轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法

摘要

本发明涉及一种轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，其步骤是：（1）基于轿车旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，进行轿车旋锻轴毛坯的硬度及硬度分布初步设计；（2）基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及硬度分布的设计要求；（3）基于轿车旋锻轴材料的端淬曲线，提出轿车旋锻轴产品的热处理强化工艺设计要求，进行轿车旋锻轴产品热处理强化后的表面硬度及硬度梯度设计；（4）试验获得轿车旋锻轴毛坯硬度与轿车旋锻轴产品静强度和疲劳寿命关系；（5）结合制造工艺、热处理工艺以及旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的要求，进行轿车旋锻轴毛坯、制造过程中及产品的硬度及硬度分布的最终设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轿车旋锻轴硬度及硬度分布设计方法，尤其是一种采用旋锻工艺具有连续的纤维流线、表面成形质量好、容易成形变截面变厚度结构、效率高、材料利用率高等优势的轿车旋锻轴及硬度分布设计方法。

背景技术

在国外的高技术和高水平高级轿车传动轴制造中广泛应用。轿车等速万向中间轴是利用无缝钢管通过无芯棒旋锻、含芯棒旋锻、渐开线花键成形等工艺形成的变截面、变厚度空心轴。轿车旋锻轴制造过程中毛坯硬度及硬度分布影响旋锻工艺过程、渐开线花键成形过程、热处理强化工艺制定以及产品静强度和疲劳特性。轿车旋锻轴硬度设计包括毛坯硬度及硬度分布设计、无芯棒旋锻后花键成形段的硬度及硬度分布设计、旋锻轴热处理强化的硬度及硬度分布设计。

旋锻成形工艺是一种近净成形技术，该工艺具有连续的纤维流线、表面成形质量好、容易成形变截面变厚度结构、效率高、材料利用率高等优势方法具有效率高、表面成形质量好、材料利用率高等优势。特别是含芯棒旋锻时材料内外受三向压应力，尤其适用于难变形的高强度合金材料的成形，对于小尺寸和承受大扭矩的轿车等速万向传动中间轴制造具有明显的优势，轿车等速万向传动中间轴旋锻将成为中间轴制造生产的大趋势。

轿车旋锻轴制造过程中的硬度设计和控制包括旋锻轴毛坯的硬度及硬度分布、无芯棒旋锻后花键成形段的硬度及硬度分布设计、热处理强化硬度和硬度分布、旋锻轴产品要求的旋锻轴硬度及硬度设计。旋锻轴制造过程中硬度及其硬度分布不仅影响旋锻轴毛坯设计、旋锻工艺参数制定和热处理强化工艺制定，而且还影响旋锻轴产品的静强度和疲劳强度。

发明内容

本发明结合轿车旋锻轴产品旋锻工艺、渐开线花键成形工艺、热处理强化工艺以及产品静强度和疲劳强度要求等提出了一种轿车旋锻轴硬度及硬度分布的设计方法。

本发明的技术方案是：一种轿车旋锻轴的硬度及硬度分布设计方法，包括以下步骤：

（1）基于轿车旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，进行轿车旋锻轴毛坯的硬度及硬度分布初步设计；

（2）基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及硬度分布的设计要求；

（3）基于轿车旋锻轴材料的端淬曲线，提出轿车旋锻轴产品的热处理强化工艺设计要求，进行轿车旋锻轴产品热处理强化后的表面硬度及硬度梯度设计；

（4）试验获得轿车旋锻轴毛坯硬度与轿车旋锻轴产品静强度和疲劳寿命关系；

（5）结合制造工艺、热处理工艺以及旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的要求，进行轿车旋锻轴毛坯、制造过程中及产品的硬度及硬度分布的最终设计。

上述步骤（1）中，基于旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，旋锻轴毛坯硬度和硬度梯度的初步设计为：对于低碳合金钢，旋锻轴毛坯材料的旋锻工艺限制毛坯材料的硬度不高于240HV；旋锻轴渐开线花键成形工艺限制毛坯旋锻后硬度不高于210HV；根据材料的加工硬化特性，轿车旋锻轴的毛坯硬度设计不高于190HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度5HV以内。

上述步骤（2）中，基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及硬度分布的设计要求：根据旋锻轴产品传递的极限载荷，计算出旋锻轴危险截面的应力，旋锻轴产品的硬度及硬度分布的设计要求是旋锻轴危险截面硬度及硬度分布均在最大应力所对应的硬度及硬度分布曲线之上。

