花键轴冷挤压技术发展综述.doc

花键轴冷挤压技术发展综述单斌摘要:阐述了花键轴冷挤压技术的特点, 介绍了国内外花键轴冷挤压技术的发展过程和研究现状, 分析其冷挤压技术的发展趋势, 并针对该技术存在的问题提出了建议。关键词：花键轴；冷挤压；发展过程Review of development of cold extrusion of spline shaftshanbinABSTRACT：The spline shaft in cold extrusion technology the characteristic was elaborated, introduced domestic and international spline shaft cold extrusion technology development process and the present research situation of cold extrusion technology, analyzes its development trend, and aiming at the existing problems of this technology were proposed.Key words: spline shaft ；cold extrusion ；development process 1. 引言冷挤压是在常温下挤压金属材料使其产生塑性变形的加工方法。冷挤压成形是将冷态的金属毛坯放入模具的模腔内，在压力机特定的进给速度和强大的压力作用下，迫使金属材料从凹模模腔或凹模与凸模的空隙挤出，成形端面面积较原毛坯要小的实心件或则是特定形状的空心件，从而获得所需一定形状、尺寸及具有较高力学性能成形件的加工工艺技术1。可见，冷挤压成形技术靠模具形状来控制金属的流动，金属的大面积转移来成形所需零件2。与其它制造方法相比，冷挤压工艺已经成为最先进的金属塑性成形工艺之一，在经济上和技术上都具有很多显著优点：1) 降低原材料的消耗。冷挤压在不破坏金属的前提下使金属材料作塑性转移，可以达到少切削无切削的近净成形，提高了材料的使用率。冷挤压材料的使用率一般在80%以上；2) 提高劳动生产率。冷挤压加工一般在压力机上进行，操作方便简单，使生产效率可以提高几倍、甚至几十倍；3) 可成形复杂形状的零件。在压力机简单的往复直线运动下，能完成比较复杂的加工工序，并成形形状复杂的零件；4) 提高零件的力学性能。冷挤压后的零件，金属流线没有被切断，而且材料的晶粒组织更加致密，冷变形的加工硬化使冷挤压件的强度大大提高，提供了用低强度钢代替高强度钢的可能性；5) 制件可获得理想的表面粗糙度和尺寸精度。冷挤压件的表面质量较好，表面粗糙度Ra至少在0.631.25m以上，挤出零件的精度也可达到IT7IT8级。所以，冷挤压件有的部位可以不留后续加工余量，只需在精度要求较高的部位为后续精磨留少许余量 3；6) 减少工序和设备投资。在闭式模具中进行冷挤压成形没有飞边，省去了切边工序和设备。冷挤压加工除用专用的冷挤压机，也可以用液压机或普通压力机进行； 降低生产成本。由于冷挤压加工大大节省了原材料和设备投资，必然可以降低零件的生产成本。2. 花键轴应用简介花键连接由外花键和内花键组成，是平键连接在数目上的发展。由于花键连接具有：1）轴上与孔上直接而匀称地制出较多的齿与槽，连接受力较为均匀；2)齿根处集中应力较小，轴与毂的强度削弱较小；3）齿数多，总接触面积大，承受较大的载荷；4）轴上零件与轴的对中性好；5）连接的导向性较好等优点5。花键轴适用于定心精度高、载荷大或经常滑移的连接，在动力传动装置中得到了应用的较为广泛，比如应用于汽车动力传动装置、手动变速箱倒档装置、摩托车发动机传动装置、启动电机中的驱动装置等。 按齿形不同，花键轴可分为渐开线花键轴和矩形花键轴两大种类：渐开线花键轴的齿廓为渐开线，分度圆压力角有30和40两种。渐开线花键轴的定心方式为齿形定心，当齿受载时，齿上有径向分力，能起自动定心作用，使得各个齿受力均匀、强度高、寿命长，并且容易获得较高的精度和互换性。