半轴套管热挤压成形技术 本发明属于机械热加工，锻造领域，涉及到一种载重卡车后桥半轴套管热挤压成形技术。
半轴套管是载重卡车后桥上的重要另件，要求承受载重卡车70-80％的重量，承受冲击交变载荷，工作条件很恶劣。所以半轴套管应有良好的综合机械性能，单桥载重卡车每车用量为2件，双桥载重卡车为4件。目前我国载重卡车后桥半轴套管均采用汽车半轴套管用无缝钢管(GB3088-82)作毛坏，在平锻机或采用胎模锻方法锻造成形，如我国主要载重卡车生产厂家：中国一汽集团公司、东风汽车集团公司、中国重型汽车集团公司等。采用无缝钢管锻造半轴套管存在的问题主要有：①无缝钢管壁厚差(钢管同一截面上壁厚的差值)较大，按国标GB3088-82，壁厚大于15的钢管，其壁厚偏差允许值为(+12.5％)-(-7.5％)，以壁厚25mm无缝钢管为例，其壁厚允许偏差值为5mm。因此半轴套管的机械加工余量较大，以保证管壁有足够的机械加工余量；②汽车后桥半轴套管在结构尺寸设计及强度设计方面受到现行国家标准所规定的几种尺寸规格及材料成份的限制，某些形状尺寸较复杂的半轴套管采用无逢钢管难以成形；③汽车半轴套管用无缝钢管价格较高，比热轧圆钢或方钢高70-75％，不利于降低生产成本；④用无缝钢管锻造半轴套管只是局部变形，锻件的内部组织质量较差，材料纤维流线不理想。
目前世界上汽车工业较发达国家如美、德国、日本、韩国等均采用热轧圆钢或方钢在专用的快速热挤压设备上锻造成形，对于带法兰盘的半轴套管则采用多台设备联合锻造的方法，先在模锻锤上将带法兰盘的头部锻成形并冲出盲孔，再次加热后，在油压机上冲孔挤压成形杆部。这种锻件质量好，性能优于前种锻件，是目前国际上较先进的产品。但是该技术因其专用设备价格昂贵(每台设备约要60-70万美元)，我国及大多数发展中国家的企业因资金承受不起难以引进，因其设备昂贵致使产品成本较高(每件300-400元人民币)用户也难于接受。
本发明的目的在于开发一种新的载重卡车后桥半轴套管热挤压成形技术，拟在锻造设备中造价较低为万能油压机上采用热轧圆钢或方钢做毛坯，生产包括带法兰盘和不带法兰盘的半轴套管锻件，在降低生产成本的同时提高产品质量，满足后桥半轴套管在结构尺寸、强度设计等方面的要求。
载重卡车半轴套管轴向总长一般为300mm左右，加上穿孔成形及取件所需行程，要求设备行程大于900mm，模具闭合高度大于700mm，并且要有足够大的工作台面。这些要求在普通锻压设备上如模锻锤、热模锻压机及平锻机上难以实现。因此我们决定在万能油压机上采用热轧圆钢或方钢作毛坯生产半轴套管锻件。万能油压机是锻造设备中造价最低廉的设备之一，采用这种设备可大幅度降低项目投资，一台500吨万能油压机只需人民币29万元。但在万能油压机上锻造半轴套管首先应解决好以下三个问题：第一，万能油压机不能承受偏心载荷，即设备压力中心应与金属成形中心重合。半轴套管成形需要经过下料、镦粗、整形镦粗、正挤压杆部、扩镦头部(终成形)和截头等工序，其中2个主要成形工步(正挤压杆部与终成形)，其变形力较大，如何使得每一个成形工步的变形中心与设备压力中心重合；第二，万能油压机工作行程速度仅为8-10mm/秒，完成每一个成形工步所需时间约为12-20秒，模具型腔与热金属坯料接触时间较长，模具升温会很高。因此模具的润滑冷却问题必须解决好，否则模具的寿命会很低。甚至不可能实现扎钢坏料的成形；第三，由于热扎钢坯料与模具型腔接触时间长而导致温度下降，成形力急剧增大，因此需要寻找一种合理的金属成形方式及模具型腔结构，以达到最大限度地降低变形力之目的。
为解决第一个问题，我们设计了专用的液压模架，该模架由钢制上下模座、上下推拉油缸、导轨、定位块和助力机构组成，并通过上下垫板固定在万能油压机的上下工作台面上(该液压模架作为另案申请)。在布置工位时，将半轴套管成形变形力最大的二个工步分别安排在模架的左右工位上。工作初始，上下模座中左工位的中心与设备(万能油压机)中心重合；当左工位成形结束后，上下推拦油缸将上下模座同时左推进一个工位的距离，此时上下模座中右工位的中心与设备中心重合。如此往返运动，左右工位中心交替与设备中心重合，避免了设备在成形时承受过大偏心载荷。
为解决第二个问题，我们针对凹模和冲头的结构特点及受力情况精心设计了循环水冷却系统，并采用水基石墨剂对冲头及凹模进行润滑。循环水冷却系统如图1所示，在凹模外表面装一水套，水套上设有螺旋状的循环水道，凹模的热量传给冷却水套，再由其中的循环水将热量带走，从而保证凹模体的温度不会过高。(温度控制在200-300℃)在冲头上设有-Φ15的深孔，孔中插入一根Φ10的水管，这样在水管与其间隙之间形成循环水路，通过循环水将冲头的热量带走，保证冲头的温度不会过高(温度控制在200-300℃)。
