Procesul Esențial de Forjare pentru Cuplaje Universale

REZUMAT

Procesul de forjare pentru cuplaje universale este o metodă sofisticată de fabricație care modelează aliaje de oțel de înaltă calitate sub presiune extremă pentru a crea componente robuste și durabile. Tehnicile cheie includ forjarea la cald, la care metalul este încălzit peste temperatura sa de recristalizare pentru o formare mai ușoară, și forjarea la rece pentru o precizie sporită. Acest proces utilizează prese cu tonaj ridicat și matrițe specializate pentru a forma piesele principale, cum ar fi furcile și crucile, asigurând o rezistență superioară și o structură granulară continuă esențială pentru aplicațiile cu solicitare mare.

Înțelegerea articulațiilor universale și avantajul forjării

O articulație universală, adesea numită cuplaj U, este o cuplare mecanică esențială care conectează arbori rotativi, permițând transmiterea cuplului și a mișcării chiar și atunci când aceștia sunt înclinăți unul față de celălalt. Această flexibilitate este esențială în numeroase aplicații, de la arborii cardanici și sistemele de direcție ale autovehiculelor până la mașinile industriale și agricole. Articulația constă în mod tipic din două furci conectate printr-un element în formă de cruce, sau păianjen, care găzduiește rulmenți pentru a facilita rotația lină.

Deformarea plastică la cald este metoda de fabricație preferată pentru aceste componente datorită rezistenței enorme pe care o conferă. Spre deosebire de turnare sau prelucrarea prin așchiere din material masiv, forjarea modelează metalul prin deformare controlată, aliniind structura internă a cristalizării materialului cu forma finală a piesei. Acest lucru creează un flux continuu de cristalizare care urmărește contururile furcii și crucii, rezultând într-o rezistență excepțională la tracțiune, rezistență la oboseală și durabilitate la impact. Această integritate structurală este esențială pentru o componentă care trebuie să suporte sarcini constante, complexe și alternative pe toată durata utilizării.

Selectarea materialelor pentru cuplajele universale este dictată de aceste condiții exigente. Oțelurile aliate de înaltă calitate sunt alegerea standard datorită rezistenței excelente, tenacității și rezistenței la uzură. De exemplu, oțelurile cu conținut mediu de carbon, cum ar fi oțelul 45, sunt utilizate frecvent pentru componente precum furca cuplajului universal. În unele aplicații specializate, în special cele care necesită o rezistență ridicată la coroziune, pot fi utilizate aliaje din oțel inoxidabil, iar suprafețele pot fi acoperite pentru a reduce frecarea și prevenirea griparii.

Tehnici de forjare esențiale: forjare la cald vs. forjare la rece

Producerea cuplajelor universale se bazează în principal pe două tehnici principale de forjare: forjarea la cald și forjarea la rece. Alegerea dintre acestea depinde de componenta specifică, proprietățile cerute ale materialului și volumul producției. Fiecare metodă oferă un set distinct de avantaje și dezavantaje în ceea ce privește precizia, rezistența și costul.

Forjare la cald este metoda cea mai frecventă pentru producerea componentelor articulațiilor universale, cum ar fi cruciulitele. În acest proces, lingoul de oțel este încălzit la o temperatură superioară punctului său de recristalizare. Această căldură extremă face metalul maleabil și plastic, permițându-i să fie modelat cu o presiune mai mică din partea unei mașini de forjat sau a unui ciocan. Beneficiul principal al forjării la cald constă în capacitatea sa de a crea geometrii complexe tridimensionale și deformări mari relativ ușor, ceea ce o face ideală pentru forma complicată a unei cruciulițe de articulație universală. De asemenea, aceasta refinează structura granulară a metalului, eliminând porozitatea și sporind tenacitatea acestuia.

Forja Rece , în schimb, este realizat la temperatura camerei sau aproape de aceasta. Acest proces necesită o presiune semnificativ mai mare pentru a forma metalul, dar oferă o precizie dimensională superioară, o finisare superficială mai bună și o rezistență crescută prin fenomenul cunoscut sub numele de ecruisare. Deși mai puțin utilizat pentru formarea inițială a pieselor complexe, cum ar fi crucile, forjarea la rece poate fi folosită pentru anumite componente sau ca proces secundar de finisare pentru a obține toleranțe strânse fără necesitatea unor operații extensive de prelucrare mecanică.

