力大於水平加載力20%?40%。
[0011]步驟五、對車軸進行脫模，對輪座熱擠壓完成端的軸承座變形位置進行整體加熱，使加熱溫度再次達到始鍛溫度。
[0012]步驟六、重新上模，將內鐓粗完成端的車軸輪座水平放入分體模具的相應位置處，軸承座變形區在模腔外，非變形區在模腔內，通過豎直加載液壓機加載徑向壓力壓緊上、下半模，保持上、下半模間隙為I?2mm。
[0013]步驟七、採用定程定壓的方式，通過臥式水平加載液壓機上的軸承座收口模具對軸承座變形區進行水平推進方式下的熱擠壓變形收口，同時，保持徑向加載力大於水平加載力20%?40%。
[0014]步驟八、再次脫模後，重複上述步驟二至步驟七，完成車軸另一端的熱擠壓加工。
[0015]步驟九、對車軸毛坯檢驗一正火一粗加工、鑽鏜內孔一檢驗一熱處理一噴丸處理—機械性能檢驗一產品驗收。
[0016]所述步驟二具體包括:梯度加熱採用平行中頻雙爐體加熱，梯度加熱分為局部加熱和整體加熱兩個階段；局部加熱用於加熱車軸一端需首先變形的部位，即以輪座位置所需鐓粗長度組成初始加熱段，在第一個中頻加熱爐內完成局部加熱，加熱溫度控制在600?700°C;整體加熱是將初始加熱段附近所有需要加熱的部位放入第二個中頻加熱爐中進行整體加熱，加熱溫度達到始鍛溫度1150°C，輪座位置的變形區溫度高於內側的過渡區溫度80?100°C。
[0017]所述步驟四中，熱擠壓鐓粗過程中，上半模向上移動間隙2?3mm，鐓出到規定行程時，上、下半模間隙不超過4mm。
[0018]所述步驟五中，始鍛溫度為1150°C。
[0019]本發明所述的熱擠壓空心車軸直接成型工藝，以特殊的梯度熱處理方式為基礎，結合上、下方向分體模具的徑向加載力以及水平方向加載模具的推動力，在定程定壓模式下，完成空心管料的熱擠壓過程，實現了變徑空心車軸的直接成型。其工藝設計合理，模具結構簡單、使用方便，鍛件整體質量好，應變分布均勻，水平方向的正壓力保證了管坯鐓粗變形部位與不變形部位金屬流線一致，得到了與縱向一樣的橫向機械性能，提高了空心車軸的扭矩力，在減輕重量和轉動慣量的同時，增加了抗彎、抗扭能力，提升了空心車軸的使用效果和使用質量，具有鐓出速度快、成品率高、成本低、使用效果好、適於大批量工業化生產的優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本發明所述空心車軸的整體結構示意圖；
[0021]圖2為本發明所述成型工藝中輪座鐓出過程的結構變化示意圖；
[0022]圖3為本發明所述成型工藝中軸承座熱擠壓後的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]本發明工藝的宗旨是:先收內，鐓粗輪座外徑,然後再加芯棒對軸承座進行收口，完成空心車軸的變徑處理。具體方式為:利用梯度加熱的熱處理方式，結合相應的分體模具，在水平和垂直加載力的作用下進行熱擠壓，完成定程定壓下空心車軸的直接變徑成型，然後，輔助外圓和內孔加工，實現空心車軸的整體成型。
[0024]下面以實際加工高速列車空心車軸為例，結合附圖對本發明做進一步的描述:
[0025]如圖1所示，本發明所述的空心車軸3的兩側由外向內分別為軸承座位置2和輪座位置1，其中，軸承座位置2用於連接軸承，軸承頂部通過支架與車體連接；輪座位置I用於固定車輪，車輪與空心車軸3在運動中保持同步旋轉，帶動車體高速運動。
