汽車傳動軸冷擠壓成型工藝研究概述

魏霞

摘要：傳動軸是汽車傳動系中重要的零件，為了減輕重量，降低成本，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造自動化，可以采用無縫鋼管作為毛坯件，并通過兩端縮徑的工藝來制造成兩端細(xì)、中間粗的汽車傳動中空軸?？s徑的工藝根據(jù)變形力的作用方式，種類很多，本文對各種縮徑加工工藝進(jìn)行比較，提出推壓—拉拔復(fù)合縮徑的優(yōu)點(diǎn)，及其研究現(xiàn)狀。此汽車空心傳動軸的加工方法的研究，對于實(shí)際工程應(yīng)用有重要的意義。

關(guān)鍵詞：汽車傳動軸;推壓-拉拔復(fù)合縮徑

軸是組成機(jī)械的重要零件之一，汽車的傳動軸只傳遞扭矩、不承受彎矩。隨著國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、對保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排要求力度的增加，工業(yè)生產(chǎn)也要求產(chǎn)品減少材料的使用，生產(chǎn)加工以保護(hù)環(huán)境為主。其中，汽車產(chǎn)品要求輕量化也成為必然的趨勢，在產(chǎn)品制造時(shí)減少材料消耗，在應(yīng)用時(shí)，在保證更好的安全、操控性的條件下，減少能源的浪費(fèi)和對環(huán)境的污染。在保證各種要求的情況下，空心軸的優(yōu)點(diǎn)有：可以減少材料浪費(fèi)、消耗、使軸輕量化;由于空心軸的質(zhì)量小，轉(zhuǎn)動慣量更小，并且振動減弱，所以將空心軸應(yīng)用在交通工具上，比如汽車、高鐵和飛行器等，優(yōu)越性更為顯著[2]。空心軸和實(shí)心軸在使用功能上差別不大，但重量卻能大幅降低，隨著輕量化的發(fā)展，對空心軸的需求會越來越多，成形方法將向高效、精密、智能的方向發(fā)展[3]。

汽車傳動軸外形為兩端徑向尺寸較小的圓柱體，適用于管件的兩端縮徑工藝加工，即選取一定尺寸的無縫鋼管作為初始管坯，對初始管坯的兩端縮徑，保持中部區(qū)域不變形，制得汽車傳動空心軸。

縮徑已經(jīng)成為管材加工制造中重要的成形方法，制造成本低，生產(chǎn)效率高，已廣泛用于汽車、飛機(jī)、工程機(jī)械中管件的加工制造，根據(jù)變形力的作用方式，主要分為電磁縮徑、旋壓縮徑、沖擊縮徑及沖壓縮徑等。電磁縮徑是一種高效成形方法，可實(shí)現(xiàn)局部較大變形，成形過程無污染，近年來發(fā)展迅速，但電磁成形適用于制件局部成形，且其成形裝置價(jià)格昂貴，不適用中厚壁管坯兩端縮徑工藝;旋壓縮徑對于薄壁筒形管件縮徑是一種有效的方法，該工藝在普通車床或?qū)Ｓ眯龎簷C(jī)上，利用旋輪進(jìn)給運(yùn)動得到管件目標(biāo)尺寸，但旋壓縮徑適用于薄壁長管件，對于中厚壁管坯的兩端縮徑，工藝復(fù)雜，且較大的旋壓力容易造成管坯彎曲;沖擊縮徑加工在旋轉(zhuǎn)鍛造機(jī)上，也稱為旋轉(zhuǎn)模鍛（或徑向鍛造）縮徑，主要用于長管件的縮徑加工，不適用于中厚壁管件的大變形縮徑，尤其是兩端均需縮徑的工藝;沖壓縮徑是通過凹模將管坯外徑進(jìn)行縮減的沖壓方法，按作用方式不同分為拉拔縮徑與推壓縮徑，其中拉拔縮徑是拉動管坯端部經(jīng)過縮徑凹模進(jìn)行減徑的一種加工方法。拉拔縮徑后需對端部夾持部分進(jìn)行切除，對于中厚壁管的兩側(cè)縮徑，材料利用率低、制造成本高。

推壓縮徑是一種應(yīng)用廣泛的管坯減徑的方法，通過縮徑模具的擠壓來減少管件或棒料的橫截面積，該方法對于脹壓成形汽車橋殼初始管坯的兩側(cè)縮徑是可行的。推壓縮徑按照成形過程中有無芯軸，分為無芯軸的自由推壓縮徑和芯軸推壓縮徑[4]。

無芯軸的自由推壓縮徑在加工中，模具結(jié)構(gòu)簡單，單次縮徑變形量大，生產(chǎn)效率高。關(guān)于自由推壓縮徑的研究比較多，王連東[5，6]對汽車橋殼推壓縮徑工藝進(jìn)行了深入研究，文獻(xiàn)[5]揭示了推壓縮徑變形機(jī)理，計(jì)算了縮徑應(yīng)力，推導(dǎo)了極限縮徑系數(shù)，并制定了橋殼端部縮徑方案，確定了工藝參數(shù)。文獻(xiàn)[6]揭示了縮徑時(shí)管坯端部存在翹曲的主要原因，并分析了三個(gè)工藝參數(shù)（縮徑率、縮徑凹模半錐角及摩擦系數(shù)）對管端翹曲和軸向伸長率的影響規(guī)律。根據(jù)目前研究現(xiàn)狀可知自由推壓縮徑的成形管件存在一些問題：由于加工過程中管坯內(nèi)表面無約束，成形管件的壁厚增加率較大，不符合汽車輕量化趨勢;管坯內(nèi)表面無約束導(dǎo)致壁厚及壁厚偏差不可控，不利于提高空心軸的使用性能;縮徑時(shí)管坯內(nèi)、外層金屬塑性變形不均，成形管件端部出現(xiàn)較大翹曲及軸向開裂，增大了廢品率。

