专利名称：一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置及方法
技术领域：
本发明属于金属材料表面处理领域，具体涉及一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置及方法。
背景技术：
金属材料表面的微观结构对于零件的工作性质具有重要的影响。微观结构所在基体结构主要有平面立体和曲面立体等。对于平面上的微观结构的加工相对较为成熟，而对于回转体上的微观结构的加工相对比较困难。微观结构如槽的成形方法主要有机加工、材料成形等工艺。对于轴上规则分布的微观结构如液体轴承(需要在轴的表面形成5 20微米深的槽)的成型主要依赖于微细机加工等方法。但是，精细微加工方法成形周期长，力口工成本高。对于大批量工件加工，材料成型方法具有成形效率高，但是成形的精度较低的特点。针对不同的成形形状，材料成形工艺主要有旋压、劈切、压印等方法。一般而言，材料成形工艺是一种材料坯料的成形方法，属于粗加工的范畴。压印是一种典型的金属材料成形工艺，在材料成形中具有重要的地位。但是，压印工艺在轴的微型槽的加工方面的应用却鲜有相关报道。
发明内容
本发明一个目 的是针对现有技术的不足，提出了一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下:
一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置，包括两个结构相同的轧辊装置；所述的轧辊装置包括轧辊轴和环形轧辊，环形轧辊套置在轧辊轴上，并与轧辊轴固定连接，环形轧辊的两端分别设置有滚子轴承，滚子轴承通过轴承座固定在机架上，机架与电机驱动的机械手连接，电机通过机械手控制机架沿工件轴推进方向直线往复移动；轧辊轴穿过滚子轴承设置，轧辊轴的一端设置有压盖，另一端固定设置有电机驱动的机械手上的一个齿轮，两个轧辊轴通过机械手的齿轮组实现轧辊轴相对转动，进而带动两个环形轧辊相对转动；两个轧辊装置的环形轧辊上下对称设置，且位于同一平面。所述的环形轧辊为圆柱形，环形轧辊的外侧壁上沿圆周开有凹槽，所述的凹槽的截面为半圆形，凹槽内的圆弧面上设置有多个凸起；两个轧辊装置的环形轧辊的凹槽相对，形成圆孔；
圆环的凹槽从起始工作部位展开成水平直线的凹槽，且将凹槽的圆弧面展开成平面后，多个凸起在该平面上成矩阵排列，横向相邻的凸起间的距离相同，纵向相邻的凸起间的距离相同；所述的所有凸起的横截面尺寸相同，位于凸起矩阵同一纵向序列的凸起高度相同；位于横向序列的凸起分为成形段和整形段，所述的成形段从第一个凸起开始，成形段的凸起高度逐个递增，成形段凸起上底面的中心连线与水平线成a角为2° 5。，整形段从成形段最高凸起的下一个凸起开始，整形段的所有凸起高度与成形段最高凸起的高度相同；成形段的长度为成形段和整形段总长度的70 80 % ;相邻横向序列凸起的距离与工件轴的相邻微型槽距离相同。本发明的另一个目的是提供了利用该轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置进行压印形成槽的方法。电机驱动提供动力，电机的正反转驱动机械手拉动机架，使机架进行直线往复进给运动，同时电机驱动机械手的齿轮组带动轧辊轴旋转，进而带动环形轧辊旋转，实现环形轧辊在工件轴轴向直线往复运动和环形轧辊自身旋转。步骤(I).工件轴上的微型槽压印成形过程。