楔横轧技术的发展与展望

楔横轧技术的发展与展望1.楔横轧技术的发展历史1.1楔横轧的工作原理及特点用两个装在同向旋转的轧辊上的楔形模具，在楔形模具的楔形凸起的作用下带动轧件旋转，并使毛坯产生连续局部小变形，最终轧制成楔形孔型的各种台阶轴。楔横轧的变形主要是径向压缩，轴向延伸。图1楔横轧原理图2楔横轧方式楔横轧工艺特点:1)具有高的生产效率:生产效率可达10件/分钟；2)材料利用率高:材料利用率可达90%以上；3）模具寿命高:模具寿命是模锻工艺模具寿命的10倍以上；4）产品质量好:产品精度可达钢质模锻件国家标准中的精密级，直径方向可达±0.3mm长度方向±0.5mm。1.2楔横轧零件的应用楔横轧工艺主要适用于带旋转体的轴类零件的生产，如汽车、拖拉机、摩托车、内烧机等变速箱中的各种齿轮轴、发动机中的凸轮轴、球头销等。它不仅可以代替粗车工艺来生产各种轴类另件、而且亦可以为各种模锻零件提供精密的模锻毛坯。一般一种产品的经济规模批量应达到年产7万件以上.。图3.楔横轧轧件1.3发展历程早在十九世纪，人们就开始探讨用楔横轧的方法生产轴类零件，但是由于当时技术的限制一直使此项工艺未能用于生产。直到上世纪六十年代，随着捷克斯洛伐克在莱比锡国际博览会上的展出，才引起了世界各国科学工作者的广泛重视，从而使楔横轧技术成为世界上众所周知的轴类零件加工新工艺。之后，英德日本以及前苏联等国相继对此技术进行开发研究，不仅从其变形机理，而且在工艺参数、装备上也进行了广泛的实验研究，取得了一定的成果，并不断运用于工业生产之中。目前，国外用楔横轧工艺生产的轴类另件己达百种，其工艺装备也得到了长足发展我国从1963年起，国内几所大学及科研院所就开始进行了这方面的探讨与试验工作，直到上世纪七十年代初才获得了汽车球头销的楔横轧工艺的初步成功。到八十年代未九十年代初，象木凿、五金扳手毛坯等较简单零件才逐步用于工业生产。随着对楔横轧技术的不断深入研究、使此项技术得到了不断发展，从而也使其越来越得到了工业企业的广泛重视。目前，国内至少建立了几十条楔横轧生产线，用此工艺生产的零件也有近百种，如汽车齿轮箱中的一轴、二轴、中间轴，发动机中的凸轮轴等零件以及为连杆、汽车半轴提供精密锻坯等。2.楔横轧设备的种类及结构特点2.1楔横轧设备的种类目前，国内外有近十几种规格型号的楔横轧设备，但其基本类型如图所示.。弧形式楔横轧机部件双辊式楔横轧机板式楔横轧机图4楔横轧机基本类型2.1.1弧形式楔横轧机弧形式楔横轧机主要特点是结构简单、重量轻、造价低，只需驱动一个轧辊，而不需分速机构以及万向联轴器、相位调整机构等。但是由于该机构具有无法加导向板、工艺调整困难、不易稳定致使产品精度难以控制以及一支内弧形的楔形模具不易加工制造等严重缺点，因此此种类型轧机应用较少。2.1.2双辊式楔横轧机双辊式楔横轧机由于具有生产效率高、调整方便、工艺稳定以及模具加工制造相对容易等特点，是应用最为广泛的楔横轧机。此种轧机国外以捷克ＵＬ型和前苏联ＪＩ型为典型代表。2.1.3板式楔横轧机板式楔横轧机是依靠两个装有楔形模具的轧板做往复相向运动从而使轧件轧制成形的一种轧机，这种轧机其突出特点是模具制造容易。其驱动方式多为液压传动，因此具有结构简单、造价低。2.2双辊式楔横轧设备2.2.1前苏联ＪＩ型ＪＩ型为分体式楔横轧机，机架为开式，机架盖靠拉杆及斜楔与机架连接，减速机靠万向联轴器与主机连在一起，因此占地面积大，无制动器离合器。它主要用于轧制大中型轴类另件。图5ＪＩ型楔横轧机表1ＪＩ型楔横轧机主要参数[1]规格参数JI-650JI-800JI-1000轧辊直径/ｍｍ6508001000轧辊长度/mm600750750轧件最大直径/mm5080100轧件最大长度/mm550700700轧辊转速/r.min-118.50~2314电机功率/kW5580100轧机重量/ｔ152532外形尺寸（长X宽X高）/m3.5X1.8X2.44.9X3.0X3.47.0X3.0X3.42.2.2捷克ＵＬ型轧机主要特点是结构紧凑、占地面积小、带有离合器和制动器调整方便，便于与模锻成型配线使用。