为了解决第三个问题，我们首先分析了影响变形力的各种因素，影响变形力的因素主要有：温度变形速率及锻件(半轴套管)的结构尺寸因素[A-(B+2C)]值的大小(如图2所示)。根据从实验中得到的数据，变形速率越低，变形力越小，在万能油压机上的镦粗变形力约为热模锻压机上的1/3-1/5，这是万能油压机上成形有利的一面。降低变形力的关键是如何保证扎钢坯料在变形过程中有足够的温度及减小结构尺寸因素[A-(B+2C)]的值。半轴套管头部管壁较杆部薄，如果将半轴套管头部和杆部同时成形，在长达十几秒的成形过程中头部因壁薄温度下降较快而导致变形抗力剧增。为了避免出现这种情况，我们将半轴套管头部和杆部分步进行：将头部的外径及孔径减小，先成形杆部，这样既增加了头部分的壁厚，同时也减小了结构尺寸因素[A-(B+2C)]的值，使成形力降低，保证杆部的顺利成形；杆部成形后再成形头部，头部以扩镦方式成形，成形力较小，杆部保持不变形。根据半轴套管各种不同的形状尺寸我们经过反复试验总结出如图3所示的三种适合半轴套管的成形方式。成形某一种半轴套可根据其形状尺寸特点，成形方式采用其中的一种或几种方式的组合。该发明能生产带法兰盘和不带法兰盘的各种形状尺寸的半轴套管如图2及表一所示。
将带法兰盘半轴套管成形之关键工步由先成形套管头部后成形套管杆部“二火成形”工艺，改为先成形杆部后成形头部“一火成形”是本发明又一特点。国外的锻造方法是先成形头部后成形杆部，由于头部易成形，在温度高对先成形头部，待成形杆部时温度已达不到成形要求，须再加温才能完成，即谓“二火成形”。我们是先成形杆部，待成形头部时温度虽已降低，但头部成形需要温度低于杆部，所以不必再加温“一火”便可成形。
下面结合实施例对本发明进一步加以说明：
实施例一
锻件的形状尺寸如图4之7所示，锻件头部外径尺寸为Φ137，杆部外径尺寸为Φ80，杆部为直段(无斜度)。其形状尺寸因素[A-(B+2C)]=137-80=57，终成形挤压变形面积为(137
2-80
2)=9714.59mm
2，成形设备选用500t万能油压机，则单位变形面积所有达到的最大变形为力500×1000/9714.59=51.47公斤力/mm
2。这一变形力可以满足成形初始阶段成形力地需要，但随着金属温度的下降该变形力就无法使金属继续变形。因此将头部和杆部分开成形，为避免杆部成形时头部金属降温过快将头部壁厚加大(由22.5加大至30，如图4之4、5所示)。该锻件的成形工序为：(1)下料、(2)镦粗、(3)整形镦粗、(4)正挤压杆部、(5)扩镦头部、(6)截头。每一工步的形状尺寸如图4之1、2、3、4、5、6所示。
实施例二
锻件形状尺寸如图5之14所示，该锻件形状尺寸较复杂，头部带有外径为Φ180的法兰盘，杆部有6度的斜度。其形状尺寸因素[A-(B+2C)]=180-62=118，挤压变形面积为(180
2-62
2)=22427.83mm
2，在500t万能油压机上所能达到的最大变形力为500×1000/22427.83=22.92公斤力/mm
2，这一变形力不能满足金属变形力的需要。因此将成形分2步进行；第1步将杆部正挤压成直段，头部为具有一定壁厚的筒形，其形状尺寸如图5之11所示；第2步为复合成形，变形初始阶段为杆部扩孔挤压，然后为头部扩镦成形与杆部扩孔挤压同时进行；最后为法兰盘部分镦粗成形与杆部扩孔挤压同时进行。由于变形面积的逐渐增大与金属温度逐渐下降，变形最后阶段的变形力较大，这时可启动液压模架上的助力机构，以使设备有足够的压力使金属最后充分成形。该锻件的成形工序为：(1)下料、(2)镦粗、(3)整形镦粗、(4)正挤压杆部、(5)复合终成形、(6)截头。各工步的形状尺寸如图5之8,9,10,11,12,13所示。
采用该技术可生产各种形状尺寸及材料成份的载重卡车半轴套管，最小壁厚达4mm，大头法兰盘直径可达190mm，该技术属全纤维锻造，锻件材料纤维流线良好，内部组织质量好，锻件尺寸精度高，管壁厚差小于1mm，与用无缝钢管锻造方法相比，锻件重量可减小1.5-2公斤，生产成本可降低35-40％。该发明的产品经试用质量稳定可靠，完全实现原设计目的。
附图1为本发明之循环水冷却系统示意图。
附图2为本发明之半轴套管形状尺寸示意图。
附图3为本发明之半轴套管成形方式示意图。
附图4为本发明之不带法兰盘半轴套管工艺流程示意图。
其中1-毛坯、2-镦粗毛坯、3-整形镦粗毛坯、4-正挤杆部、
5-扩镦头部(终成形)、6-截头、7-半轴套管。
附图5为本发明之带法兰盘半轴套管工艺流程示意图。
其中8-毛坯、9-镦粗毛坯、10-整形镦粗件、11-杆部成形件、
12-复合终成形、13-截头、14-半轴套管。