Iată o comparație între cele două metode principale:

Procesul de fabricare pas cu pas

Crearea unei articulații universale prin forjare este un proces în mai multe etape care transformă o bară simplă de oțel într-un component mecanic de înaltă performanță. Fiecare etapă este controlată meticulos pentru a asigura faptul că produsul final respectă standarde stricte de calitate și durabilitate. Deși detaliile specifice pot varia, fluxul general urmează o cale clară și secvențială.

1. Pregătirea materialului și tăierea: Procesul începe cu selecția barelor din aliaj de oțel de înaltă calitate. Aceste bare sunt verificate din punct de vedere al calității, apoi tăiate la lungimi precise, numite bilioane sau bucăți. Masa și volumul fiecărui biliard sunt calculate pentru a se asigura că există suficient material pentru a umple cavitatea matriței, minimizând astfel deșeurile (cunoscute sub numele de degajare).
2. Încălzirea (pentru forjarea la cald): Bucățile tăiate sunt transportate la un cuptor, de obicei un cuptor cu inducție, unde sunt încălzite la temperatura optimă de forjare. În cazul oțelului, aceasta este în mod tipic între 1100°C și 1250°C. Această etapă este esențială pentru a face metalul suficient de maleabil ca să poată fi modelat sub presiune.
3. Forjarea și formarea: Bucata încălzită este plasată rapid în jumătatea inferioară a unui set de matrițe proiectate special într-o presă de forjat cu tonaj mare. Apoi, presa aplică o presiune enormă, forțând metalul plastic să curgă și să umple cavitatea matriței, care are forma componentei dorite (de exemplu, un furcă sau cruciform). Acest proces este adesea realizat în mai multe etape, inclusiv o fază preliminară de forjare pentru a forma aproximativ piesa și o fază finală de forjare pentru a obține forma exactă și detaliile fine.
4. Tăiere: După forjare, piesa prezintă o linie subțire de material în exces de-a lungul marginilor, acolo unde s-au întâlnit cele două jumătăți ale matriței. Acest exces, numit bavură, este îndepărtat într-o presă de decupare. Bavura este ulterior reciclată.
5. Tratare Termică: Pentru a obține proprietățile mecanice finale dorite, componentele forjate sunt supuse unui tratament termic. După cum este descris de către HYB Universal Joint , acest lucru implică procese precum călirea (răcire rapidă) pentru întărirea oțelului și revenirea (reîncălzirea la o temperatură mai scăzută) pentru creșterea tenacității și reducerea casanteții. Unele piese pot fi, de asemenea, cementate pentru a crea o suprafață dură, rezistentă la uzură.
6. Finisare și prelucrare prin așchiere: Deși forjarea creează o formă apropiată de cea finală, este necesară o prelucrare precisă prin așchiere pentru a obține toleranțele strânse finale ale suprafețelor de rulmenți și ale punctelor de conectare. Operațiuni precum găurirea, rectificarea și strunjirea sunt efectuate cu mașini CNC pentru a asigura o potrivire perfectă și o funcționare lină.
7. Asamblare și control de calitate: În final, componentele individuale — furcile, cruciulița și rulmenții — sunt asamblate. Pe parcursul întregului proces, sunt efectuate verificări riguroase de control al calității, inclusiv inspecții dimensionale și teste de durabilitate, pentru a se asigura că fiecare cuplaj universal respectă specificațiile de performanță.

Componente specifice forjate: Yokes și Crosses

Componentele principale ale cuplajului universal, yoke și cross, au geometrii distincte care necesită proiectări specializate ale matrițelor de forjare și considerații privind procesul. Optimizarea acestor procese este esențială pentru îmbunătățirea utilizării materialelor, prelungirea duratei de viață a matriței și asigurarea integrității structurale a piesei finale.

Forjarea yoke-ului cuplajului universal

Furca cuplajului universal, sau yoke, este o forjare tipică în formă de furcă, cu variații semnificative în distribuția metalului. Forma sa complexă, care include nervuri înguste și înalte, o face dificil de forjat eficient. Metodele tradiționale pot duce la un flux slab al materialului, generând adaos excesiv în anumite zone și umplere incompletă în altele. Aceasta nu numai că risipește materialul, dar provoacă și uzură accelerată a matriței și necesită presiuni mai mari de forjare.