固定装置固定工件轴，使工件轴的一端置于环形轧辊的起始工作部位，第一次压印时，在固定装置的作用下推进工件轴沿轴向间歇进给一个进给距离，同时电机正转使上方环形轧辊正转、下方环形轧辊反转，且两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的推进轴向方向平移，工件轴高度最低的凸起在工件轴上压印第一微型槽的雏形，然后电机反转使上方环形轧辊反转、下方的环形轧辊正转，两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的轴向推进反向平移，两个环形轧辊退回至起始工作部位；第二次压印时，工件轴在固定装置的作用下推进工件轴沿轴向间歇进给一个进给距离，同时电机正转使上方环形轧辊正转、下方环形轧辊反转，且两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的推进轴向方向平移，第一微型槽参与压印成形，然后电机反转使上方环形轧辊反转、下方环形轧辊正转，且两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的轴向推进反向平移，高度最低的凸起在工件轴上压印第二微型槽的雏形，且两个环形轧辊退回至起始工作部位；在电机正反转的作用下使两个环形轧辊旋转并沿工件轴轴向直线往复运动，同时工件轴在固定装置的作用下沿轴向推进方向间歇进给，工件轴表面微型槽逐个参与压印成形过程，直至完成工件轴上最后的微型槽压印雏形。微型槽压印成形过程中所述的两个环形轧辊沿工件轴轴向直线往复运动具体是:若已压印成形的全部微 型槽轴向总距离小于等于环形轧辊的圆周长，则两个环形轧辊在电机正反转的作用下始终在起始工 作位置与第一微型槽位置沿工件轴轴向直线往复运动；若已压印成形的全部微型槽轴向总距离大于环形轧辊的圆周长，则环形轧辊在电机正反转的作用下始终沿工件轴轴向推进方向旋转一周后退回至起始工作位置。步骤(2).工件轴上的微型槽压印整形过程。工件轴上的微型槽完成压印成形过程后，工件轴重复多次进行整形过程，直至环形轧辊旋转一周后无法到达工件轴上最后的微型槽位置，则微型槽压印整形过程结束，形成压印完全的工件轴；
所述的整形过程为工件轴在固定装置的作用下推进工件轴轴向间歇进给一个进给距离，同时上方环形轧辊正转、下方环形轧辊反转，且环形轧辊在电机和机架的作用下并沿工件轴的轴线推进方向平移，工件轴上微型槽参与压印整形，直至环形轧辊旋转一周，然后上方环形轧辊反转、下方环形轧辊正转，且环形轧辊在电机和机架的作用下并沿工件轴的轴向推进反向平移，环形轧辊回归起始工作位置。所述的起始工作位置为环形轧辊上没有凸起且机架位于起始位置。所述的进给距离为工件轴表面轴向相邻微型槽的距离。所述的环形轧辊的圆周长度小于等于工件轴轴长，环形轧辊的线速度与工件轴的推进进给速度相同，且两个环形轧辊在相对点Q的凸起高度相同。本发明提出的轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置及方法与传统的成形工艺比较所具有的优点如下:
(I)工作载荷小。滚动棍压的方法，属于一种局部成形工艺，工作载荷仅为整体的成形工艺如模锻、挤压工艺的几分之一。此外，成形时，沿工件轴向方向，环形轧辊的凸起高度逐渐接近工件微型槽的高度，使工件轴表面微型槽逐步成形，属于步进成形方法，从而可以进一步降低成形力。(2)生产效率高。工件轴的成形过程取决于轧辊轴的旋转速度和工件轴的进给速度，轧辊轴旋转速度频率越高，工件轴进给速度越快，生产效率越高。设计环形轧辊时，将整个成形过程分为成形和整形两个阶段，这样既可以保证成形效率，又可以大幅提高成形质量。(3)成形质量高。传统的微成形挤压工艺，成形时，材料向周边流动，容易造成微型槽几何形状失真。另外微挤压成形时的材料弹性回复，容易使微型槽的形状不完整。而本发明的步进滚动辊压压印成形过程是一种步进成形工艺，单步变形小，同时环形轧辊设计成为成形和整形两个部分，微型槽在后续的整形过程中，形状精度可以得到大幅提高。本发明与传统的机械加工工艺相比，成形效率大幅提高，加工成本大幅下降，并且由于采用了渐进成形的模具设计，所以成形质量得到较好的保证。
