利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形工艺及装置

技术领域

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，特别涉及一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形工艺及装置。

背景技术

近几年，随着世界石油价格不断攀升，环境保护要求不断提高，新能源汽车技术的研究与产业化得到了广泛的关注。新能源汽车是当前汽车工业的发展趋势，是国家重点扶持的一个新兴产业。在实际生活中，一方面要满足人民对汽车等日常生活用品的物质、文化的需要，另一方面也要降低对环境的污染与破坏，这就要求合理改进汽车零部件的结构，在保证新能源汽车安全性能的基础上，降低整车重要以增加行驶里程，从而缓解“里程焦虑”。

因此，新能源汽车的结构轻量化成为本领域的重要发展方向，考虑到新能源汽车轴类零件承载扭矩的工作特点决定了芯部材料的作用效果较小，故在保证结构整体刚度的基础上结构空心化是轻量化的有效方式，可以在保证服役性能前提下显著降低部件重量。相较于实心及空心轴类零件，新能源汽车盲孔轴具有以下优势：(1)在保证强度的基础上，节材减重，减少材料消耗，减轻整个车轴的重量；(2)盲孔轴转动惯量小，可提高快速转动的响应性能，提高整车的启停速度；(3)盲孔轴两侧方便放置探头，便于日常无损检测，增大汽车的安全性。相关数据表明，若新能源汽车的整车运动部件减重10％，可节油14％左右。随着盲孔轴在交通运输行业的应用逐渐增加，盲孔轴成形制造技术成为亟待解决的关键技术。

目前，盲孔轴类零件的成形工艺主要是利用车削加工内孔，该工艺材料利用率低，尤其是对于长轴深孔加工成本较高，且不能得到均匀的金属流线，生产效率低、材料利用率低、毛坯余量大。

楔横轧工艺是一种先进的回转类零件成形工艺，与传统的锻造工艺、挤压工艺和机械加工工艺生产轴类零件比较，具有生产效率与材料利用率高、产品成形质量稳定、组织性能良好等优点，迄今为止楔横轧工艺在汽车领域得到了广泛应用。但是现有楔横轧工艺仅能成形实心轴类零件或者通孔轴类零件，暂无法成形盲孔类零件，一方面限制了新能源车轴的设计自由度，使得很多车轴无法采用兼具轻量化和高强度的盲孔结构。另一方面使得楔横轧工艺在新能源盲孔轴领域无法得到有效推广和应用。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的存在的问题，提出了本发明一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形工艺及装置，面向新能源汽车领域对轴类件精密化、高效化、轻量化及低成本的制造需求，对现在楔横轧技术进行升级与发展，充分利用楔横轧的两侧端面凹心缺陷，在传统两辊楔横轧技术上添加两个芯棒，通过芯棒对楔横轧的凹心缺陷进行精确控制，采用对称轧制的方式一次旋转得到两个盲孔新能源车轴毛坯，从而高效精密楔横轧成形新能源盲孔车轴。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形工艺，包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算盲孔新能源车轴的体积得到实心圆棒料的下料尺寸；

S2、根据盲孔新能源车轴的外表面尺寸设计两个楔横轧轧辊，根据盲孔新能源车轴的内孔几何尺寸设计两个芯棒的外形尺寸；所述盲孔新能源车轴的外表面具有两个直角台阶，一端的大直径杆部具有一个锥形端面等直径盲孔，其他杆部为实心圆杆；

S3、将所述实心圆棒料加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料置于两个所述轧辊之间，两个所述芯棒分别置于所述实心圆棒料的两端并分别与两端面接触；所述芯棒的轴线与实心圆棒料的轴线重合；

S5、轧制：两个所述轧辊作同向等速的周向旋转运动，两个所述芯棒轴向保持不动，周向作随动旋转运动，实心圆棒料在所述轧辊和所述芯棒的共同作用下被对称轧制成形，并被切割得到两个所述盲孔新能源车轴的毛坯；

S6、将步骤S5中得到的所述毛坯进行切削加工，得到所述盲孔新能源车轴。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，两个所述轧辊为几何尺寸相同的圆柱型轧辊，两个所述轧辊的凸起楔块以实心圆棒料为对称轴呈对称设置；