2.2.3型分体式双辊楔横轧机。这种轧机的工作机机构和传动机构是分开的，中间通过万向联轴器联结。没有安装离合器，因此机器只有连续运转模式，多进行正面上料；通过变频调速也可进行轴向送料。调整工作轧辊端部机构，可以方便的实现轴向和相位的调整。工作机构机身多为铸钢结构并加预应力安装，故机身刚度大，轧件尺寸精确，该机还据有结构简单、维护检修方便等优点。但由于结构分置、占地面积大，因而不太适合与模锻生产线配套使用。该种轧机在我国应用普遍，其主要用于生产各种汽车台阶轴等。图6ＵＬＳ100型双辊楔横轧机表2ＵＬ型楔横轧机主要参数[1]规格参数ＵＬ35ＵＬＳ100ＵＬＤ55轧辊直径/ｍｍ6001000600轧辊长度/mm400800500轧件最大直径/mm4010055轧件最大长度/mm320750450轧辊转速/r.min-110~150~98~6电机功率/kW40/6015855轧机重量/ｔ9.445外形尺寸（长X宽X高）/m6.5X1.5X3.26.4X3.3X3.82.95X1.69X2.86图7Ｈ型分体两辊式楔横轧机表3Ｈ型轧机的主要技术参数[5]规格参数H500H630H800H1000H1200轧辊中心距/mm520660800-850980~10601160~1250轧辊直径/ｍｍ500630/70080010001200轧辊长度/mm4505007008001200轧件最大直径/mm3030/5080100120轧件最大长度/mm4004506008001000轧辊转速r.min-112/158/126/966轧辊相位角调整量/°±3±3±3±3±3电机功率/kW30406095150轧机重量/ｔ693448752.2.4D46系列整体两辊式楔横轧机D46系列轧机的工作机构与传动机构合为一体。因此具有结构紧凑、外形美观占地面积小等特点。由于装有制动器和离合器，可实现连续、半自动单次及调整等工作模式；通过上置式蜗轮蜗杆机构，上轧辊可实现上下直线移动以调节轧辊间距。下轧辊通过齿轮箱中的相位调整机构可实现旋转运动以调整模具的相位；轧机据有的超负荷保护装置可实现机器的安全保护。该种轧机不仅可以轧制各种大中型轴类零件，而且还可以做为模锻生产线上的制坯设备，为模锻工序提供精确毛坯图8整体两辊式楔横轧机表4D46系列轧机的主要技术参数[5]规格参数D46-315D46-400D46-500D46-630D46-800D46-1000D46-1250轧辊中心距/mm31540050063080010001250轧辊直径/ｍｍ250320400500630780980轧辊长度/mm2503004005006508001200轧件最大直径/mm1525355080100130轧件最大长度/mm2302803504506007501100轧辊转r.min-112/1612/1610/1410/148/126/106/10轧辊中心距调整量/mm≥±8≥±10≥±12≥±15≥±20≥±25≥±30轧辊相位角调整量/°≥±3电机功率kW7.5~1515~2222~3030~4555~7575~110110~160图9D46整体两辊式楔横轧机2.3平板式楔横轧设备板式楔横轧机是依靠两个装有楔形模具的轧板做往复相向运动从而使轧件轧制成形的一种轧机，这种轧机其突出特点是模具制造容易。其驱动方式多为液压传动，因此具有结构简单、造价低图10德国立式板式楔横轧机图11白俄罗斯卧式板式楔横轧机•47系列平板式楔横轧机Ｄ47系列轧机是水平放置的，即在机架中装有上、下两个水平放置且工作面相向的平板轧板，由油缸和齿轮、齿条机构带动两个轧板作左右相向往复运动,其中一个方向的运动为工作行程，另一个为空行程。如图9所示。由于水平放置，可以不加导板，故适合轧制较细小轧件；模具由分段组合式平板轧模组成，故加工简单，可整体率火，模具寿命高。