矩形花键轴根据其承载能力的不同，分为轻、中两个系列。小径定心是一种常见的矩形花键轴的定心方式，轴花键的小径面与孔花键的小径面配合，其具有定心精度高，定心稳定性好的特点，并能用磨削的方法来消除花键热处理引起的变形。所以，矩形花键轴应用的比较广泛。3. 花键轴冷挤压技术的发展花键轴传统的成形方法有滚切法、铣削法和磨削法等去除材料的加工方法，其缺点：浪费生产材料、生产的效率低、产品的使用寿命短、承载能力较差、强度弱低。所以，无论国外还是国内都逐渐采用冷挤压、冷打、冷轧、冷搓等塑性成形的方法代替传统的切削加工方法，以满足大批量生产的需要，特别是冷挤压生产花键轴为企业创造了极大的经济效益。在国内外由于汽车以及工程机械的大规模发展，花键轴的生产已逐渐专业化，出现了许多专业的机床，生产效率较开始有较大的提高。二战以后，挤压材料、模具材料和大吨位挤压机的出现，为冷挤压的广泛应用创造了条件。日本的冷挤压技术发展较早也比较快速，长时间以来日本的冷挤压技术都处于领先地位。整体式凹模正挤压花键工艺也是日本70年代发展起来的花键加工技术。我国一汽集团公司下属的工艺研究所于1989年才掌握花键的一次冷挤压成形技术，并于1990年申请正挤花键研究的专利，且被批准向外转让该项技术，才开启了我国花键轴的冷挤压加工。南京汽车集团于90年代采用特殊的润滑剂代替传统的毛坯磷化、皂化工艺，冷挤压制造出了轻型货车的半桥传动渐开线花键和矩形花键6。江苏森威用冷挤压工艺生产摩托车花键轴，并用分割渐开线花键轴的方法生产小模数齿轮。江苏靖江格尔顿在21世纪初开发出一种采用大模数花键冷挤压一次成形技术可以降低运行噪声的传动轴，它采花键尼龙涂敷技术及相关设备，大幅度提高了花键的耐磨性能，降低了汽车的运行噪声30。4. 花键轴冷挤压的研究现状目前，针对花键轴冷挤压成形的主要研究：从理论方面，利用滑移线法、上限法和主应力法等塑性成形原理，研究花键轴的金属材料流动特性和计算成形力的大小，及材料特性、摩擦和凹模形状对成形力的影响；模具设计方面，工艺参数尚无明确的选择依据，基本以经验为主，对局部墩粗的研究也限于入模半角的讨论和入模口引导长度的推算。对于花键冷挤压时毛坯失稳问题、花键轴冷挤组合凹模的优化设计、花键轴冷挤凹模的回弹、以及花键冷挤压数值模拟的研究目前都在积极进展中。1) 成形工艺研究对矩形或渐开线花键的成形工艺研究一直都是冷挤压研究的重点，目前成形工艺路线研究比较成熟。主要有工艺路线的制定9，采用数值模拟的方法对成形过程中成形力、金属流动特性、摩擦10、应力及应变进行研究11；分析矩形花键轴冷挤压过程中坯料直径、凹模入模半角及键齿尺寸对花键成形力的影响12；以及成形极限、金属流动及成形缺陷的研究13 14。并优化出最佳参数，根据优化结果进行冷挤试验，得到质量合格的制件，为花键类冷挤压成形工艺的制定提供依据15。毛坯的弯曲失稳研究主要有：把花键轴及挤压简化成力学模型，分析花键轴挤压的稳定性及出现弯曲的临界力，并采用增加约束的方法解决了半轴花键精密挤压成形不稳定的问题16；应用刚塑性有限元分析软件DEFORM，对材料成形过程进行数值模拟，初步探讨入模口深度及入模半角大小对冷挤压成形镦粗失稳的影响17 18。2) 模具研究19-27主要研究模具的失效形式、优化参数及提高寿命的方法。冷挤压模具的主要的失效形式有三种：变形、磨损和破裂。挤压时作用在模具上的载荷非常大，冲击剧烈，应力较集中，还有循环加工产生的交变应力等都很容易让模具产生损坏。大多数模具的失效都是应力导致的，所以模具的寿命与应力分布直接相关，故国内外在模具应力分布及如何减少应力等方面做了许多的研究工作。主要采用弹性变形及应力应变的有限元模拟等方法来分析模具的应力分布，再提出有效地措施改善模具结构及参数，减小因设计不合理造成的应力集中，以解决模具的提前破损问题，从而提高模具的使用寿命。如：应用新型的材料，采用组合模和加预应力环可显著提高模具使用寿命。目前，针对回弹问题的研究方法主要是基于有限元仿真技术。采用模具补偿法，即对挤压件的出现的回弹现象应用数值分析定量地进行迭代计算，不断修正模具参数，最后使得挤压件回弹后的尺寸与设计的尺寸相符合，这对于有较大回弹量挤压件的模具设计相当重要。