[0026]具體的熱擠壓空心車軸直接成型工藝包括:
[0027]步驟1、對進廠管料進行超聲波和磁粉探傷，按產品規格下料後，以管料外徑為加工基準進行內孔加工。
[0028]此步驟是熱擠壓生產前的準備程序，主要對進廠材料進行超聲波和磁粉探傷，從第一道工序上開始控制材料質量，剔出有缺陷材料，然後，根據產品規格進行下料，下好的料以管體外經為加工基準進行內孔加工，保證加工後管體壁厚均勻，內孔無加工缺陷。
[0029]步驟2、採用梯度加熱的方式，對輪座變形區以及變形區與內側非變形區之間的過渡區進行滿足始鍛溫度1150°C的加熱，保證變形區溫度高於過渡區溫度80?100°C。
[0030]梯度加熱的目的是使變形過程首先在溫度較高的變形區進行，從而形成階段明顯地變形過程，完成熱擠壓過程的可控進行。對於空心車軸來說，降低車軸重量的同時還要保證車軸的強度和耐用性，作為運動過程主要摩擦和受力部位的輪座支撐區，其結構就最為關鍵，其壁厚也應保持最厚。故本步驟的主要目的就是為加工較厚的輪座壁厚做的前期熱處理準備。
[0031]此步驟中，梯度加熱採用平行中頻雙爐體加熱，梯度加熱分為局部加熱和整體加熱兩個階段。其中，局部加熱首先針對車軸一端需首先變形的部位進行加熱，即以輪座位置所需鐓粗長度組成初始加熱段，在第一個中頻加熱爐內完成局部加熱，加熱溫度控制在600?700°C。整體加熱是將初始加熱段附近所有需要加熱的部位放入第二個中頻加熱爐中進行整體加熱，加熱溫度達到始鍛溫度1150°C，此時，輪座位置的變形區溫度高於內側的過渡區溫度80?100°C，其鐓粗變形過程會首先在輪座變形區進行。
[0032]步驟3、根據加工變形過程設計完成的上、下分體模具中的下半模固定在工作檯上，上半模對應固定在垂直方向的豎直加載液壓機上，將車軸一端梯度加熱處理完成的的輪座變形區及內側非變形區水平放入分體模具的相應位置處，通過豎直加載液壓機產生徑向加載力壓緊上、下半模，並保持上、下半模間隙為I?2mm。
[0033]上、下半模的模具組成方式，使鐓出過程在一個相對寬鬆的環境下進行。由於鐓粗過程為外徑尺寸不變、內徑變小，故利用豎直加載液壓機對模具整體形成徑向壓力，保證變形過程在受壓狀態下可控進行，變形區在內鐓粗過程中更易貼滿芯棒，保證了鐓出產品質量的可靠性，同時，分體結構的模具還使模具自身加工方便，脫模簡單，避免了膨脹過程對模具造成的直接影響和脫模困難。
[0034]步驟4、通過臥式水平加載液壓機和變徑芯棒，採用定程定壓的方式對輪座變形區進行熱擠壓，形成輪座變形區的內鐓粗，同時，保持徑向加載力大於水平加載力20%?40%。
[0035]如圖2所示，熱擠壓鐓出前，空心管料3的內徑相同，變徑芯棒6的長度和尺寸根據加工空心車軸的空腔尺寸而定，因輪座位置I的變形過程是外徑尺寸不變，內徑收口變形，形成輪座位置I壁厚鐓粗的結果，故在梯度加熱的基礎上，結合變徑芯棒6和上、下模4，5的聯合作用，空心管料3的變形區會首先在溫度較高的輪座位置I進行，隨著定程定壓的熱擠壓過程，即在壓力相同、推進速度相等的狀態下，變形位置和變形時間會使內鐓粗貼滿變徑芯棒6，對應輪座位置I的車軸壁7增厚，保證了空心車軸輪座位置I的強度，同時，成型區與非成型區的連接處形成錐面過渡8，錐面過渡8可使鐓出產品在連接處形成完整的金屬流線，保證了鐓出產品的質量，從而得到理想的變徑空心車軸。
