Základní výrobní proces kloubových hřídelí

SHRNUTÍ

Výrobní proces kloubových hřídelí je sofistikovaná metoda výroby, při které se slitiny vysoce kvalitní oceli tvarují za extrémního tlaku za účelem vytvoření pevných a odolných komponent. Mezi klíčové techniky patří tepelné tváření, při kterém je kov zahříván nad teplotu rekristalizace pro snazší tvarování, a studené tváření pro vyšší přesnost. Tento proces využívá lisovací zařízení s vysokou silou a speciální nástroje (dělení) k tvorbě hlavních dílů, jako jsou vidlice a kříže, čímž zajišťuje vynikající pevnost a nepřerušovanou strukturu zrna, která je nezbytná pro aplikace za vysokého zatížení.

Princip univerzálních kloubů a výhoda tváření

Univerzální kloub, často označovaný jako U-kolub, je důležitou mechanickou spojkou, která spojuje rotující hřídele a umožňuje přenos točivého momentu a pohybu i v případě, že jsou v úhlu vůči sobě. Tato flexibilita je nezbytná v mnočetných aplikacích, od automobilových hřídelí a řídicích systémů až po průmyslové a zemědělské stroje. Kloub se obvykle skládá ze dvou vidlic spojených křížovou součástí, tzv. pavoukem, který obsahuje ložiska pro zajištění hladké rotace.

Kování je preferovanou výrobní metodou pro tyto komponenty díky obrovské pevnosti, kterou dodává. Na rozdíl od lití nebo obrábění z masivního materiálu kování tvaruje kov prostřednictvím kontrolované deformace, přičemž se struktura vnitřního zrna materiálu zarovnává podle finálního tvaru součásti. Tím vzniká spojitý tok zrna, který kopíruje obrys těchle a kříže, čímž se dosahuje vynikající pevnosti v tahu, odolnosti proti únavě materiálu a odolnosti proti nárazům. Tato strukturální integrita je zásadní pro komponent, který musí po celou dobu své životnosti odolávat stálým, složitým a střídavým zatížením.

Výběr materiálu pro kloubové hřídele je určen těmito náročnými podmínkami. Vysokopevnostní legované oceli jsou standardní volbou díky své vynikající pevnosti, tvrdosti a odolnosti proti opotřebení. Například středně uhlíkaté oceli, jako je ocel 45, se běžně používají pro součásti jako je vidlice kloubového hřídele. V některých specializovaných aplikacích, zejména tam, kde je vyžadována vysoká odolnost proti korozi, mohou být použity slitiny nerezové oceli a povrchy lze upravit povlaky za účelem snížení tření a prevence zasekávání.

Základní techniky výkovků: horké vs. studené tváření

Výroba kloubových hřídelů primárně využívá dvě hlavní techniky tváření: horké a studené tváření. Volba mezi nimi závisí na konkrétní součástce, požadovaných vlastnostech materiálu a objemu výroby. Každá metoda nabízí specifickou sestavu výhod a nevýhod z hlediska přesnosti, pevnosti a nákladů.

Teplé kování je nejběžnější metodou výroby součástí univerzálního kloubu, jako je kříž. Při tomto procesu se ocelová ingot zahřeje na teplotu nad bod rekristalizace. Toto extrémní zahřátí způsobí, že kov bude tvárný a plastický, a lze jej tvarovat s menším tlakem pomocí kovacího lisu nebo kladiva. Hlavní výhodou horkého kování je schopnost snadno vytvářet složité trojrozměrné geometrie a velké deformace, což jej činí ideálním pro komplikovaný tvar kříže univerzálního kloubu. Také zušlechťuje zrnitou strukturu kovu, odstraňuje pórovitost a zvyšuje jeho houževnatost.

Studené tvarování , probíhá na pokojové teplotě nebo téměř na ní. Tento proces vyžaduje výrazně vyšší tlak pro tváření kovu, nabízí však lepší rozměrovou přesnost, jemnější povrch a zvýšenou pevnost díky jevu známému jako kalení tvářením. I když je studené tváření méně časté pro počáteční tváření složitých dílů, jako je kříž, může být použito pro určité komponenty nebo jako sekundární dokončovací proces k dosažení úzkých tolerance bez nutnosti rozsáhlého obrábění.