上述步骤（3）中，基于轿车旋锻轴材料的端淬曲线，提出轿车旋锻轴产品的热处理强化工艺设计要求，进行轿车旋锻轴产品热处理强化后的表面硬度及硬度梯度设计：满足旋锻工艺要求的低碳合金钢旋锻轴材料的端淬曲线表明，旋锻轴产品仅淬火不能满足强度要求，旋锻轴产品的热处理强化工艺设计为渗碳淬火，渗碳时防止旋锻轴轴段II渗透，渗碳深度确定为0.5-1mm；为了满足旋锻轴危险截面硬度及硬度分布均在最大应力所对应的硬度及硬度分布曲线之上，旋锻轴渗碳淬火后表面硬度不低于630HV、心部硬度不低于480HV。

上述步骤（4）中，试验获得轿车旋锻轴毛坯硬度与轿车旋锻轴产品静强度和疲劳寿命关系的具体方法是：选择不同的毛坯硬度，进行旋锻和热处理强化，按照产品要求进行静强度和疲劳寿命试验，建立旋锻轴毛坯硬度与旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的影响关系，试验结果表明，随着毛坯的硬度增加，旋锻轴产品的静强度增加，但疲劳寿命却降低；随着毛坯的硬度降低，旋锻轴产品的静强度减少，疲劳寿命反而增加，旋锻轴产品的静强度和疲劳寿命要求旋锻轴毛坯的硬度范围为150HV-180HV。

上述步骤（5）中，结合制造工艺、热处理工艺以及旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的要求，进行轿车旋锻轴毛坯、制造过程中及产品的硬度及硬度分布的最终设计：旋锻轴毛坯硬度表面硬度范围为150HV-180HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度5HV以内；无芯棒旋锻后轴段I和III的表面硬度不高于210HV；热处理强化后旋锻轴产品表面硬度不低于630HV、心部硬度不低于480HV；旋锻轴产品的硬度沿深度分布在最大应力对应的硬度分布线之上。

本发明的有益效果是：

本发明结合材料的旋锻能力、旋锻硬化、渐开线花键成形要求以及旋锻轴产品强度要求，进行旋锻轴毛坯硬度及硬度分布设计、无芯棒旋锻后花键成形段的硬度及硬度分布设计、热处理强化硬度和硬度分布、旋锻轴产品要求的旋锻轴硬度及硬度设计。本发明方法对合理制定旋锻工艺参数、提高旋锻轴产品质量和产品合格率等具有重要的技术参考价值。

附图说明

图1为某轿车旋锻轴轴产品特征和尺寸图；

图2为轴段I和III危险截面的最大等效应力图；

图3为轴段III危险截面硬度及硬度梯度分布图。

具体实施方式

以某轿车等速万向传动中间轴旋锻为对象，材料为25CrMo4，产品特征及其主要尺寸如图1所示，它有等截面等壁厚的无缝钢管经过旋锻制造而成。为了描述方便，根据轿车旋锻轴的产品特征和旋锻成形工艺要求，把该轿车等速万向传动中间轴其分为两大部分：第一部分为变壁厚变截面的空心轴段部分，即轴段Ⅰ和轴段Ⅲ，它们通过无芯棒多道次旋锻成形；第二部分为等壁厚的空心轴段部分，即轴段Ⅱ，它通过含芯棒单道次旋锻拉拔成形；轴段Ⅰ和轴段Ⅲ旋锻后进行渐开线花键冷成形。

轿车旋锻轴的主要制造过程中为无芯棒旋锻轴段I、含芯棒旋锻轴段II、无芯棒旋锻轴段III、渐开线花键成形轴段I和III、旋锻轴热处理强化等。

（1）基于轿车旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，进行轿车旋锻轴毛坯的硬度及硬度分布初步设计；

对于本例中25CrMo4材料，属于低碳合金钢，对于这类材料硬度小于190HV时旋锻效果最佳，硬度高于240HV时不适于旋锻，硬度在190-240HV区间旋锻趋于稳定。基于25CrMo4材料的旋锻能力，旋锻轴毛坯的硬度小于200HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度（5HV以内）。

本实例的轿车旋锻轴毛坯经过无芯棒旋锻轴段I、含芯棒旋锻轴段II、无芯棒旋锻轴段III后，需要对轴段I和III进行渐开线花键冷推成形。空心轴管渐开线花键冷推成形的材料的硬度小于210HV，即通过无芯棒毛坯旋锻后，轴段I和III的表面硬度小于210HV。根据无芯棒旋锻毛坯变形和材料的加工硬化曲线可以计算出旋锻轴毛坯硬度小于190HV。