但由于该机为液压传动，带有较大的液压站，并和主机分开放置，故占地面积较大，并且有上下轧板间距调整较为困难，修模不方便等缺点。目前我国应用的平板轧机最大轧件直径不超过φ60。表5D47系列轧机的主要技术参数规格D47-25X300D47-32X350D47-50X450D47-63X550参数可轧坯料最大直径/mm25325063可轧工件最大长度/mm300350450550轧板工作部分宽度/mm350430600780轧板长度/mm1000125016002000轧板间距离/mm6080100130轧板间距调整量/mm15152025油缸行程/mm1060132016802140工作次数/r.min-1131186电机功率kW22302X22图12Ｄ47系列平板式楔横轧机3.楔横轧工艺参数及模具设计3.1楔横轧工艺的主要参数楔横轧变形是在模具压力作用下，从轧件与模具接触的表面开始的，随着压下量的增加，塑性变形不断向里渗透，直到内部也产生塑性变形。随着模具的旋转，这样的变形将在轧件的整个断面上连续。楔横轧变形在轴向方向随着楔形的展宽逐渐移动，轧件中部在楔入开始时为变形区，随后变形区一分为二，中间段变为已变形区，并逐渐扩大。图12轧制成行过程楔展角β:是指两个成形楔之间的夹角，通常用β表示4°≤β≤12°成形角α：是指成形面与基面之间的水平夹角,通常用α表示。15°≤α≤35°断面缩减率：式中，d0和d1分别为轧件原始直径与思后直径。一次轧制断面缩减率应小于75%。对于产品直径差较大，ψ＞75%时，应考虑分两次成形，这两次成形可在轧机旋转一周内同时完成。轧件旋转条件摩擦系数截齐曲线3.2楔横轧工艺主要产生的轧制缺陷轧件内部产生疏松与空洞(曼内斯满效应):这主要是由于轧制工艺的参数不合适,并且轧制过程中轧件内部的组织反复受交变应力的影响等引起这是轧件的最严重缺陷，是不允许的端头凹心轧件拉缩、拉细轧件表面产生螺旋痕3.3楔横轧模具的设计及加工3.3.1模具设计要点轴向力平衡模具作用到工件上的轴向力应平衡，确保工件不产生左右窜动。对称轧制可实现轴向力平衡。非对称工件尽量两件一同成形，可实现对称轧制并提高生产率。如无法实现对称轧制时应适当设计模具使轴向力接近平衡。满足旋转条件工件旋转是实现楔横轧的必要条件。影响工件旋转的有模具几何参数和模具与工件间的摩擦系数等因素。其中摩擦系数的影响最大。增大摩擦有利于工件旋转，模具成形面粗糙化是使工件旋转的最有效手段。不产生拉缩保证成形成过程中不因轴向力过大而使轧件出现拉缩，产生细颈。变形量过大，成形角α和楔展角β过大都使轴向力过大，易于产生拉缩现象。内部不产生疏松轧制时易出现的曼乃斯曼效应即产生疏松应予以重视。综合考虑工艺参数与变形参数的组合，可有效的防止出现疏松。3.3.2模具的加工模具的材料：5CrMnMo5CrNiMoZG55热处理要求：调质处理，硬度HRC30~36模具寿命：一次修模20万次，可修2~3次传统加工:普通车床:通过选择挂轮来获的所要求的螺距。数控车床:现代加工方法：二维设计→三维造型→生成加工代码→数控加工中心4.楔横轧技术的发展展望4.1工艺技术的发展4.4.1进一部研究轧件在轧制过程中的受力模型以及金属在轴向转移规律与工艺参数之间的关系，为多楔轧制以及偏心轧制提供理论依据。4.4.2楔横轧模具设计的CAD技术的应用利用开发的楔横轧模具设计的CAD软件,不仅使模具的设计变的简单，而且还可获的三维图形，生成加工代码，可直接输入到数控加工中心，进行模具的加工，这样可极大的提高设计和加工效率。图13楔横轧二维模具工程图图14楔横轧三维模具图4.4.3楔横轧工艺数值模拟与物理模拟利用有限元技术，对楔横轧工艺可进行数值模拟以得到轧件内部的应力应变场信息，不同工艺参数对应力应变场的影响。这对于认识楔横轧工艺过程中材料的流动规律，优化模具参数设计提供了理论依据和设计指导。图15楔横轧成型过程模拟图4.2设备的发展4.4.1设计新机器结构，满足