所述轧辊依次包括入料段、楔入段、展宽段、精整段和切料段；

所述入料段用于将加热到变形温度的实心圆棒料轧件限定到楔横轧加工位置；

所述楔入段用于径向压缩轧件变形区金属，从而将所述轧辊咬入到轧件内；

所述展宽段用于轴向展开轧件变形区金属，成形轧件的各处圆杆部；

所述精整段用于轴向轧制轧件台阶处金属，形成轧件的直角台阶；

所述切料段用于从中部切开轧件，形成两个所述盲孔新能源车轴的毛坯。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，所述实心圆棒料的长度L0与所述盲孔新能源车轴的毛坯盲孔厚度L12的数学关系为L0＝2*L12，所述实心圆棒料的直径D0与盲孔新能源车轴的毛坯总体积V的数学关系式为：

其中L0为实心圆棒料长度。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，两个所述芯棒为几何尺寸相同的锥形端面等直径圆杆芯棒，所述芯棒的长度大于盲孔新能源车轴毛坯的盲孔深度，所述芯棒的直径等于新能源车轴毛坯的盲孔孔径；两个所述芯棒在实心圆棒料轴向两侧对称布置。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S3中，所述变形温度为600℃-1300℃。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中，两个所述轧辊之间设置两块导板，两块所述导板之间留有容纳金属圆棒料的间隙，用以限定金属圆棒料的径向位置并保持稳定轧制。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述实心圆棒料的材质为碳素钢。

另一方面，本发明还提供了一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形装置，包括两个楔横轧轧辊、两个芯棒、两块导板和轧辊驱动单元；

两个所述轧辊，具有同向等速的周向旋转运动，分别布置在实心圆棒料的径向两侧，用于在轧制过程中对实心圆棒料轧件进行轧制形成盲孔新能源车轴的外形尺寸，并切割得到两个所述盲孔新能源车轴的毛坯；所述外形尺寸包括两个直角台阶；

两块所述导板，设置在两个所述轧辊的中间位置，两个所述导板之间的空间用于限定实心圆棒料的径向位置；

两个所述芯棒，在轴向保持不动，周向具有随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料的轴向两侧，用于控制凹心缺陷并在轧制过程中形成盲孔新能源车轴的内孔几何尺寸；

所述轧辊驱动单元，用于控制所述轧辊的旋转运动。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两块所述导板为几何尺寸相同的矩形厚板，所述导板长度大于两根盲孔新能源车轴毛坯的总长度，所述导板的厚度约等于新能源车轴毛坯的最大外径，两块所述导板在实心圆棒料径向两侧互为对称布置。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两个所述轧辊水平设置，两块所述导板竖向设置。

本发明的有益效果为：

1、采用芯棒控制凹心缺陷处金属流动，从原理上无料头损耗，显著提高材料利用率，与传统车削成形盲孔轴工艺相比，节省材料达到90％以上。

2、相较于切削，可以保持金属流线不被切断且呈空间双螺旋结构，材料性能好，实验表明：相较于传统工艺，采用本发明工艺，零件的平均晶粒尺寸可以减少50％以上。

3、盲孔轴的空心杆部材料由轧辊与芯棒内外协同轧制，材料性能显著得到改善，疲劳强度提高20％以上，抗压强度提高20％以上；且内壁无叠皱缺陷。

4、具有楔横轧的成形高效率、成形精度高的优点，尤其采用对称轧制显著提高轧制速度，对于大批量的新能源汽车轴经济性较好。

5、提供了一种高性能、低成本的盲孔轴成形技术，促进轴类件结构的盲孔化发展，既保证了结构件整体刚度又使得结构件更加轻量化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为所示为实施例一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形装置的结构示意图。

图2所示为实施例中盲孔新能源车轴毛坯的结构示意图。

图3所示为实施例中盲孔新能源车轴成形工艺的原理示意图。

图4所示为实施例中盲孔新能源车轴毛坯的轧制过程示意图。

图5所示为实施例中实心圆棒料的尺寸确定示意图。

图6所示为实施例中两个轧辊的结构示意图：(a)整体结构；(b)展开结构。

图7所示为实施例中两个芯棒的结构与尺寸示意图。

图8所示为实施例中两个导板的结构与尺寸示意图。

图9所示为实施例中盲孔新能源车轴毛坯的精加工示意图。

图10所示为传统楔横轧空心轴内壁结构(缺陷)与本发明实施例所制备盲孔新能源车轴毛坯内壁结构对比示意图。

图11所示为本发明实施例所制备盲孔新能源车轴毛坯晶粒尺寸的细化过程示意图。

图中：1.第一轧辊；2.第二轧辊；3.第一导板；4.第二导板；5.第一芯棒；6.第二芯棒；7.轧件；7a.实心圆棒料；7b.盲孔新能源车轴毛坯；7c.盲孔新能源车轴零件；A.盲孔；B.台阶；C.凸起楔块；D.切刀块；X-X为轧件轴线、芯棒轴线；Y 1-Y 1为第一轧辊轴线；Y 2-Y 2为第二轧辊轴线；N 1为第一轧辊旋转运动；N 2为第二轧辊旋转运动；N 3为第一芯棒随动旋转运动；N 4为第二芯棒随动旋转运动；Ⅰ为轧辊入料段；Ⅱ为轧辊楔入段；Ⅲ为轧辊展宽段；Ⅳ为轧辊精整段；Ⅴ为轧辊切料段；Ⅵ为切削加工。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

