Необхідний процес кування для карданних шарнірів

Коротко

Процес кування карданних шарнірів — це складний виробничий метод, при якому сплави високоякісної сталі формуються під дією екстремального тиску для отримання міцних і довговічних деталей. Основні технології включають гаряче кування, коли метал нагрівають вище температури рекристалізації для полегшення формування, та холодне кування для підвищеної точності. У цьому процесі використовують преси великої потужності та спеціальні матриці для формування основних частин, таких як вилки та хрестики, забезпечуючи високу міцність і неперервну структуру зерна, що є важливим для застосування в умовах високих навантажень.

Розуміння карданних шарнірів та переваги кування

Карданний шарнір, який часто називають U-подібним шарніром, є важливим механічним з'єднанням, що поєднує обертові вали, дозволяючи їм передавати крутний момент і рух, навіть коли вони розташовані під кутом один до одного. Ця гнучкість є життєво необхідною у безлічі застосувань — від карданних валів і систем кермування автомобілів до промислового та сільськогосподарського обладнання. Шарнір зазвичай складається з двох вилок, з'єднаних хрестоподібною деталлю, або хрестовиною, яка містить підшипники для забезпечення плавного обертання.

Кування є переважним методом виробництва цих компонентів через надзвичайну міцність, яку воно забезпечує. На відміну від лиття або обробки різанням з суцільного матеріалу, кування формує метал шляхом контрольованої деформації, вирівнюючи внутрішню структуру зерна матеріалу вздовж остаточної форми деталі. Це створює безперервний потік зерна, який повторює контури хрестовини та вилки, забезпечуючи виняткову міцність на розтяг, опір втомному руйнуванню та стійкість до ударних навантажень. Саме ця структурна цілісність має першорядне значення для компонента, який протягом усього терміну експлуатації зазнає постійних, складних та змінних навантажень.

Вибір матеріалу для карданних шарнірів визначається цими жорсткими умовами. Сталі з високоякісними сплавами є стандартним варіантом через їх чудку міцність, витривалість і стійкість до зносу. Наприклад, сталі середнього вуглецю, такі як сталь 45, зазвичай використовуються для компонентів, таких як вилка карданного шарніра. У деяких спеціалізованих застосуваннях, особливо тих, що вимагають високої стійкості до корозії, можуть застосовуватися сплави нержавіючої сталі, а поверхні можуть бути покриті для зменшення тертя та запобігання задирок.

Основні техніки кування: гаряче та холодне кування

Виробництво карданних шарнірів переважно базується на двох основних методах кування: гарячому та холодному. Вибір між ними залежить від конкретного компонента, необхідних властивостей матеріалу та обсягу виробництва. Кожен метод має окремий набір переваг і недоліків щодо точності, міцності та вартості.

Гаряча ковка є найпоширенішим методом виготовлення компонентів універсального шарніра, таких як хрестовина. У цьому процесі заготовку зі сталі нагрівають до температури вище точки рекристалізації. Це сильне нагрівання робить метал ковким і пластичним, що дозволяє формувати його з меншим тиском за допомогою кувальних пресів або молота. Основна перевага гарячої ковки — здатність створювати складні тривимірні геометрії та великі деформації порівняно легко, що робить її ідеальною для складної форми хрестовини карданного шарніра. Крім того, вона покращує структуру зерна металу, усуває пористість і підвищує міцність.

Холодна ковка , навпаки, виконується при кімнатній температурі або близько до неї. Цей процес потребує значно більшого тиску для формування металу, але забезпечує вищу точність розмірів, кращу якість поверхні та підвищену міцність завдяки явищу, відомому як наклеп. Хоча холодне штампування рідше використовується для первинного формування складних деталей, таких як хрестовина, воно може застосовуватися для окремих компонентів або як вторинний остаточний процес для досягнення вузьких допусків без необхідності інтенсивної механообробки.