图1为本发明中两个轧辊装置的结构示意 图2为本发明工作状态结构示意 图3为环形轧辊的AA剖面结构 图4(a)为水平展开后凸起的结构示意 图4(b)为水平展开后横向序列凸起的结构示意 图5为工件轴压印完成后的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步的分析。如图1所示，一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置，包括两个结构相同的轧辊装置；所述的轧辊装置包括轧辊轴I和环形轧辊2，环形轧辊2套置在轧辊轴I上，并与轧辊轴I固定连接，环形轧辊2的两端分别设置有滚子轴承3，滚子轴承3通过轴承座4固定在机架上，机架与电机驱动的机械手连接，电机通过机械手控制机架沿工件轴推进方向直线往复移动；轧辊轴I穿过滚子轴承3设置，轧辊轴I的一端设置有压盖5，另一端固定设置有电机的电机驱动的机械手上一个齿轮6，两个轧辊轴通过机械手的齿轮组实现轧辊轴I相对转动，进而带动两个环形轧辊2相对转动；两个轧辊装置的环形轧辊2上下对称设置，且位于同一平面。如图3所示，所述的环形轧辊2为圆柱形，环形轧辊2的外侧壁上沿圆周开有凹槽2-1，所述的凹槽2-1的截面为半圆形，凹槽2-1内的圆弧面上设置有多个凸起2-2 ;两个轧辊装置的环形轧辊2的凹槽2-1相对，形成圆孔；如图4(a) ,4(b)所示，圆环的凹槽2-1从起始工作部位展开成水平直线的凹槽2-1，且将凹槽2-1的圆弧面展开成平面后，多个凸起2-2在该平面上成矩阵排列，横向相邻的凸起2-2间的距离相同，纵向相邻的凸起2-2间的距离相同；所述的所有凸起2-2的横截面尺寸相同，位于凸起2-2矩阵同一纵向序列的凸起2-2高度相同；位于横向序列的凸起2-2分为成形段a和整形段b，所述的成形段a从第一个凸起2-2开始，成形段a的凸起2_2高度逐个递增，成形段a凸起2-2上底面的中心连线与水平线成a角为2° 5。，整形段b从成形段a最高凸起2-2的下一个凸起2-2开始，整形段b的所有凸起2-2高度与成形段a最高凸起2-2的高度相同；成形段a的长度为成形段a和整形段b总长度的70 80 % ;相邻横向序列凸起2-2的距离与工件轴7的相邻微型槽距离相同。如图2、图5所示，利用本发明装置进行压印形成槽的方法是:
电机驱动提供动力，电机的正反转驱动机械手拉动机架，使机架进行直线往复进给运动，同时电机驱动机械手的齿轮组带动轧辊轴旋转，进而带动环形轧辊2旋转，实现环形轧辊2在工件轴7轴向直线往复运动和环形轧辊2自身旋转。步骤⑴.工件轴7上的微型槽压印成形过程。固定装置固定工件轴7，使工件轴7的一端置于环形轧辊2的起始工作部位，第一次压印时，在固定装置的作用下推进工件轴7沿轴向间歇进给一个进给距离，同时电机正转使上方环 形轧辊2正转、下方环形轧辊2反转，且环形轧辊2在电机和机架的作用下沿工件轴的推进轴向方向平移，工件轴高度最低的凸起2-2在工件轴7上压印第一微型槽的雏形，然后电机反转使上方环形轧辊2反转、下方的环形轧辊2正转，环形轧辊2在电机和机架的作用下沿工件轴7的轴向推进反向平移，环形轧辊2退回至起始工作部位；第二次压印时，工件轴在固定装置的作用下推进工件轴沿轴向间歇进给一个进给距离，同时电机正转使上方环形轧辊2正转、下方环形轧辊2反转，且环形轧辊2在电机和机架的作用下沿工件轴的推进轴向方向平移，第一微型槽参与压印成形，然后电机反转使上方环形轧辊2反转、下方的环形轧辊2正转，且环形轧辊2在电机和机架的作用下沿工件轴7的轴向推进反向平移，高度最低的凸起2-2在工件轴上压印第二微型槽的雏形，且环形轧辊2退回至起始工作部位；在电机正反转的作用下使环形轧辊2旋转并沿工件轴轴向直线往复运动，同时工件轴在固定装置的作用下沿轴向推进方向间歇进给，工件轴表面微型槽逐个参与压印成形过程，直至完成工件轴上最后的微型槽压印雏形。