基于旋锻轴材料的旋锻能力和加工硬化特性，旋锻轴毛坯硬度和硬度梯度的初步设计为：旋锻轴毛坯表面硬度小于190HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度（5HV以内）。

（2）基于轿车旋锻轴传递的极限载荷，提出轿车旋锻轴产品的硬度及硬度分布的设计要求；

对于本例的轿车旋锻轴，根据整车和等速万向传动轴设计要求，旋锻轴要的最大静载荷是：等速万向传动轴固定端摆角40°、移动端摆角10°条件下，静断裂扭矩不小于3700Nm。旋锻轴危险截面为轴段I和III最小截面处，轴段III危险截面的最大等效应力可达2276MPa。危险截面应力对于的硬度沿深度分布如图2所示。

本实例的轿车旋锻轴为了满足等速万向传动轴传递的最大载荷要求，旋锻轴强度沿深度分布要大于图2中危险截面处的应力。根据强度与硬度转换关系——1HV相对于3.98MPa，旋锻轴表面硬度要不低于630HV、硬度沿深度分布在最大应力分布线之上。

（3）基于轿车旋锻轴材料的端淬曲线，提出轿车旋锻轴产品的热处理强化工艺设计要求，进行轿车旋锻轴产品热处理强化后的表面硬度及硬度梯度设计；

本实例的轿车旋锻轴毛坯经过无芯棒旋锻后，轴段I和III危险截面的表面硬度大约为190HV左右，含芯棒旋锻的轴段II的表面硬度在240HV左右。为了提高旋锻轴强度以满足产品要求，需要对旋锻轴产品进行热处理强化。热处理强化包括渗碳和淬火，以提高表面和次表面强度和硬度。本例中25CrMo4材料的端淬曲线——即最大和最小淬火曲线如图3所示。

图3中可以看到，25CrMo4材料仅通过淬火，表面硬度在最大应力对应的硬度分布曲线下，不满足产品硬度及硬度分布需要。需要对25CrMo4旋锻轴产品进行渗碳提高表面和次表面硬度以满足产品设计要求。渗碳淬火后25CrMo4材料的最大和最小硬度沿深度分布如图3中所示，25CrMo4产品渗碳淬火后的最小硬度分布要在最大应力对应的硬度曲线以上。渗碳时防止旋锻轴轴段II渗透，渗碳深度确定为0.5~1mm。渗碳淬火热处理强化后表面硬度不低于630HV（相对于强度不低于2300MPa）、心部硬度不低于480HV（相对于强度不低于1700MPa）。

（4）试验获得轿车旋锻轴毛坯硬度与轿车旋锻轴产品静强度和疲劳寿命关系；

选择不同的毛坯硬度，旋锻和热处理强化后，进行旋锻轴静强度和疲劳寿命试验，建立毛坯硬度与产品静强度和疲劳寿命的影响关系。本例中选择不同硬度的25CrMo4毛坯进行试制，按照产品要求进行静强度和疲劳寿命试验的结果如表1所示。

表1旋锻轴毛坯强度与静断裂扭矩

*注：静强度要求扭矩不小于4000Nm，疲劳寿命不小于30万次

试验结果表明本实例的轿车旋锻轴：随着毛坯的硬度增加，旋锻轴产品的静强度增加，疲劳寿命降低；随着毛坯的硬度降低，旋锻轴产品的静强度减少，疲劳寿命反而增加。旋锻轴产品的静强度和疲劳寿命要求旋锻轴毛坯的硬度范围为150HV-180HV。

（5）结合制造工艺、热处理工艺以及旋锻轴产品静强度和疲劳寿命的要求，进行轿车旋锻轴毛坯、制造过程中及产品的硬度及硬度分布的最终设计。

结合旋锻工艺、渐开线花键成形工艺要求、热处理强化工艺和旋锻轴产品的静强度和疲劳强度要求，轿车旋锻轴产品和制造过程中的硬度及硬度分布：旋锻轴毛坯硬度表面硬度范围为150HV-180HV，旋锻轴毛坯的芯部硬度允许略高于表面硬度（5HV以内）；无芯棒旋锻后轴段I和III的表面硬度不高于210HV；热处理强化后旋锻轴产品表面硬度不低于630HV、心部硬度不低于480HV；旋锻轴产品的硬度沿深度分布在最大应力对应的硬度分布线之上。