Zde je srovnání obou hlavních metod:

Postupný proces výroby

Vytvoření univerzálního spoje prostřednictvím kovářství je vícestupňový proces, který proměňuje jednoduchý ocelový tyč do vysoce výkonné mechanické součásti. Každý krok je pečlivě kontrolován, aby byl konečný výrobek v souladu se striktními normami kvality a trvanlivosti. Zatímco konkrétní detaily se mohou lišit, obecný pracovní tok následuje jasnou, postupnou cestu.

1. Příprava a řezání materiálu: Tento proces začíná výběrem vysoko kvalitních tyčí ze slitiny oceli. Tyto tyče jsou zkontrolovány na kvalitu a pak seříznou na přesné délky, známé jako škruby nebo škruby. Hmotnost a objem každého balení jsou vypočítány tak, aby bylo zajištěno, že je jen dostatek materiálu k vyplnění dutiny, čímž se minimalizuje odpad (známý jako blesk).
2. Horké kování: Ořezané ingoty jsou dopraveny do peci, často indukční peci, kde jsou ohřáty na optimální teplotu pro tváření. U oceli se jedná typicky o rozmezí mezi 1100 °C a 1250 °C. Tento krok je zásadní pro dosažení dostatečné tvárnosti kovu, aby mohl být tvarován pod tlakem.
3. Tváření a formování: Ohřátý ingot je rychle umístěn do spodní části speciálně navrženého nástroje uvnitř vysokotlakého tvářecího lisu. Lis poté vyvine obrovský tlak, kterým donutí plastický kov zaplnit dutinu formy, jejíž tvar odpovídá požadované součástce (např. třmen nebo kříž). Často se jedná o vícekrokový proces, který zahrnuje předtváření pro hrubé tvarování dílu a následné konečné tváření pro dosažení přesného tvaru a jemných detailů.
4. Ozdobení: Po tváření má díl po okrajích tenkou čáru přebytečného materiálu, kde se setkaly dvě poloviny formy. Tento přebytek, označovaný jako flash, je odstraněn na střihacím lisu. Materiál flash je později recyklován.
5. Tepelné zpracování: Pro dosažení požadovaných finálních mechanických vlastností procházejí kované součásti tepelným zpracováním. Jak je uvedeno společností HYB Universal Joint , zahrnuje tento proces kalení (rychlé ochlazení) za účelem ztvrdnutí oceli a popouštění (opětovné zahřátí na nižší teplotu) za účelem zvýšení houževnatosti a snížení křehkosti. Některé součásti mohou být také cementovány, aby vznikl tvrdý, opotřebením odolný povrch.
6. Dokončování a obrábění: I když kování vytváří tvar blízký konečnému, pro dosažení přesných finálních tolerance u ložiskových ploch a spojovacích bodů je vyžadováno přesné obrábění. Operace jako vrtání, broušení a soustružení jsou prováděny pomocí CNC strojů, aby byla zajištěna dokonalá shoda a hladký chod.
7. Skládka a kontrola kvality: Nakonec jsou jednotlivé komponenty – vidlice, kříž a ložiska – poskládány dohromady. Během celého procesu se provádějí důsledné kontroly kvality, včetně kontrol rozměrů a testování odolnosti, aby bylo zajištěno, že každý univerzální kloub splňuje požadované výkonové specifikace.

Výroba konkrétních komponent kováním: Vidlice a kříže

Hlavními součástkami univerzálního kloubu – vidlicí a křížem – mají odlišné geometrie, které vyžadují specializované návrhy kovacích nástrojů a procesních parametrů. Optimalizace těchto procesů je klíčová pro zlepšení využití materiálu, prodloužení životnosti nástrojů a zajištění strukturální integrity konečné součástky.

Kování vidlice univerzálního kloubu

Vidlice univerzálního kloubu, neboli yoke, je typická kovanina ve tvaru vidlice s výraznými rozdíly v rozložení kovu. Její komplexní tvar, který zahrnuje úzká a vysoká žebra, ji činí obtížnou pro efektivní kování. Tradiční metody mohou vést ke špatnému toku materiálu, což způsobuje nadměrný odlitek v některých oblastech a neúplné zaplnění v jiných. To nejen plýtvá materiálem, ale také způsobuje urychlené opotřebení nástrojů a vyžaduje vyšší kovací tlaky.

