MULTI-CRITERIA COMPARISON OF COLD FORMING PROCESSES FOR SPLINE SHAFT PRODUCTION

Abstract

This study presents a multi-criteria comparison of four cold forming methods used in cardan shaft spline connections manufactured from 1.7227 (42CrMoS4) steel—Axial Forming (AF), Impact Forming/Rolling (IF), Rack Forming/Rolling (PF) and Profile Forming/Rolling (RF). The evaluation was carried out under serial production conditions for two different DIN 5480-compliant spline geometries with closely related geometric characteristics; net cycle time, dimensional conformity, profile and helix deviations, hardness depth, and surface roughness were quantitatively investigated. The results show that RF reduces net cycle time while relatively lowering Fα–Fβ deviations and Ra values, whereas IF provides high process flexibility against variations in tooth number and axial spline length. AF delivers stable results in meeting the functional tooth thickness requirement, while PF exhibits intermediate performance in terms of dimensional accuracy and surface quality. Overall, the study provides a systematic basis for process selection in spline shaft manufacturing by presenting the combined effects of quality, dimensional performance, and process flexibility.

Keywords

• Spline shaft
• Cold forming
• Dimensional accuracy
• Surface roughness
• Hardness depth

Supporting Institution

Tirsan Kardan Ind. and Trade Inc.

Thanks

The authors would like to thank the Quality Laboratory of Tirsan Kardan Inc. and all contributing employees for their support in all technical measurements, including hardness mapping, surface roughness, over-pin measurement, and tooth profile and helix deviation measurements (Fα, Fβ).

SPLİNE MİLİ ÜRETİMİNDE SOĞUK ŞEKİLLENDİRME PROSESLERİNİN ÇOK KRİTERLİ KARŞILAŞTIRILMASI

Abstract

Bu çalışma, 1.7227 (42CrMoS4) çeliğinden üretilen kardan mili spline bağlantılarında kullanılan dört soğuk şekillendirme yöntemini—Eksenel Şekillendirme (AF), Darbeli Şekillendirme/Haddeleme (IF), Krameyer Şekillendirme/Haddeleme (PF) ve Profil Şekillendirme/Haddeleme (RF)—çok ölçütlü olarak karşılaştırmaktadır. Değerlendirme, Değerlendirme, DIN 5480’e uygun, geometrik karakteristikleri birbirine yakın iki farklı spline geometrisi için seri üretim koşullarında gerçekleştirilmiş; net çevrim süresi, boyutsal uygunluk, profil ve helis sapmaları, sertlik derinliği ve yüzey pürüzlülüğü nicel olarak incelenmiştir. Sonuçlar, RF’nin net çevrim süresini azaltırken Fα–Fβ sapmalarını ve Ra değerini göreli olarak düşürdüğünü; IF’nin diş sayısı ve eksenel spline uzunluğu değişimlerine karşı yüksek proses esnekliği sunduğunu göstermektedir. AF, fonksiyonel diş kalınlığının karşılanmasında kararlı sonuçlar verirken PF boyutsal doğruluk ve yüzey kalitesi açısından orta düzey performans sergilemiştir. Çalışma, kalite, boyutsal performans ve proses esnekliği etkilerini bütüncül biçimde ortaya koyarak spline mil üretiminde proses seçimine yönelik sistematik bir karar temeli sunmaktadır.

Keywords

• Spline mil
• Soğuk şekillendirme
• Boyutsal doğruluk
• Yüzey pürüzlülüğü
• Sertlik derinliği

Supporting Institution

TİRSAN KARDAN SAN. VE TİC. A.Ş.

Thanks

Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen sertlik taraması, yüzey pürüzlülüğü, pimler arası ölçüm ile diş profili ve helis sapması ölçümleri (Fα, Fβ) başta olmak üzere tüm teknik ölçümlerde sağladıkları destek için Tirsan Kardan A.Ş. Kalite Laboratuvarı’na ve katkı sunan tüm çalışanlara teşekkür ederiz.

References

1. References
2. Ben, N.Y., Zhang, Q., Zhang, D.W., 2018. Improvement of Axial Forging Process for Spline Shaft by Die Design. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 99 (9-12), 2727-2741.
3. Cui, M., Zhao, S., Chen, C., Zhang, D., Li, Y., 2017a. Finite Element Modeling and Analysis for the Integration-Rolling-Extrusion Process of Spline Shaft. Advances in Mechanical Engineering, 9 (2).
4. Cui, M.C., Zhao, S.D., Chen, C., Zhang, D.W., Li, Y.Y., 2017b. Process Parameter Determination of the Axial-Pushed Incremental Rolling Process of Spline Shaft. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 90 (9-12), 3001-3011.
5. DIN Deutsches Institut für Normung e.V., 2006. DIN 5480-1:2006-03. Involute Splines Based on Reference Diameters – Part 1: General. Berlin: Beuth Verlag.
6. Ding, Z.H., Cui, F.K., Liu, Y.B., Li, Y., Xie, K.G., 2017. A Model of Surface Residual Stress Distribution of Cold Rolling Spline. Mathematical Problems in Engineering, 2017 (1), 2425645.
7. Kanani, J.B., Lalwani, D.I., 2021. An Experimental and FEA Investigation of Near-Net-Shape Cold Forging of Spur Gear. Materials Today: Proceedings, 44, 92-98.
8. Ku, T.W., 2018. A Study on Two-Stage Cold Forging for a Drive Shaft with Internal Spline and Spur Gear Geometries. Metals, 8 (11), 953.

9. Liu, Z., Song, J., Li, Y., Li, X., Wang, M., 2011. Process and Properties on the Precision Forming of Spline Cold Rolling. Advanced Materials Research, 154-155, 191-196.
10. Ma, Q., Zhang, X., 2023. Research on an Analytical Method for the Forming Force of External Spline Cold Roll-Beating. Strojniški Vestnik - Journal of Mechanical Engineering, 69 (9-10), 409-421.
11. Niu, T., Li, Y.T., Liu, Z.Q., Qi, H.P., 2018. Forming Mechanism of High-Speed Cold Roll Beating of Spline Tooth. Advances in Materials Science and Engineering, 2018 (1), 2892361.
12. Osakada, K., Wang, X., Hanami, S., 1997. Precision Forging of Spline by Flashless Die Forging with Axially Driven Die. CIRP Annals, 46 (1), 209-212.
13. Qu, B., Han, H., Liu, Z., Li, Z., 2022. Metal Flowing Mechanism of High-Speed Cold Roll Beating of Spline. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 119 (9-10), 6435-6450.
14. Seherr-Thoss, H.C., Schmelz, F., Aucktor, E., 2006. Universal Joints and Driveshafts: Analysis, Design, Applications. Berlin: Springer.
15. Song, J., Liu, Z., Li, Y., 2017. Cold Rolling Precision Forming of Shaft Parts: Theory and Technologies. Berlin Heidelberg: Springer.
16. Society of Automotive Engineers, 1979. Universal Joint and Driveshaft Design. Society of Automotive Engineers, Inc.