微型汽车半轴生产之工艺创新

摘 要：为微型汽车半轴生产提出一套有局部创新的工艺流程，在该行业中技术领先、设备先进、效率较高、能耗较低。

关键词：微型车半轴；生产工艺；创新

汽车半轴是汽车车轮转动的直接驱动件，在工作时承受冲击、交变弯曲疲劳荷载和扭力的作用，其质量的好坏直接影响到汽车行驶的安全，要求材料有足够的抗弯强度，抗剪强度和较好的韧性。汽车半轴不仅是传递扭矩的一个重要零件，也是易损件。微型汽车半轴具有广大的现实需求。本文主要目的是为微型汽车半轴生产提出一套有局部创新的工艺流程，在该行业中技术领先、设备先进、效率较高、能耗较低。

1 制坯部分创新

针对微型汽车半轴尺寸的新型楔横轧机的应用。由于微型汽车要求制造成本低，目前微型车半轴大多采用传统自由空气锻造，材料利用率低，能耗高，工作环境差，生产企业的效率不高，半轴加工产能远远达不到汽车整车厂的发展需要。而在汽车半轴的生产过程中，毛坯的锻造过程较复杂，能耗也较高，所以改进汽车半轴锻造的加工工艺并采用先进的加工设备，提高生产效率既是生产的迫切需求。

楔横轧机是一种新型的锻造工艺设备，坯料在两个相同的做相向直线运动的平板楔型模具之间或在两个相同的做同向旋转运动圆弧楔形模具之间进行横向轧制的加工方法。在轧制过程中，坯料受到楔角（а角和β角）的作用，直径减小，长度增加。楔横轧工艺具有生产效率高，材料利用率高，模具寿命高，产品质量好等突出优点。生产效率可达10件/分钟，材料利用率90%以上，模具寿命是模锻工艺模具寿命的10倍以上，是微车半轴毛坯加工的最佳工艺。

根据微车半轴轧件及楔横轧模具主要参数选型获得结论是参数选型中已有的国产双辊式楔横轧机不能满足生产要求，有必要开发新型号的楔横轧机。

针对特定尺寸微型汽车半轴新型楔横轧机主要技术参数：

上、下轧辊的中心距离：1100mm

轧辊工作的部分直径：φ800mm

可轧毛坯的最大直径：φ120mm

轧辊工作部分的长度：980mm

轧辊的中心距调整量：±35mm

下轧辊的相位角调节量：±7.5°

轧辊的连续转速：10转/分

主电动机的功率：155kW

新型微型车半轴精密楔横轧机机架强度分析：

强度与刚度乃楔横轧机之设计中至为重要之两个参数。机架其本体刚度是否能够满足使用需要，不仅极大影响设备的生产寿命，而且间接影响到轧制品的质量及精度。因此对微型车车半轴楔横轧机的强度以及刚度进行分析是必须的。本文采用ANSYS有限单元分析软件对机进行应力和变形分析。为提高计算机模拟结果之精度，在对轧机机架所建几何模型上使用的尺寸与实物结构尺寸完全一致。本文中机架的三维模型在UG中建立，再通过ANSYS输入接口导入到ANSYS的前处理器。为了提高计算效率忽略掉一些局部特征后获得机架的几何模型最后导入ANSYS中网格划分。施加载荷只取轧制力为外载荷。新型微型车半轴楔横轧机设计最大轧制力为1100KN，均匀分布到两个机架上，因此，每个机架分担的轧制力应为550KN。施加载荷后分析可知最大应力为43 Mpa，可知强度足够。最大应变为拱顶处0.332mm，不影响轧制精度要求。

2 摆碾墩头

微型汽车半轴的基本形状，杆细长，头部呈大盘状。

目前的实际生产半轴的方案有以下几种：

2.1 棒料分别备成两部分，法兰盘坯料加热后，用1台热模锻压力机成形，然后用2台摩擦焊机与轴坯焊合。由于不是一次成型，有焊接点，强度以及可靠性始终不是很有保障，太过依靠操作的质量，尤其是焊接质量。