如图1-图3所示，本发明实施例一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形工艺，包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算盲孔新能源车轴的体积得到实心圆棒料7a的下料尺寸；

S2、根据盲孔新能源车轴的外表面尺寸设计两个楔横轧轧辊1、2，根据盲孔新能源车轴7c的内孔几何尺寸设计两个芯棒5、6的外形尺寸；所述盲孔新能源车轴7c的外表面具有两个直角台阶B，一端的大直径杆部具有一个锥形端面等直径盲孔，其他杆部为实心圆杆；

S3、将所述实心圆棒料7a加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料7a置于两个所述轧辊1、2之间，两个所述芯棒5、6分别置于所述实心圆棒料7a的两端并分别与两端面接触；所述芯棒5、6的轴线与实心圆棒料7a的轴线重合；

S5、轧制：两个所述轧辊1、2作同向等速的周向旋转运动，两个所述芯棒5、6轴向保持不动，周向作随动旋转运动，实心圆棒料7a在所述轧辊1、2和所述芯棒5、6的共同作用下被对称轧制成形，并被切割得到两个所述盲孔新能源车轴的毛坯7b；

S6、将步骤S5中得到的所述毛坯7b进行切削加工，得到所述盲孔新能源车轴。

如图2所示，所述盲孔新能源车轴毛坯7b为外表面带两个台阶B的盲孔轴，有一个盲孔轴向端面A和一个为实心轴向端面。

如图3所示，两个轧辊(第一轧辊1和第二轧辊2)对应地安装在轧件7径向两侧、且均与轧件7径向外表面接触，分别围绕第一轧辊轴线Y1-Y1、第二轧辊轴线Y2-Y2作同向等速旋转运动N1、N2，用于成形所述盲孔新能源车轴毛坯7b的外表面形状。

如图3所示，两个芯棒(第一芯棒5和第二芯棒6)安装在轧件7轴向两侧、均可围绕轧件轴线X-X作随动旋转运动，所述第一芯棒5、第二芯棒6均与轧件7轴向端面保持接触，用于控制轧件7凹心缺陷处的金属流动，从而成形所述盲孔新能源车轴毛坯b7的盲孔形状。

在一个具体实施例中，如图1所示，所述第一导板3、第二导板4固定安装在轧件7径向两侧，用于限制轧件7的径向位置，从而使轧件7能够被第一轧辊1、第二轧辊2稳定轧制。

在一个具体实施例中，如图1-图4所示，利用上述楔横轧工艺，将一根实心圆棒料7a放置在第一轧辊1、第二轧辊2、第一导板3、第二导板4、第一芯棒5、第二芯棒6构成的空间内，由第一轧辊旋转运动N1、第二轧辊旋转运动N2共同驱动、在摩擦力作用下对称轧制得到两根盲孔新能源车轴毛坯7b。

在一个具体实施例中，如图2所示，所述盲孔新能源车轴毛坯7b的外表面具有两个台阶B，具体地，两个台阶B为直角台阶。大直径杆部位置具有为一个锥形端面等直径圆盲孔A，其他部分杆部为实心圆杆。

如图5所示，所述实心圆棒料7a长度L0与所述盲孔新能源车轴毛坯7b盲孔厚度L12的数学关系为L0＝2*L12，所述实心圆棒料7a的直径D0与盲孔新能源车轴毛坯总体积V的数学关系为

如图6所示，所述第一轧辊1与第二轧辊2为几何尺寸相同的圆柱型轧辊，轧辊凸起楔块C轴向对称设置，用于对称轧制。所述第一轧辊1与第二轧辊2均由入料段Ⅰ、楔入段Ⅱ、展宽段Ⅲ、精整段Ⅳ和切料段Ⅴ组成，具体功能为：

