传动轴管缩口工艺解析

不等角速度传动的万向传动轴大都采用开式、管状、两端有刚性十字轴万向节的结构。其中传动轴管的作用就是在尽可能减少功率消耗的情况下，满足长距离传输扭矩的需要。传动轴管通常采用薄壁直缝钢管。为了保证平稳、可靠地传递动力，钢管的强度、精度和工艺性能三方面应满足以下要求。（1）高强度要求。由于汽车传动轴的实际工况较为复杂，在工作中既要承受随机变化的交变载荷，又要承受起动、制动及因道路状况变化所引起的交变载荷，故要求钢管必须具有较好的强度和塑性。（2）高精度要求。传动轴是在高速旋转的状态下传递扭矩的运动部件，只有钢管的尺寸和形状达到一定的精度，才能使传动轴的质量中心接近于回转中心，减少由于离心力引起的系统振动，保证车辆高速行驶时的平稳性。（3）工艺性要求。为保证传动轴总成的质量，钢管的缩口、压扁、静扭等工艺性能试验必须合格。工艺方案虽然，生产某轻型汽车所用的φ68.9mm×2.3mm传动轴管的无缝钢管，在国家标准中也已经有规定，但要用这种无缝钢管来加工传动轴管在工艺上遇到了麻烦：如果采用传统的生产方法进行加工，传动轴管两端在进行缩口过程中，非常容易出现裂纹、皱缩的现象；若采用热加工缩口，在焊接时强度就会明显降低，因此不能满足传动轴管高强度的要求；如果采用普通的冷挤压缩口方式，则易使管口处出现裂纹、管口不平齐，从而影响到传动轴管的焊接定位和增加不平衡量。为解决上述问题，我们采用带芯冷拔工艺加工传动轴管。试验证明，加工出来的传动轴管管口，工艺性能良好。采用带芯棒冷拔钢管时，作用在变形区域上的外力及应力状态如图1所示。图1中P为作用在拔管上的外作用力，即施加于钢管前端的拔制力；p及pz分别为在拔管模锥形入口处，作用在钢管外表面上的单位压力及其水平分力；P01、P1为在定径带上作用在钢管内表面的单位压力；τ、τ2为在拔管模入口锥处，作用在钢管外表面的单位摩擦力及其水平分力；τ0为在减壁区作用在钢管内表面的单位摩擦力；τ01、τ1为定径带上作用在钢管内外表面的单位摩擦力；σ为轴向应力；σ1为径向应力；σi为周向应力；I表示减径区；Ⅱ表示减壁区；Ⅲ表示定径带。由图1可知，在拔管过程中，在变形区上的钢管所受的外力可以分解成两组：一组是在外表面和内表面沿圆周力分布的径向压力；一组是由拔制力和与它相平衡的轴向力所组成的拉力。在这些外力作用下，变形区内部产生相应应力。其轴向为拉应力，径向和周向均为压应力。在这种状态下，金属的变形抗力低，因此比较容易成形。图1变形区域所受外力及应力状态如图1所示，采用带短芯棒拔制工艺时，由于钢管的变形是在外模和芯棒的共同作用下完成的，即同时减径和减壁，而且钢管在内外表面都存在摩擦阻力。所以，拔制时金属的流动和变形比较均匀，钢管不易开裂。钢管在冷拔过程中，外模型腔和内芯棒的尺寸决定了钢管变形后的尺寸；同时，钢管的内壁会比较均匀。因此，冷拔后钢管的直径与壁厚尺寸精度得以提高，为传动轴总成的生产提供了便利。在轻型汽车传动轴管的技术条件中，要求屈服强度大于412MPa。利用钢管冷拔过程中产生的加工硬化现象可以提高传动轴管用材的屈服强度值，满足所要求的机械性能。综上所述，采用带芯冷拔工艺方法生产φ68.9mm×2.3mm传动轴管，生产周期短、成本低、效率高，不仅在技术上可行，而且经济性也好。工艺试验带芯冷拔工艺多适用于无缝钢管的生产，而采用这种工艺生产汽车传动轴管，必须根据传动轴所用钢管的技术要求和现有冷拔工艺的生产经验进行工艺试验，选出最合理的工艺方案。管坯的选择带芯冷拔钢管的管坯直径、壁厚及其尺寸是决定成品管的塑性变形量、残余应力、表面质量及尺寸精度的基本因素。合理地选用管坯的规格，对加工传动轴管的质量和降低成本都有很大的意义，考虑到传动轴管是专用钢管，其尺寸精度和形状精度都较高，尤其是焊缝的内外毛刺必须彻底清除干净。根据相关资料列出的拔制参数，选择比成品φ68.9mm×2.3mm的外径和壁厚都大的传动轴用电焊钢管为毛坯。例如，国内常用的传动轴管φ76mm×2.5mm和φ89mm×2.5mm两种；同时考虑到焊管冷拔的实际情况，为使冷拔所产生的不利因素降至最低，分析选用08Z钢的φ76mm×2.5mm的电焊钢管为最佳，钢管的内径为φ70.94mm，壁厚为2.61mm，直线度为0.33mm/m，椭圆度为0.32mm，焊缝高度为-0.02mm。该钢管实测的参数如下：σb＝579MPa，σ0.2＝376MPa，δ=25.2％，扩口、压扁、涡流探伤均合格。