而实际生产中，大多数模具设计中的回弹量补偿仅限于经验值，并通过不断试验，改进模具以满足成形要求。3) 数值模拟研究由于传统的成形工艺研究主要采用“经验法”，而经验的设计方法往往经历反复修正的过程，造成了大量人力、物力及时间的浪费4。有限元数值模拟作为一种有效的数值计算方法已经取代了传统的经验设计，而且广泛地应用到金属塑性成形加工过程的数值模拟中。目前，以刚塑性有限元法FEM为基础建立起来的有效数值模拟软件有：DEFORM、FORGE、QFORM、SIMUFACT（SUPERFORM和SUPERFORGE的集成）等28，也有采用有限体积法（FVM）建立的软件SIMUFACT，但目前没有得到广泛应用。通过建立模型和确定适当的边界条件，这些软件可以直观地观察金属成形过程的应力应变分布、金属流动的速度场、模具受力情况分布及挤压件可能出现的缺陷情况。对确定工艺方案即模具参数有重要的指导意义。目前，花键冷挤压研究主要采用的是DEFORM-3D进行分析，其建立的刚塑性材料模型，特别适用于花键成形这类大变形的分析29。此软件可以提供花键成形过程中材料流动的速度场、模具型腔的充填、点追踪、成形载荷、应力应变和缺陷等信息。另外，也有采用SUPERFORM软件对渐开线花键冷挤压成形过程进行数值模拟和凹模优化设计7 15；采用DEFORM-3D模拟挤压过程同时又采用MSC.MARC分析模具受力6；对于冷挤压模具的小变形也有采用ANSYS对应力、应变进行分析。5. 花键轴冷挤压技术的发展趋势(1) 随着能源危机的日趋严重, 人们对环境质量将更加关注, 加之市场竞争日益加剧, 促使锻件生产向高效、高质、精化、节能节材方向发展。因此, 用挤压成形等工艺手段所生产的精化锻件的产量, 在市场竞争中将得到较大的发展。(2) 汽车向轻型化、高速度、平稳性方向发展, 对锻件的尺寸精度、重量精度及力学性能等都提出了较高的要求。 (3) 专业化、规模化的组织生产仍是冷挤压生产的发展方向和趋势。在法国, 以挤压成形工艺生产锻件的专业厂家, 1991 1994 年全员劳动生产率, 即每人生产挤压件的产量及产值, 均高于一般生产模锻件或者自由锻件的厂家。以1994 年为例, 专业厂家挤压件人均产量为51 024kg, 创产值775 688法郎。而同期一般性生产模锻件的厂家, 其人均产量仅为39 344kg, 产值592 384 法郎, 仅相当于挤压件专业生产厂家的77. 1% 和76. 37% 。自由锻件生产厂与之相比则更低。(4) 挤压专机将成为一种发展趋势。随着中小型锻件的精化生产发展及冷挤压、温挤压工艺的推广应用, 多工位冷挤压压力机、精压机及针对某种锻件而设计制造的专机, 将会得到大力发展。6 建议目前, 制约冷挤压技术发展的因素主要是原材料、设备、模具及专业化组织生产等问题。针对这些问题, 提出如下建议:( 1) 有重点地按组织结构优化的方针与目标, 对国内条件较好、工厂配套比较齐全的企业, 以专业化规模化组织生产的原则进行现代化企业的技术改造, 使其在逐步解决行业中业已存在问题的同时, 提高市场的竞争能力, 逐步缩小同国内外先进企业之间的差距, 进而搏击国际市场。( 2) 研究更理想的表面处理与润滑方法, 扩大冷挤压的使用范围, 加工出更复杂甚至外形不对称的零件。( 3) 寻找更好的模具钢材及热处理方法, 延长模具使用寿命。( 4) 设计出更适应冷挤压工艺要求的压力机, 在合理范围内提高冷挤压每次工序的变形量。( 5) 在大批量生产中, 广泛采用机械化、自动化装置, 提高劳动生产率。参考文献1 洪慎章.冷挤压实用技术.北京：机械工业出版社，2005：11052 王伟.冷挤压成形技术在汽车零部件制造中的应用.中国高新技术企业，2008：72733 杨煜.国内外冷挤压技术发展综述.锻压机械，2001，36（1）：354 Zhen Zhao, Chengliang Hu，Xueyu Ruan. 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