微型槽压印成形过程中所述的环形轧辊2沿工件轴轴向直线往复运动具体是:若已压印成形的全部微型槽轴向总距离小于等于环形轧辊2的圆周长，则环形轧辊2在电机正反转的作用下始终在起始工作位置与第一微型槽位置沿工件轴轴向直线往复运动；若已压印成形的全部微型槽轴向总距离大于环形轧辊2的圆周长，则环形轧辊2在电机正反转的作用下始终沿工件轴轴向推进方向旋转一周后退回至起始工作位置。步骤(2).工件轴上的微型槽压印整形过程。工件轴上的微型槽完成压印成形过程后，工件轴重复多次进行整形过程，直至环形轧辊2旋转一周后无法到达工件轴7上最后的微型槽位置，则微型槽压印整形过程结束，形成压印完全的工件轴7 ；
所述的整形过程为工件轴7在固定装置的作用下推进工件轴7轴向间歇进给一个进给距离，同时上方环形轧辊3正转、下方环形轧辊2反转，且环形轧辊2在电机和机架的作用下并沿工件轴7的轴线推进方向平移，工件轴7上微型槽参与压印整形，直至环形轧辊2旋转一周，然后上方环形轧辊2反转、下方环形轧辊2正转，且环形轧辊2在电机和机架的作用下并沿工件轴7的轴向推进反向平移，环形轧辊2回归起始工作位置。所述的起始工作位置为环形轧棍2上没有凸起2-2且机架位于起始位置。所述的进给距离为工件轴7表面轴向相邻微型槽的距离。所述的环形轧辊3的圆周长度小于等于工件轴7轴长，环形轧辊2的线速度与工件轴7的推进进给速 度相同，且两个环形轧辊2在相对点Q的凸起2-1高度相同。
权利要求
1.一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置，包括两个结构相同的轧辊装置，其特征在于所述的轧辊装置包括轧辊轴和环形轧辊，环形轧辊套置在轧辊轴上，并与轧辊轴固定连接，环形轧辊的两端分别设置有滚子轴承，滚子轴承通过轴承座固定在机架上，机架与电机驱动的机械手连接，电机通过机械手控制机架沿工件轴推进方向直线往复移动；轧辊轴穿过滚子轴承设置，轧辊轴的一端设置有压盖，另一端固定设置有电机驱动的机械手上的一个齿轮，两个轧辊轴通过机械手的齿轮组实现轧辊轴相对转动，进而带动两个环形轧辊相对转动；两个轧辊装置的环形轧辊上下对称设置，且位于同一平面。
2.如权利要求1所述的一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置，其特征在于环形轧辊为圆柱形，环形轧辊的外侧壁上沿圆周开有凹槽，所述的凹槽的截面为半圆形，凹槽内的圆弧面上设置有多个凸起；两个轧辊装置的环形轧辊的凹槽相对，形成圆孔； 圆环的凹槽从起始工作部位展开成水平直线的凹槽，且将凹槽的圆弧面展开成平面后，多个凸起在该平面上成矩阵排列，横向相邻的凸起间的距离相同，纵向相邻的凸起间的距离相同；所述的所有凸起的横截面尺寸相同，位于凸起矩阵同一纵向序列的凸起高度相同；位于横向序列的凸起分为成形段和整形段，所述的成形段从第一个凸起开始，成形段的凸起高度逐个递增，成形段凸起上底面的中心连线与水平线成a角为2° 5°，整形段从成形段最高凸起的下一个凸起开始，整形段的所有凸起高度与成形段最高凸起的高度相同；成形段的长度为成形段和整形段总长度的70 80 % ;相邻横向序列凸起的距离与工件轴的相邻微型槽距离相同。
3.利用权利要求1所述的一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置进行压印形成槽的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 电机驱动提供动力，电机的正反转驱动机械手拉动机架，使机架进行直线往复进给运动，同时电机驱动机械手的齿轮组带动轧辊轴旋转，进而带动环形轧辊旋转，实现环形轧辊在工件轴轴向直线往复运动和环形轧辊自身旋转； 步骤(1).