Ось порівняння двох основних методів:

Поетапний процес виготовлення

Створення карданного шарніру шляхом кування — це багатоетапний процес, у ході якого простий сталевий стрижень перетворюється на високоефективний механічний компонент. Кожен етап ретельно контролюється, щоб забезпечити відповідність кінцевого продукту суворим стандартам якості та довговічності. Хоча конкретні деталі можуть відрізнятися, загальний робочий процес дотримується чіткої послідовної схеми.

1. Підготовка матеріалу та різання: Процес починається з вибору сталевих заготовок високої якості. Ці заготовки перевіряються на якість, а потім нарізаються на точні довжини, відомі як злитки або болванки. Вага та об’єм кожного злитка розраховуються таким чином, щоб матеріалу було достатньо для заповнення порожнини матриці, мінімізуючи відходи (відомі як обліплення).
2. Нагрівання (для гарячого кування): Зрізані заготовки транспортуються до печі, найчастіше індукційної, де їх нагрівають до оптимальної температури кування. Для сталі це зазвичай діапазон між 1100°C та 1250°C. Цей етап має важливе значення для того, щоб метал став достатньо пластичним, щоб його можна було формувати під тиском.
3. Кування та формування: Нагріту заготовку швидко розміщують у нижній частині спеціально розробленого набору штампів у пресі великої потужності. Потім прес прикладає величезний тиск, змушуючи пластичний метал текти й заповнювати порожнину штампа, яка має форму бажаного компонента (наприклад, вилки чи хрестовини). Це часто багатоетапний процес, який включає попереднє кування для приблизного формування деталі та остаточне кування для отримання точних геометрії та деталей.
4. Обрізка: Після кування по краях деталі залишається тонка лінія зайвого матеріалу там, де зустрічаються дві половини штампа. Цей зайвий матеріал, який називається облой, видаляється за допомогою обрізного преса. Обрізки згодом переробляються.
5. Термічна обробка: Для досягнення кінцевих бажаних механічних властивостей, штамповані компоненти піддаються термічній обробці. Як зазначено виробником HYB Universal Joint , це включає такі процеси, як гартування (швидке охолодження) для збільшення твердості сталі та відпускання (повторне нагрівання до нижчої температури) для підвищення міцності та зменшення крихкості. Деякі деталі можуть також карбонізуватися для створення твердої, зносостійкої поверхні.
6. Остаточна обробка та механічна обробка: Хоча штампування створює заготовку, близьку за формою до кінцевої, для досягнення остаточної точності розмірів поверхонь підшипників і точок з'єднання потрібна прецизійна механічна обробка. Операції, такі як свердління, шліфування та токарна обробка, виконуються за допомогою CNC-устаткування для забезпечення ідеального прилягання та плавної роботи.
7. Збирання та контроль якості: Нарешті, окремі компоненти — вилки, хрестовина та підшипники — збираються разом. На всіх етапах процесу проводяться суворі перевірки контролю якості, включаючи перевірку розмірів і випробування на міцність, щоб гарантувати, що кожний карданний вал відповідає вимогам до продуктивності.

Виготовлення спеціалізованих компонентів: вилки та хрестовини

Основними компонентами карданного шарніра є вилка та хрестовина, які мають різну геометрію і потребують спеціальних конструкцій штампів та технологічних рішень для кування. Оптимізація цих процесів є ключовим фактором підвищення ефективності використання матеріалу, збільшення терміну служби штампів та забезпечення структурної цілісності готового виробу.

Кування вилки карданного шарніра

Вилка карданного шарніра — це типова кована вилкоподібна деталь із суттєвими відмінностями у розподілі металу. Її складна форма, що містить вузькі високі ребра, ускладнює ефективне кування. Традиційні методи можуть призводити до поганого течії матеріалу, утворення надлишкового облою в окремих місцях та неповного заповнення форми в інших. Це не лише призводить до втрат матеріалу, але й спричиняє прискорене зношування штампа та вимагає більших зусиль для кування.