所述入料段Ⅰ用于将加热到变形温度的实心圆棒料7a放置在楔横轧装置工作区内；

所述楔入段Ⅱ用于径向压缩轧件变形区金属，从而将轧辊1、2咬入到轧件7内；

所述展宽段Ⅲ用于轴向展开轧件变形区金属，从而成形轧件7的各处圆杆部；

所述精整段Ⅳ用于轴向轧制轧件台阶处金属，从而成形轧件7的直角台阶；所述切料段Ⅴ用于分开轧件轴向中心处金属，从而得到两根盲孔新能源车轴毛坯7b。

在一个具体实施例中，如图1、图2、图7所示，所述第一芯棒5、第二芯棒6为几何尺寸相同的锥形端面等直径圆杆芯棒，芯棒长度L30大于盲孔新能源车轴毛坯7b的盲孔深度L11，芯棒直径D30等于新能源车轴毛坯7b的盲孔孔径d11。所述第一芯棒5、第二芯棒6在轧件7轴向两侧互为对称布置。

在一个具体实施例中，如图1、如图2、、图8所示，所述第一导板3、第二导板4为几何尺寸相同的矩形厚板，导板3、4长度L40大于两根盲孔新能源车轴毛坯7b的总长度2*L10，导板3、4厚度H40约等于新能源车轴毛坯7b的最大外径D11。所述第一导板3、第二导板4在实心圆棒料7a径向两侧互为对称布置。

如图4所示，所述盲孔新能源车轴毛坯7b的材料为碳素钢，所述实心圆棒料7a转移到所述楔横轧装置内的初始温度为600℃-1300℃。

如图9所示，将所述的盲孔新能源车轴毛坯7b进行切削加工Ⅵ，可最终得到两侧带孔的新能源车轴零件7c。

如图1所示，本发明实施例一种利用芯棒控制凹心缺陷的盲孔新能源车轴成形装置，包括两个楔横轧轧辊1、2、两个芯棒5、6、两块导板3、4和轧辊驱动单元；

两个所述轧辊1、2，具有同向等速的周向旋转运动，分别布置在实心圆棒料7a的径向两侧，用于在轧制过程中对实心圆棒料7a轧件进行轧制形成盲孔新能源车轴的外形尺寸，并切割得到两个所述盲孔新能源车轴的毛坯7b；所述外形尺寸包括两个直角台阶；

两块所述导板3、4，设置在两个所述轧辊1、2的中间位置，两个所述导板3、4之间的空间用于限定实心圆棒料7a的径向位置；

两个所述芯棒5、6，其在轴向保持不动，周向具有随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料7a的轴向两侧，用于控制凹心缺陷并在轧制过程中形成盲孔新能源车轴的内孔几何尺寸；

所述轧辊驱动单元，用于控制所述轧辊1、2的旋转运动。

在一个具体实施例中，两个所述轧辊1、2水平设置，两块所述导板3、4竖向设置。

在一个具体实施例中，利用上述工艺及装置，采用实心圆棒料7a长度L0＝350mm、芯棒长度L30＝200mm、芯棒直径D30＝40mm、导板长度L40＝560、导板厚度H40＝55mm、轧辊旋转运动N1＝N2＝10rpm的工艺参数，可楔横轧对称轧制如图9所示尺寸的盲孔新能源车轴零件7c，盲孔新能源车轴零件7c的几何参数为：L20＝262mm、L21＝175mm、L22＝87mm、L23＝66mm、L24＝32mm、L25＝59mm、D21＝40mm、D22＝53mm、D23＝45mm、d21＝40mm、d22＝21mm，轧制效率为20根/分钟。

本发明所产生的技术效果：

1、由于采用楔横轧轧辊和芯棒协同轧制，使得盲孔新能源车轴零件的金属经历剧烈塑性变形，剧烈塑性变形诱导晶粒细化，本工艺晶粒细化达到50％以上，如图11所示；与传统盲孔轴切削成形工艺相比，力学性能提高明显，疲劳强度提高20％以上，抗压强度提高20％以上。

2、传统的楔横轧空心轴内孔表面易起皱褶，影响盲孔新能源车轴零件的使用性能；本发明工艺可显著改善这一点。如图10所示，图10中a为传统楔横轧空心轴的内孔壁，存在明显皱褶缺陷，图10中b为本发明工艺所得到的内孔壁，表面光滑平整。褶皱的改善同样对零件性能带来有利的影响。

3、本发明无料头损耗，显著提高材料利用率；与传统车削成形盲孔轴工艺相比，材料利用率达到90％以上。

本发明充分利用楔横轧端面凹心缺陷，采用第一芯棒5、第二芯棒6控制端面凹心形状，具有材料利用率高、局部省力小吨位、内外轧制材料性能好、成形效率高、成形精度高等优点，在新能源汽车轴等领域具有广阔应用前景。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。