芯軸推壓縮徑可以提高管件的成形質(zhì)量，所以生產(chǎn)上常采用這種方式。芯軸推壓縮徑分浮動式芯軸推壓縮徑與固定式芯軸推壓縮徑兩種。固定式芯軸推壓縮徑的傳力區(qū)變形抗力較大，極易造成起皺失穩(wěn)，常用于厚壁管縮徑，張雙杰[7，8]采用冷擠壓工藝針對厚壁管件有芯棒開式進(jìn)行研究，利用流函數(shù)法建立了變形區(qū)連續(xù)速度場，采用上限法得到了擠壓功率、擠壓力，對三種工藝參數(shù)（坯料原始厚徑比、摩擦因數(shù)、模具錐角）對擠壓成形極限的影響進(jìn)行了分析，對理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。Tangsri[9]針對薄壁、中厚壁管芯軸推壓縮徑研究發(fā)現(xiàn)：如果坯料厚徑比值較小，采用固定芯軸方法時(shí)，容易造成管件失穩(wěn)起皺。浮動式芯軸推壓縮徑的傳力區(qū)變形抗力較固定式小，其縮徑成形極限有所提高，常用于薄壁管縮口，滕宏春[10]使用上限法針對動芯軸薄壁管及薄壁圓杯縮徑成形進(jìn)行研究，得出管坯縮徑力解析解，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示浮動式芯軸縮徑成形極限大于固定式。對脹壓成形汽車橋殼初始管坯的兩側(cè)大變形縮徑，若采用芯軸推壓縮徑，雖可改善管件成形質(zhì)量，但易造成管坯中部傳力區(qū)失穩(wěn)起皺，單道次變形量較小，并且由于縮徑道次增多，致使成本增加。因此，我們提出了推壓—拉拔復(fù)合縮徑的加工工藝。

推壓拉拔復(fù)合縮徑工藝，是在縮徑前，在管坯內(nèi)部將芯軸推入，然后開始縮徑，在縮徑凹模由管端向內(nèi)部工進(jìn)的同時(shí)，芯軸以大于管坯伸長的速度，由管坯內(nèi)部向端部拉出，相當(dāng)于對管坯施加了一定的拉拔力，減少了管坯中部傳力區(qū)的變形抗力，縮徑成形極限大大提高，同時(shí)由于縮徑凹模與芯軸的共同作用，縮徑管坯外徑尺寸精度高，壁厚趨于均勻，且壁厚增加率得到有效控制。另外，變形管坯受到一對方向相反的摩擦剪應(yīng)力作用，改變了變形區(qū)的力學(xué)狀態(tài)，更有利于管坯內(nèi)外表面變形均勻，成形后殘余應(yīng)力較小。

對于推壓拉拔復(fù)合縮徑工藝，目前研究現(xiàn)狀是燕山大學(xué)脹壓成形汽車橋殼課題組為了解決脹壓成形汽車橋殼初始管坯的兩側(cè)大變形縮徑問題，提出了推壓—拉拔復(fù)合縮徑工藝，該工藝能夠有效地改善推壓式自由縮徑管坯成形質(zhì)量不高及芯軸推壓縮徑傳力區(qū)易失穩(wěn)的問題，適用于管件的兩側(cè)縮徑。對于推壓-拉拔復(fù)合縮徑工藝，文獻(xiàn)[11]針對壁厚偏差對于推壓—拉拔復(fù)合縮徑進(jìn)行了研究，表明：通過測量、分析某載重6.5t脹壓成形汽車橋殼用鋼管的軸向及周向的壁厚，建立了帶壁厚偏差管坯的幾何模型及推壓-拉拔復(fù)合縮徑的力學(xué)模型，分析了薄壁側(cè)、厚壁側(cè)管坯的受力及變形差異，在專用縮徑設(shè)備上成功試制出縮徑樣件，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬所得規(guī)律一致。文獻(xiàn)[12]對推壓-拉拔復(fù)合縮徑的芯軸外徑對工藝的影響進(jìn)行了研究，通過推壓-拉拔復(fù)合縮徑的力學(xué)模型定性分析了不同外徑芯軸縮徑時(shí)管坯的受力及變形差異，并給出了芯軸外徑設(shè)計(jì)公式;針對某載重6.5t脹壓成形汽車橋殼管件的第一道次使用推壓-拉拔復(fù)合縮徑，在專用設(shè)備上進(jìn)行了第一道次推壓-拉拔復(fù)合縮徑試驗(yàn)，成功試制出縮徑樣件，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相吻合。對于該工藝的加工細(xì)長薄壁的汽車空心傳動軸是非?？扇〉摹?/p>

因此，基于理論和建模分析，對比傳統(tǒng)汽車傳動軸的加工工藝，通過使用冷擠壓成形工藝能夠有效地改善推壓式自由縮徑管坯成形質(zhì)量不高及芯軸推壓縮徑傳力區(qū)易失穩(wěn)的問題，適用于管件的兩側(cè)縮徑。并且使用冷擠壓成形工藝生產(chǎn)汽車傳動軸可以達(dá)到汽車的輕量化，可在制造階段減少材料消耗，在應(yīng)用階段減少能源和排放，同時(shí)擁有更好的負(fù)載和操控性。所以對于冷擠壓成形工藝的研究于實(shí)際工程應(yīng)用有重要的意義。

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