Основной процесс ковки для карданных шарниров

Краткое содержание

Процесс ковки шарниров равных угловых скоростей представляет собой сложный метод производства, при котором высококачественные стальные сплавы формуются под экстремальным давлением для создания прочных и долговечных компонентов. Ключевые технологии включают горячую ковку, при которой металл нагревается выше температуры рекристаллизации для облегчения формования, и холодную ковку — для повышения точности. В этом процессе используются прессы с высоким усилием и специальные штампы для формирования основных деталей, таких как вилки и крестовины, что обеспечивает превосходную прочность и непрерывную зернистую структуру, необходимую для применения в условиях высоких нагрузок.

Принцип работы шарниров равных угловых скоростей и преимущества ковки

Шарнир равных угловых скоростей, часто называемый карданным шарниром, представляет собой важное механическое соединение, которое соединяет вращающиеся валы, позволяя передавать крутящий момент и движение, даже когда они находятся под углом друг к другу. Эта гибкость необходима во множестве применений — от карданных валов и рулевых систем автомобилей до промышленного и сельскохозяйственного оборудования. Шарнир обычно состоит из двух вилок, соединённых крестообразной деталью (крестовиной), которая содержит подшипники для обеспечения плавного вращения.

Ковка является предпочтительным методом производства этих компонентов благодаря высокой прочности, которую она обеспечивает. В отличие от литья или механической обработки из цельной заготовки, ковка формирует металл путем контролируемой деформации, выравнивая внутреннюю зернистую структуру материала по окончательной форме детали. Это создает непрерывный поток зерна, повторяющий контуры вилки и крестовины, что обеспечивает exceptionalную прочность на растяжение, сопротивление усталости и ударопрочность. Такая структурная целостность имеет первостепенное значение для компонента, который должен выдерживать постоянные, сложные и переменные нагрузки на протяжении всего срока службы.

Выбор материала для карданных шарниров определяется этими сложными условиями. Стандартным выбором являются высококачественные легированные стали благодаря их превосходной прочности, вязкости и износостойкости. Например, для деталей, таких как вилка карданного шарнира, часто используется сталь средней углеродистости, например сталь 45. В некоторых специализированных областях применения, особенно там, где требуется высокая коррозионная стойкость, могут применяться сплавы нержавеющей стали, а поверхности могут быть покрыты специальными покрытиями для уменьшения трения и предотвращения заедания.

Основные методы ковки: горячая и холодная ковка

Производство карданных шарниров в основном основано на двух основных методах ковки: горячей и холодной. Выбор между ними зависит от конкретной детали, требуемых свойств материала и объема производства. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения точности, прочности и стоимости.

Горячая ковка является наиболее распространенным методом производства компонентов карданного шарнира, таких как крестовина. В этом процессе стальная заготовка нагревается до температуры выше точки рекристаллизации. Такой сильный нагрев делает металл пластичным и ковким, что позволяет формовать его с меньшим усилием на кузнечном прессе или молоте. Основное преимущество горячей ковки заключается в возможности легко создавать сложные трехмерные геометрии и выполнять значительные деформации, что делает этот метод идеальным для изготовления сложной формы крестовины карданного шарнира. Кроме того, данный процесс улучшает структуру зерна металла, устраняет пористость и повышает прочность.

Холодная штамповка , напротив, выполняется при комнатной температуре или около неё. Этот процесс требует значительно большего давления для формовки металла, но обеспечивает превосходную точность размеров, лучшее качество поверхности и повышенную прочность за счёт явления, известного как упрочнение при деформации. Хотя холодная штамповка реже используется для первоначального формирования сложных деталей, таких как крестовины, она может применяться для отдельных компонентов или в качестве вторичного финишного процесса для достижения жёстких допусков без необходимости обширной механической обработки.

Ниже приведено сравнение двух основных методов:

Пошаговый процесс производства

Создание универсального соединения путем ковки - это многоступенчатый процесс, который превращает простую стальную стержню в высокопроизводительный механический компонент. Каждый шаг тщательно контролируется, чтобы гарантировать, что конечный продукт соответствует строгим стандартам качества и долговечности. Хотя конкретные детали могут варьироваться, общий рабочий процесс следует четкому последовательному пути.

1. Подготовка и резка материала: Процесс начинается с выбора высококачественных стальных сливочных стержней. Эти прутки проверяют на качество, а затем режут на точные длины, известные как слитки. Вес и объем каждого кубика рассчитываются таким образом, чтобы было достаточно материала для заполнения полости, минимизируя отходы (так называемые вспышки).
2. Нагрев (для горячей ковки): Заготовки транспортируются в печь, зачастую индукционную, где их нагревают до оптимальной температуры ковки. Для стали этот диапазон обычно составляет от 1100°C до 1250°C. Данный этап имеет важнейшее значение для обеспечения достаточной пластичности металла, чтобы он мог деформироваться под давлением.
3. Ковка и формовка: Нагретая заготовка быстро помещается в нижнюю часть специального комплекта штампов на прессе высокой мощности. Затем пресс оказывает огромное давление, заставляя металл течь и заполнять полость штампа, форма которого соответствует требуемой детали (например, вилка или крестовина). Этот процесс зачастую состоит из нескольких этапов: предварительная ковка для приблизительного формирования детали и окончательная ковка для получения точной формы и мелких деталей.
4. Стрижка: После ковки по краям детали остается тонкая линия излишнего материала — место соприкосновения двух половин штампа. Этот излишек, называемый заусенец, удаляется на обрезном прессе. Заусенец в дальнейшем перерабатывается.
5. Тепловая обработка: Для достижения конечных требуемых механических свойств, кованые компоненты подвергаются термической обработке. Как указано в описании соединения HYB Universal Joint , этот процесс включает закалку (быстрое охлаждение) для повышения твёрдости стали и отпуск (повторный нагрев до более низкой температуры) для увеличения вязкости и снижения хрупкости. Некоторые детали также могут быть цементированы для создания твёрдой, износостойкой поверхности.
6. Отделка и механическая обработка: Хотя ковка формирует заготовку, близкую по форме к окончательной, для достижения точных допусков на поверхности подшипников и точек соединения требуется прецизионная механическая обработка. Операции, такие как сверление, шлифование и токарная обработка, выполняются с использованием станков с ЧПУ, чтобы обеспечить идеальную посадку и плавную работу.
7. Сборка и контроль качества: В заключение, отдельные компоненты — вилки, крестовина и подшипники — собираются вместе. На протяжении всего процесса проводятся строгие проверки контроля качества, включая измерение геометрических параметров и испытания на прочность, чтобы гарантировать соответствие каждого карданного шарнира установленным эксплуатационным характеристикам.