拔管模冷拔采用入口锥度为24°的硬质合金拔模。为保证拔制后钢管的直线度，将拔模的定径带宽度制成常规拔模的2.5倍，公称直径为φ68.9mm。这样宽的定径带会使拔制力P增大，但对保证加工后的轴管的直线度是有效的，对终拔后不经校直的钢管尤其有效。拔制采用的芯棒为硬质合金短芯棒，其工作带直径为φ64.3mm。拔制工艺钢管经过冷拔后，不仅其材料的塑性指标降低，更主要的是钢管的焊缝质量和力学性能都有可能急剧下降。在传动轴总装时，需在传动轴两端压装相关零件并与其焊成一体。在进行动平衡试验时，还要在轴管上点焊平衡片。考虑到由于钢管在冷拔后会产生内应力，再经两端的熔焊及局部加热的点焊，钢材的内应力又会重新分布，使钢管产生弯曲变形，动态不平衡量值增大。在进行重复动态平衡试验时，质量中心有可能无规律地或过分游离已标定的相位，至使平衡矢量值无法修正。所以，考虑到钢管焊接后内应力对传动轴动态性能的影响程度，并为获得材料良好的机械性能及焊缝质量，我们拟定了以下三种试验方案，通过试验选出最佳工艺方法。（1）在冷拔前对管坯进行退火处理，目的是进一步改善管材质量。尤其是改善焊缝处的金相组织，消除焊接应力，降低屈服强度，提高塑性，减少冷拔后产生的内应力。然后在矫直机上矫直，经酸洗后再磷化皂化润滑，拔制成形。（2）直接对管坯进行酸洗和磷化皂化，不经热处理工序直接冷拔至要求尺寸。（3）管坯在未经热处理的状态下先空拔至φ71.5mm×2.5mm，然后进行一次中间热处理，矫直后经酸洗和磷化皂化，然后采用带芯冷拔法拔制。以上三种方案中，管坯均以13m/min的速度在最终成形模上拔成，所拔制的传动轴管的表面质量都较好。试验结果与分析对拔制成形的传动轴管进行了以下试验和检测，钢管的力学性能数值和管坯、成品管的实测数值如表1所示。■表1成品管力学性能工艺性能试验（1）缩口试验。根据相关规定，采用标准试验方法进行缩口试验。对60°圆锥缩小0.80％，对于先热处理管、未热处理管、中间热处理管，除了未处理管在第2次裂了外，其他都完好。（2）压扁试验。根据相关规定，进行钢管的压扁试验，H=2D/3=45.93mm，其中：H为管高，D为管径。对于先热处理管、未热处理管、中间热处理管，除了未热处理管在第2次，第5次裂了外，其他都完好。（3）静扭转强度试验。根据试验要求，取实测数值与规格相近的φ76mm×2.5mm和φ63.5×2.5mm两种传动轴管的额定静扭矩值进行比较，φ6mm×2.5mm管的静扭矩值不小于1.57kN・m，采用500型扭力试验机进行试验，试验结果表明，以上三种方案拔制的钢管在5kN・m力矩的作用下均未屈服。（4）扭转疲劳试验。为考核冷拔传动轴承受交变载荷的能力，根据轻型汽车传动轴的额定轴荷，采用非对称循环，在WHP-6型试验台上检验其扭转疲劳寿命指标。经试验，扭转疲劳循环次数达三十余万次仍无破坏，超过了《汽车传动轴质量分等规定－汽车传动轴总成质量分等》中优等品水平20万次，6次循环次数分别为300311、300068、301945、301943、301943、300521，均无破坏情况，达到的等级均为优等品。结果分析从试验结果可以看出，当管坯经过预热处理后拔制的钢管，其抗拉强度、屈服强度、尺寸精度及椭圆度都明显高于国家标准的规定。冷拔后，钢管及焊缝质量通过工艺性能试验也全部合格。由于产生的内应力较小，故钢管焊接后的弯曲变形也较小。采用中间热处理的钢管由于有两道拔制工艺，所以直线度较差，低于国家标准的规定。未经热处理的冷拔的钢管，其尺寸精度和椭圆虽然高于国标的规定，但明显低于经过热处理拔制的钢管，虽然其抗拉强度和屈服强度提高显著、直线度好，但由此引起延伸率下降，导致在扩口和压扁试验时焊缝开裂，而且钢管残留内应力也相对最大，对焊接反应最敏感，焊后弯曲变形严重。上述分析说明，经热处理拔制的轴管在许多方面优于未经热处理拔制的钢管，它完全可以满足轻型汽车传动轴所用钢管的加工要求。结束语汽车传动轴管由于担负长距离传输扭矩的任务，因此在强度、精度及工艺性等方面有很高的要求。对加工传动轴管采用的带芯冷拔缩口进行可行性分析，并进行工艺试验，试验结果表明，采用短芯棒冷拔工艺加工传动轴管，技术经济性能好，有一定的推广价值。传动轴管的传统生产方式是在辊式成形机组上将热（冷）轧带钢高频焊接成形，需要21道工序；而采用冷拔法则只需12道工序：管料→锤头→退火→矫直→酸洗→清洗→冲洗→磷化→皂化→拔制→切头切