Для подолання цих труднощів були розроблені передові технології, такі як напівзамкнений процес попереднього кування. Як пояснюється в аналізі компанії Xinlong Machinery , це передбачає перепроектування конструкції матриці для кращого контролю течії металу, змушуючи його заповнювати необхідні порожнини, а не витікати у приливну канавку. Шляхом оптимізації форми напівфабрикату та розташування штампів виробники можуть підвищити використання матеріалу з приблизно 61,5% до 75% або більше, значно зменшити навантаження при остаточному штампуванні та подвоїти термін служби штампів.

Для компаній, які шукають міцні та надійні автомобільні компоненти, спеціалізовані послуги штампування є обов’язковими. Наприклад, для отримання міцних і надійних автомобільних компонентів перегляньте послуги з виготовлення штампів на замовлення від Shaoyi Metal Technology . Вони спеціалізуються на високоякісному гарячому штампуванні, сертифікованому за IATF16949, для автомобільної промисловості, пропонуючи все — від швидкого прототипування невеликих партій до повномасштабного масового виробництва. Їхній досвід у виробництві матриць власного виробництва забезпечує точність і ефективність для складних деталей, таких як хрестовини карданного валу.

Штампування хрестової шестерні

Перехресний вал, який також називають павуком, є центральним компонентом, що з'єднує дві вилки. Його чотирикутна геометрія — це класичний приклад складної тривимірної деталі, яка ідеально підходить для гарячого штампування у закритих штампах. Процес має забезпечувати безперервність напрямку волокон від центру через кожен із чотирьох шипів (або шийок). Це критично важливо для здатності витримувати крутильні та згинальні навантаження під час роботи.

Процес штампування перехресного вала карданного шарніру передбачає пресування нагрітої сталевої заготовки в матриці, що змушує матеріал розтікатися назовні у чотири плеча хрестоподібної форми. Конструкція напівфабрикату та матриці має вирішальне значення для повного заповнення форми без дефектів. Після штампування вал піддається термообробці, наприклад, цементації, щоб створити дуже тверду, зносостійку поверхню на шипах, де будуть розташовані роликові підшипники, зберігаючи при цьому більш міцне і пластичне ядро для поглинання ударних навантажень.

Поширені запитання

1. Які існують 4 типи процесів кування?

   Існує чотири основні типи процесів кування, що використовуються для формування металу. До них належать кування в закритих штампах (або кування в закритих матрицях), коли метал пресується між двома матрицями, які мають точну форму; кування в відкритих штампах, коли метал формують між плоскими матрицями без повного охоплення; холодне кування, яке здійснюється при кімнатній температурі для досягнення високої точності; та кування безшовних кілець, що використовується для виготовлення деталей у формі кільця.

2. З чого виготовляють карданні шарніри?

   Карданні шарніри зазвичай виготовляють із високоміцних сталевих сплавів, які піддаються термообробці, щоб витримувати високий крутний момент і зношування. Поширені матеріали — це вуглецеві сталі, наприклад сталь 45, та різні леговані сталі. Для застосувань, де потрібна висока стійкість до корозії, наприклад у морських або оффшорних умовах, компоненти можуть бути виготовлені з нержавіючої сталі, такої як марка 316L. Також можуть застосовуватися покриття, наприклад PTFE, щоб зменшити тертя.

3. Що таке процес поперечного кування?

   Перехресне кування — це попередня обробка заготовки при куванні в змінних площинах для формування механічних властивостей. Для хрестовини універсального шарніра використовується процес закритої штампування, при якому нагріту заготовку стискають, змушуючи метал розтікатися назовні в чотири порожнини матриці. У разі хрестовини універсального шарніра це передбачає застосування процесу закритого штампування, при якому нагріту заготовку стискають, змушуючи метал розтікатися назовні в чотири порожнини матриці, які формують плечі хрестовини. Цей процес спроектовано таким чином, щоб забезпечити повне заповнення порожнини матриці з мінімальними втратами матеріалу (облой).