Pro překonání těchto problémů byly vyvinuty pokročilé techniky, jako je polouzavřený předkovačský proces. Jak je vysvětleno v analýze společnosti Xinlong Machinery , zahrnuje přepracování konstrukce nástroje za účelem lepší kontroly toku kovu, čímž je materiál tlačen do požadovaných dutin namísto toho, aby unikal do odlitkové lávky. Optimalizací tvaru předkovaného dílu a uspořádání nástrojů mohou výrobci zvýšit využití materiálu z přibližně 61,5 % na 75 % nebo více, výrazně snížit zatížení při konečném kování a více než zdvojnásobit životnost nástrojů.

Pro společnosti hledající odolné a spolehlivé automobilové komponenty jsou specializované služby tváření nezbytné. Například pro odolné a spolehlivé automobilové komponenty si prohlédněte služby výroby kovaných dílů na míru od Shaoyi Metal Technology . Specializují se na vysoce kvalitní horké tváření certifikované podle IATF16949 pro automobilový průmysl a nabízejí vše – od rychlého prototypování malých sérií až po plnou sériovou výrobu. Jejich odbornost v oblasti výroby nástrojů ve vlastní režii zajišťuje přesnost a efektivitu u složitých dílů, jako jsou třmeny univerzálních kloubů.

Kování křížové hřídele

Příčná hřídel, známá také jako pavouk, je centrální komponenta, která spojuje dvě vidlice. Její čtyřramenná geometrie je klasickým příkladem složité trojrozměrné součásti, která je ideálně vhodná pro uzavřené horké kování. Tento proces musí zajistit, že tok zrna bude nepřetržitý od středu až po každou ze čtyř čepů (nebo ložiskových kolíků). To je rozhodující pro odolání krouticím a ohybovým silám, kterým je součástka vystavena během provozu.

Kovací proces u křížového kloubu zahrnuje lisování ohřáté ocelové tyče do formy, která nutí materiál proudit směrem ven do čtyř ramen tvaru kříže. Návrh předvalku a formy je rozhodující pro úplné vyplnění formy bez vad. Po kování podstoupí kříž tepelné zpracování, například cementaci, aby vznikl velmi tvrdý, opotřebení odolný povrch na čepech, kde budou uložena jehličková ložiska, přičemž jádro zůstane pevnější a houževnatější, aby dokázalo pohltit nárazové zatížení.

Nejčastější dotazy

1. Jaké jsou 4 typy tvářecích procesů?

   Existuje čtyři hlavní typy tvářecích procesů používaných k tvarování kovů. Mezi ně patří objemové tváření v matrici (nebo uzavřené tváření v dies), při kterém je kov lisován mezi dvěma formami obsahujícími přesný tvar; tváření na otevřených diech, kdy je kov tvarován mezi plochými die bez jejich uzavření; studené tváření, které se provádí při pokojové teplotě pro dosažení vysoké přesnosti; a tváření bezešvých válcovaných prstenců, které se používá k výrobě prstencovitých součástí.

2. Z čeho jsou univerzální klouby vyrobeny?

   Univerzální klouby jsou obvykle vyrobeny z vysoce pevných, tepelně upravitelných ocelových slitin, aby odolaly vysokému točivému momentu a opotřebení. Běžné materiály zahrnují uhlíkové oceli, jako je ocel 45, a různé legované oceli. U aplikací vyžadujících vysokou odolnost proti korozi, například v námořních nebo offshore prostředích, mohou být součásti vyrobeny z nerezové oceli, například třídy 316L. K snížení tření lze také nanášet povlaky, jako je PTFE.

3. Co je proces křížového tváření?

   Křížové kování je předběžné tváření kovové suroviny v střídavých rovinách za účelem vytvoření požadovaných mechanických vlastností. U kříže univerzálního kloubu se používá uzavřené kování, při kterém je ohřátá ingotová tyč stlačována tak, že kov je tlačen dovnitř čtyř dutin formy, které tvoří ramena kříže. Tento proces je navržen tak, aby byla forma zcela vyplněna, a současně minimalizováno množství odpadu (flash).