[0036]為進一步保證鐓粗過程，除需要定程定壓外，還需使徑向加載力大於水平加載力20%?40%，這樣，在外徑不變的前提下，才能順利地將內徑收口變形，而在分體模具的協調配合下，熱擠壓鐓粗過程還會使上半模向上移動2?3mm，以消耗擠壓過程產生的微小直徑變化，使車軸鐓粗和模具徑向膨脹同時進行，避免了固定模具無法吸收變形的弊端。本例中，熱擠壓到鐓出規定行程後，上、下半模的間隙不應超過4mm，以免影響鐓粗效果，保證了鐓出質量。
[0037]步驟5、當車軸一端鐓出完成後，對車軸進行脫模，對輪座熱擠壓完成端的軸承座變形位置進行整體加熱，使加熱溫度再次達到始鍛溫度1150°C。
[0038]具體脫模過程為:首先，操作臥式水平加載液壓機退出，接著，控制豎直加載液壓機將上半模提升，完成脫模。
[0039]受熱擠壓加工時間的影響，脫模後空心車軸的終鍛溫度在900?1000°C左右，為實現軸承座位置的後續加工，保證軸承座成型過程順利進行，還要對軸承座變形位置進行整體加熱，以達到始鍛溫度1150°C。
[0040]步驟6、重新上模，將內鐓粗完成端的車軸輪座水平放入分體模具的相應位置處，軸承座變形區在模腔外，非變形區在模腔內，通過豎直加載液壓機加載徑向壓力壓緊上、下半模，保持上、下半模間隙為I?2mm。
[0041]此步驟開始，即對軸承座位置進行熱擠壓收口變形。變形後的軸承座端外徑與輪座外徑形成臺階狀，內徑通孔與輪座位置對應的內腔通孔直徑相同。
[0042]步驟7、採用定程定壓的方式，通過臥式水平加載液壓機上的軸承座收口模具對軸承座變形區進行水平推進方式下的熱擠壓變形收口，同時，保持徑向加載力大於水平加載力 20%?40%。
[0043]如圖3所示，受收口模具9的限制和變形區的影響，非變形區位於分體模腔內，用於支撐熱擠壓過程。軸承座變形區10位於模腔外，而靠近軸承座變形區10內側的輪座位置I則對收口模具9進行引導。用定程定壓的方式以較大的水平加載力進行水平熱擠壓推進收口，較小的徑向加載力只起到鎖緊車軸的作用，非變形區的車軸直徑不發生變化，也不參與工件變形。在實施較大水平加載力時，要求定壓並保壓，在水平推進熱擠壓變形收口到規定行程時，軸承座變形區10首先被充滿，同時，內徑收縮，形成與輪座位置I對應通孔直徑相同的孔腔，又因定程限制，在軸承座變形區10參與變形後，其它部位不會參與變形，從而有效保證了軸承座的鐓出形狀和鐓出尺寸，完成了軸承座的熱擠壓收口變形。
[0044]步驟8、再次脫模後，重複上述步驟2至步驟7，完成車軸另一端的熱擠壓加工。
[0045]脫模過程還是先操作臥式水平加載液壓機進行收口模具退出，然後，再操作豎直加載液壓機將上模具提升，完成脫模。
[0046]受加工設備和模具結構的限制，現階段熱擠壓加工變徑空心車軸時，只能採用先進行一端熱擠壓加工，然後再進行另一端熱擠壓的加工過程，其具體過程與步驟2至步驟7相同，在此不再贅述。
[0047]步驟9、對車軸毛還檢驗一正火一粗加工、鑽鍵內孔一檢驗一熱處理一噴丸處理一機械性能檢驗一產品驗收。