Pentru a depăși aceste provocări, au fost dezvoltate tehnici avansate, cum ar fi procesul de preforjare semiînchis. Așa cum este explicat într-o analiză realizată de Xinlong Machinery , acest lucru implică reproiectarea structurii matriței pentru a controla mai bine curgerea metalului, forțându-l să pătrundă în cavitațile necesare, în loc să iasă în canalele de deversare. Prin optimizarea formei prelucrate înainte de forjare și a așezării matriței, producătorii pot crește utilizarea materialului de la aproximativ 61,5% la 75% sau mai mult, pot reduce semnificativ sarcina finală la forjare și pot dubla durata de viață a matrițelor.

Pentru companiile care caută componente auto robuste și fiabile, serviciile specializate de forjare sunt esențiale. De exemplu, pentru componente auto robuste și fiabile, consultați serviciile personalizate de forjare oferite de Shaoyi Metal Technology . Aceștia se specializează în forjarea la cald de înaltă calitate, certificată IATF16949, pentru industria auto, oferind totul, de la prototipare rapidă pentru serii mici până la producție de masă la scară largă. Expertiza lor în fabricarea internă a matrițelor asigură precizie și eficiență pentru piese complexe, cum ar fi furcile arborelor cardanice.

Forjarea arborelui transversal

Arborele transversal, cunoscut şi sub numele de păianjen, este componenta centrală care leagă cele două juguri. Geometria sa cu patru părți este un exemplu clasic de o piesă 3D complexă, care este ideală pentru forjarea în cald cu matriță închisă. Procesul trebuie să asigure că fluxul de grâu este continuu de la centru prin fiecare dintre cele patru trunnioni (sau stivule de jurnal). Acest lucru este esențial pentru a rezista forțelor de torsiune și îndoire pe care le experimentează în timpul funcționării.

Procesul de forjare pentru o cruce cu articulație U implică presarea unei bulete de oțel încălzite într-o matriță care forțează materialul să curgă în afara celor patru brațe ale formei de cruce. Proiectarea preformului şi a matriţei este crucială pentru a se asigura că mucegaiul se umple complet fără defecte. După forjare, crucea este supusă unui tratament termic, cum ar fi carburizarea, pentru a crea o suprafață foarte dură, rezistentă la uzură pe trunnion-uri, unde rulmenții de ac vor sta, menținând în același timp un miez mai dur, mai ductil pentru a absorbi

Întrebări frecvente

1. Care sunt cele 4 tipuri de procese de forjare?

   Există patru tipuri principale de procese de forjare utilizate pentru a modela metalul. Acestea includ forjarea prin imprimare (sau forjarea cu matriță închisă), în care metalul este presat între două matrițe care conțin o formă precisă; forjarea cu matriță deschisă, în care metalul este modelat între matrițe plate fără a-l înconjura; forjarea la rece,

2. Din ce sunt făcute articulaţiile universale?

   Unitățile universale sunt de obicei fabricate din aliaje de oțel cu rezistență ridicată, tratate termic, pentru a rezista la cuplu și uzură ridicate. Materialele comune includ oțeluri cu carbon, cum ar fi oțelul 45 și diverse oțeluri aliate. Pentru aplicații care necesită o rezistență ridicată la coroziune, cum ar fi în medii marine sau offshore, componentele pot fi fabricate din oțel inoxidabil, cum ar fi gradul 316L. Învelișurile precum PTFE pot fi, de asemenea, aplicate pentru a reduce frecarea.

3. Ce este procesul de forjare a crucii?

   Forjarea încrucișată este prelucrarea preliminară a materialului de forjare în planuri alternative pentru a dezvolta proprietăți mecanice. Pentru o cruce comună universală, se utilizează un proces de matriță închisă, în care se comprime o bucată încălzită, forțând metalul să curgă în afara celor patru cavități ale matriței. Pentru o cruce comună universală, acest lucru implică utilizarea unui proces închis de matriță în care o bucată încălzită este comprimată, forțând metalul să curgă în afara în cele patru cavități ale matriței care formează brațele crucii. Procesul este conceput pentru a asigura completarea cavității de matriță, reducând la minimum materialele de deșeuri (flash).