[发明专利]一种制造空心轴的方法

说明书

技术领域

本发明涉及空心轴，并且更具体地涉及一种由实心坯或者锭设计和制造空心轴的方法，这样导致更有效的原材料利用，并增强由此生产的轴的力学性能和特性。

背景技术

空心轴在许多工业中被需要。大多数空心轴的制造厂使用镗孔技术来形成空心轴的环形孔。

包括风能工业的许多工业使用空心轴。这些在齿轮箱中使用的空心轴典型地经受高的静态和动态载荷。

几十年来，使用传统的制造工艺制造这些部件，在传统的制造工艺中，连续铸坯(连铸坯)或者铸锭经受锻造工艺，其导致锻造棒，随后被校准机械加工、热处理和精机械加工。

然而，传统的制造方法导致大量的加工时间和低的产量。这导致在大规模生产期间大量的原材料浪费。

制造这些零件的现有方法使用多边形/圆形铸锭或铸坯，在输入时没有热加工或者最少的热加工。机械加工包括外径车削、精车削、端面车削；深孔钻制；镗孔、锪孔，随后为热处理和精机械加工。

概括地说，现有的制造方法是由连铸坯或者铸锭形成锻造棒及随后机械加工的组合。已经发现，现有的工艺导致约50％的材料利用(因此从形成坯/锭至制造校准机械加工零件的时间导致约50％的材料浪费)。

空心轴的制造相关的发明在现有技术中被报告。其在以下被提及。

美国专利US20030221514A1公开了一种制造空心轴的方法，空心轴具有动力传动构件，诸如沿轴向方向被设置为一个在另一个之后的凸轮轴的凸轮、齿轮轴的冠齿轮、或者曲轴的轴颈，这些动力传动件被构造为至少空心的。

美国专利6062116公开了一种制造空心轴和用于保持圆柱形空心轴坯的心轴的方法。空心轴通过以下步骤被制造：在轴坯中轴向地限定一通孔以产生圆柱形空心轴坯，将心轴插入空心轴坯的通孔中，将心轴的相对端保持为与通孔同轴，使空心轴坯围绕空心轴坯自己的轴线与通孔同轴地旋转，同时切割空心轴坯的至少一端的外圆周表面，以在空心轴坯的至少一端上形成参考外圆周表面。

美国专利4425774公开了一种用于挤压锻造的装置，基本上包括具有内压头的双动液压机。坯料的挤压锻造通过以下步骤实现：将坯料放置在容器中，并将冲头插入容器中，从而迫使坯料通过模具。在挤压锻造后，冲头被提升至规定的水平并被保持在那里，并且随后提升容器。因为坯料的未变形部分被紧紧地附着至容器，所以提升的容器将坯料的被挤压的部分拖出模具，且同时用冲头有力地撞击坯料的未变形部分，由此将挤压锻造产品敲出容器。

美国专利4803880公开了一种由超合金和钛合金锻造空心细长物品的工艺。该工艺使用具有低强度和高延展性的预先处理的材料。该工艺在锻造压力机中进行，且具有通过压力运动将预制件转换为中间形状的起始步骤，其产生径向向外的工件流。然后改变压力冲头几何形状，并以围绕心轴的径向向内流继续操作。

美国专利US7360388B2公开了空心台阶式物品由实心坯形成以降低材料成本，且当一部分坯通过其径向扩展而变形时，防止大直径的台阶部分开裂。空心台阶式轴通过以下步骤形成：分别用上模具和下模具轴向地保持实心杆状坯的上部分和下部分，上模具和下模具在它们彼此相对的区域具有大直径的台阶式凹进；用上冲头和下冲头从坯的轴向相对的侧部压缩坯，上冲头和下冲头的直径均比坯的直径小，由此挤出坯以使在其上部分和下部分的每个中均形成围绕坯的轴线的轴向空心，并使坯的与大直径的台阶式凹进相对的部分的直径上扩大，且在该凹进中变形，同时在冲头之间留下实心的塞子状部分；然后进一步压缩移动一个冲头以剪切实心的塞子状部分并迫使其移动至坯外，借此坯通过在其相对端之间的中间区域或者这些端部中的一个处径向扩大变形而形成大直径的台阶部分并形成围绕其轴线的连续轴向空心。

对现有技术的评论揭露了以下技术差距，诸如缺少制造工艺改进，缺少机械加工优化，材料利用不足，缺少用于空心轴优化工艺的虚拟制造技术实施。

利用传统的制造方法，导致大量的加工时间和低的产量，因此大量的原材料在这些部件的大规模生产期间被浪费。

此外，不涉及通过热加工还原(reduction)或最小化地还原的现有方法不会导致高动力应用中的布置所需的优异的材料性能。

现有方法的另一重要限制产生于以下事实：研究中的空心轴在包括多个直径的孔中具有台阶。已知这种多台阶孔只可通过机械加工制造，因此不能提供沿孔的轮廓的连续的晶粒流(grain flow)。这是使用当前的方法生产的空心轴缺少优异的晶粒流特性和力学性能的一个主要原因。