[0048]受高速空心車軸使用狀態的要求，對熱擠壓成型後的空心變徑車軸還需進行嚴格的全檢，合格品轉到下一道工序，不合格品則轉到不合格品庫銷毀處理。其中，合格後產品的正火處理，可細化組織、消除產品缺陷，為後續熱處理做準備。粗加工主要為粗車，對空心車軸的外徑及形狀進行車削，鑽鏜和粗車內孔時，特別是對於收口孔徑與未收口孔徑之間的錐面過渡區要保持圓弧過渡加工，不許有扎刀、黑皮、銜接面錯移等缺陷。而後續檢驗、熱處理和噴丸處理，則可進一步提高空心車軸表面的硬度，堵斷應力擴散，消除氧化皮等安全隱患，最後，再通過機械性能檢驗後，完成廣品驗收。
[0049]至此，整個加工過程完成，實現了變徑空心車軸的直接熱擠壓成型。
【權利要求】
1.一種熱擠壓空心車軸直接成型工藝，空心車軸的兩側由外向內分別為軸承座位置和輪座位置，其特徵在於，具體步驟包括: 步驟一、對進廠管料進行超聲波和磁粉探傷，按產品規格下料後，以管料外徑為加工基準進行內孔加工； 步驟二、採用梯度加熱的方式，對輪座變形區以及變形區與內側非變形區之間的過渡區進行滿足始鍛溫度的加熱，保證變形區溫度高於過渡區溫度80?100°C ； 步驟三、將上、下分體模具中的下半模固定在工作檯上，上半模對應固定在垂直方向的豎直加載液壓機上，將車軸一端梯度加熱處理完成的的輪座變形區及內側非變形區水平放入分體模具的相應位置處，通過豎直加載液壓機產生徑向加載力壓緊上、下半模，並保持上、下半模間隙為I?2_; 步驟四、通過臥式水平加載液壓機和變徑芯棒，採用定程定壓的方式對輪座變形區進行熱擠壓，形成輪座變形區的內鐓粗，同時，保持徑向加載力大於水平加載力20%?40% ； 步驟五、對車軸進行脫模，對輪座熱擠壓完成端的軸承座變形位置進行整體加熱，使加熱溫度再次達到始鍛溫度； 步驟六、重新上模，將內鐓粗完成端的車軸輪座水平放入分體模具的相應位置處，軸承座變形區在模腔外，非變形區在模腔內，通過豎直加載液壓機加載徑向壓力壓緊上、下半模，保持上、下半模間隙為I?2mm ; 步驟七、採用定程定壓的方式，通過臥式水平加載液壓機上的軸承座收口模具對軸承座變形區進行水平推進方式下的熱擠壓變形收口，同時，保持徑向加載力大於水平加載力20%?40% ； 步驟八、再次脫模後，重複上述步驟二至步驟七，完成車軸另一端的熱擠壓加工； 步驟九、對車軸毛還檢驗一正火一粗加工、鑽鍵內孔一檢驗一熱處理一噴丸處理一機械性能檢驗一產品驗收。
2.根據權利要求1所述的熱擠壓空心車軸直接成型工藝，其特徵在於，所述步驟二具體包括:所述梯度加熱採用平行中頻雙爐體加熱，梯度加熱分為局部加熱和整體加熱兩個階段；所述局部加熱用於加熱車軸一端需首先變形的部位，即以輪座位置所需鐓粗長度組成初始加熱段，在第一個中頻加熱爐內完成局部加熱，加熱溫度控制在600?700°C ;所述整體加熱是將初始加熱段附近所有需要加熱的部位放入第二個中頻加熱爐中進行整體加熱，加熱溫度達到始鍛溫度1150°C，輪座位置的變形區溫度高於內側的過渡區溫度80?100。。。
3.根據權利要求1所述的熱擠壓空心車軸直接成型工藝，其特徵在於，所述步驟四中，熱擠壓鐓粗過程中，上半模向上移動間隙2?3mm，鐓出到規定行程時，上、下半模間隙不超過 4mm。
4.根據權利要求1所述的熱擠壓空心車軸直接成型工藝，其特徵在於，所述步驟五中，始鍛溫度為1150°C。
【文檔編號】B21J5/02GK104043769SQ201310080721
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月14日 優先權日:2013年3月14日
【發明者】雷幫榮 申請人:雷幫榮