2.2 棒料整体加热，在空气锤上拔长杆部，然后在摩擦压力机上进行带杆锻造法兰盘。摩压机的吨位要足够大，并保证闭合高度。还要设计特殊的胎具、模具，并在下工作台挖洞，且操作较麻烦。

本文中采用先进棒料加热方法，下料后用一台楔横轧机制坯，用两台台摆辗机成形法兰盘。经过综合分析，摆动辗压机的摆辗变形是局部接触，顺次加压，连续成形，接触面积和单位压力都比较小。其优点是：（1）省力，变形力为一般锻造的1/5～1/20。（2）产品质量好，无焊接点，特别适应压制半轴类、盘类等零件。（3）模具寿命长。无噪声，无振动，易实现机械化、自动化，劳动条件好。（4）投资少，能耗低，设备制造费用低。摆辗是一种高效设备，平均每件纯摆辗时间仅为10秒左右。再考虑其它因素，平均每小时可生产90件以上。

3 IGBT局部淬火技术和快速加热技术的应用

微型汽车半轴是将发动机动力传递给驱动轮的传动轴，为增强其机械强度在设计时往往需要对其进行表面淬火处理，淬火层深3-6MM，层深变化量不大于20%，组织3-7级，硬度：≥52HRC（JB/T9211-1999）。该零件的淬火加工的难度主要有以下：（1）层深变化量难以控制。（2）圆盘与轴衔接圆角处不小于3毫米的层深淬火。（3）花键处淬火组织控制在7级以内，端面处由于存在热应力，在淬火过程中极容易出现裂纹。另外，淬火工艺的最大的成本在于电耗，采取合适的设备及工艺，将可以降低能耗，节约成本。

感应圈是连接IGBT电源并产生高压交变磁场，在工件表面产生集肤效应，使工件表面瞬时发热至高温的工装。感应圈设计的好坏直接影响淬火质量及能耗。传统的轴类零件感应圈多采用单圈或螺旋圈结构，有输入电流大，圆角不容易淬上，阶梯轴中轴径小的部位淬火温度偏低，层深、组织均易出现不合格等等缺点。在此淬火工艺中采用了新型的线圈。这是一种平面感应圈及螺旋感应圈结合在一起的感应圈。并在感应圈的外侧增加导磁体，使感应圈内侧的电磁场更加集中，上内感应圈的导磁体会迫使电磁场的方向向下，使磁场往圆角处集中。该感应圈的优点：（1）感应圈的阻抗增大后输入电流会下降，达到节能的目的。（2）R3处温度得等改善；（3）磁场往下后，小端面温度降低，从而使端面裂的可能性降低。而旧式线圈工作时，淬火加工中，由于在加热结束时会，端面的热量无法往外传递，存在较强的热效应，这就是半轴花键端面容易出现裂纹的原因。新型线圈安放方式解决了这一问题。

4 结束语

本文中的微型汽车半轴生产线在技术上有创新，主要创新点在新型自动化装料微型车半轴精密楔横轧机的研制和使用并对机架进行有限元分析以保证生产安全和加工精度，以及把IGBT感应加热技术应用于半轴零件的淬火以及半轴坯料的加热，并应用了新型摆碾机进行坯料墩头，使得整体微型汽车半轴生产工艺流程改进如下：

自动送料→IGBT加热→楔横轧制坯→摆碾墩头→正火→清理→校正→机加工→IGBTC淬火

通过技术创新带来了工艺流程的创新，极大提高了生产效率以及产品质量，生产线能够满足年产60万支微型汽车半轴的能力，总体而言这是一个具有实际应用意义的创新。

参考文献

[1]楔横轧零件成形技术与模拟仿真[M].冶金工业出版社，2005.

[2]汽车半轴楔横轧模具计算机辅助设计[J].重型机械，2005（2）.

[3]楔横轧多楔成形汽车半轴工艺可行性分析[J].现代制造工程，2007（12）.

[4]基于DSP模糊PID控制不规则金属热处理的研究[J].工业加热，2007（5）.

作者简介：邱伟华（1976-），男，广西柳州人，柳州职业技术学院工程师，讲师，硕士，研究方向：机械设计与制造。