Изготовление специфических компонентов: вилки и крестовины

Основными компонентами карданного шарнира являются вилка и крестовина, которые имеют различные геометрические формы, требующие специализированных конструкций штампов и особенностей процесса ковки. Оптимизация этих процессов имеет ключевое значение для повышения эффективности использования материала, увеличения срока службы штампов и обеспечения структурной целостности готовой детали.

Ковка вилки карданного шарнира

Вилка карданного шарнира — это типичная кованая деталь вилкообразной формы с существенными различиями в распределении металла. Ее сложная форма, включающая узкие высокие ребра, затрудняет эффективную ковку. Традиционные методы могут привести к плохому течению материала, избыточному образованию заусенцев в одних местах и неполному заполнению полостей в других. Это не только ведет к перерасходу материала, но и вызывает ускоренный износ штампов, а также требует более высоких усилий при ковке.

Для преодоления этих трудностей были разработаны передовые технологии, такие как полузамкнутый процесс предварительной ковки. Как объясняется в аналитическом обзоре Xinlong Machinery , это включает в себя перепроектирование конструкции штампа для лучшего контроля течения металла, направляя его в необходимые полости, а не в облойную канавку. Оптимизируя форму предварительной штамповки и расположение штампов, производители могут увеличить коэффициент использования материала с примерно 61,5% до 75% и более, значительно снизить нагрузку при окончательной штамповке и более чем вдвое продлить срок службы штампов.

Для компаний, ищущих прочные и надежные автомобильные компоненты, важны специализированные услуги по ковке. Например, для получения прочных и надежных автомобильных компонентов ознакомьтесь с услугами индивидуальной ковки от Shaoyi Metal Technology . Они специализируются на высококачественной горячей ковке, сертифицированной по IATF16949, для автомобильной промышленности, предлагая всё — от быстрого прототипирования небольших партий до полноценного массового производства. Их опыт во внутреннем производстве штампов обеспечивает точность и эффективность при изготовлении сложных деталей, таких как вилки карданных валов.

Ковка крестовины вала

Крестовина, также известная как паук, является центральным компонентом, соединяющим две вилки. Ее четырехлучевая геометрия — классический пример сложной трехмерной детали, которая идеально подходит для горячей ковки в закрытой матрице. Процесс должен обеспечивать непрерывное направление волокон от центра к каждому из четырех шипов (или цапф). Это имеет решающее значение для способности выдерживать крутящие и изгибающие нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации.

Процесс ковки крестовины карданного шарнира включает прессование нагретой стальной заготовки в матрице, заставляя материал растекаться наружу, формируя четыре луча крестообразной формы. Конструкция предварительной заготовки и матрицы имеет первостепенное значение для полного заполнения формы без дефектов. После ковки крестовина подвергается термической обработке, например цементации, с целью создания очень твердой, износостойкой поверхности на шипах, где будут располагаться роликовые подшипники, при сохранении более прочного и пластичного ядра, способного поглощать ударные нагрузки.

Часто задаваемые вопросы

1. Какие бывают 4 типа процессов ковки?

   Существует четыре основных типа процессов ковки, используемых для формирования металла. К ним относятся ковка в закрытых штампах (или ковка в закрытом штампе), при которой металл прессуется между двумя штампами, имеющими точную форму; ковка в открытых штампах, при которой металл формируется между плоскими штампами без полного охвата; холодная ковка, выполняемая при комнатной температуре для достижения высокой точности; и ковка бесшовных колец, применяемая для изготовления деталей кольцевой формы.

2. Из чего изготавливаются карданные шарниры?

   Карданные шарниры обычно изготавливаются из высокопрочных сталей с возможностью термообработки, чтобы выдерживать высокий крутящий момент и износ. Обычные материалы — углеродистые стали, такие как сталь 45, и различные легированные стали. Для применений, требующих высокой коррозионной стойкости, например в морских или оффшорных условиях, компоненты могут изготавливаться из нержавеющей стали, такой как марка 316L. Покрытия, такие как PTFE, также могут наноситься для уменьшения трения.

3. Что такое процесс крестовой ковки?

   Кроссовая штамповка — это предварительная обработка заготовки при штамповке в попеременно изменяющихся плоскостях для формирования механических свойств. Для крестовины карданного шарнира используется процесс закрытой штамповки, при котором нагретая заготовка сжимается, заставляя металл распределяться наружу в четыре полости матрицы. В случае крестовины карданного шарнира применяется метод закрытой штамповки, при котором нагретую заготовку сжимают, заставляя металл заполнять четыре полости матрицы, формирующие рычаги крестовины. Данный процесс разработан таким образом, чтобы полностью заполнить полость матрицы и минимизировать отходы материала (облой).