工件轴上的微型槽压印成形过程； 固定装置固定工件轴，使工件轴的一端置于环形轧辊的起始工作部位，第一次压印时，在固定装置的作用下推进工件轴沿轴向间歇进给一个进给距离，同时电机正转使上方环形轧辊正转、下方环形轧辊反转，且两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的推进轴向方向平移，工件轴高度最低的凸起在工件轴上压印第一微型槽的雏形，然后电机反转使上方环形轧辊反转、下方的环形轧辊正转，两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的轴向推进反向平移，两个环形轧辊退回至起始工作部位；第二次压印时，工件轴在固定装置的作用下推进工件轴沿轴向间歇进给一个进给距离，同时电机正转使上方环形轧辊正转、下方环形轧辊反转，且两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的推进轴向方向平移，第一微型槽参与压印成形，然后电机反转使上方环形轧辊反转、下方环形轧辊正转，且两个环形轧辊在电机和机架的作用下沿工件轴的轴向推进反向平移，高度最低的凸起在工件轴上压印第二微型槽的雏形，且两个环形轧辊退回至起始工作部位；在电机正反转的作用下使两个环形轧辊旋转并沿工件轴轴向直线往复运动，同时工件轴在固定装置的作用下沿轴向推进方向间歇进给，工件轴表面微型槽逐个参与压印成形过程，直至完成工件轴上最后的微型槽压印雏形； 微型槽压印成形过程中所述的两个环形轧辊沿工件轴轴向直线往复运动具体是:若已压印成形的全部微型槽轴向总距离小于等于环形轧辊的圆周长，则两个环形轧辊在电机正反转的作用下始终在起始工作位置与第一微型槽位置沿工件轴轴向直线往复运动；若已压印成形的全部微型槽轴向总距离大于环形轧辊的圆周长，则环形轧辊在电机正反转的作用下始终沿工件轴轴向推进方向旋转一周后退回至起始工作位置； 步骤(2).工件轴上的微型槽压印整形过程； 工件轴上的微型槽完成压印成形过程后，工件轴重复多次进行整形过程，直至环形轧辊旋转一周后无法到达工件轴上最后的微型槽位置，则微型槽压印整形过程结束，形成压印完全的工件轴； 所述的整形过程为工件轴在固定装置的作用下推进工件轴轴向间歇进给一个进给距离，同时上方环形轧辊正转、下方环形轧辊反转，且环形轧辊在电机和机架的作用下并沿工件轴的轴线推进方向平移，工件轴上微型槽参与压印整形，直至环形轧辊旋转一周，然后上方环形轧辊反转、下方环形轧辊正转，且环形轧辊在电机和机架的作用下并沿工件轴的轴向推进反向平移，环形轧辊回归起始工作位置。
4.如权利要求3所述的利用轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置进行压印形成槽的方法，其特征在于步骤(I)所述的两个环形轧辊沿工件轴轴向直线往复运动具体是:若已压印成形的全部微型槽轴向总距离小于等于环形轧辊的圆周长，则两个环形轧辊在电机正反转的作用下始终在起始工作位置与第一微型槽位置沿工件轴轴向直线往复运动；若已压印成形的全部微型槽轴向总距离大于环形轧辊的圆周长，则环形轧辊在电机正反转的作用下始终沿工件轴轴向推进方向旋转一周后退回至起始工作位置。
5.如权利要求3所述的利用轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置进行压印形成槽的方法，其特征在于所述的起始工作位置为环形轧辊上没有凸起且机架位于起始位置。
6.如权利要求3所述的利用轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置进行压印形成槽的方法，其特征在于所述 的进给距离为工件轴表面轴向相邻微型槽的距离。
7.如权利要求3所述的利用轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置进行压印形成槽的方法，其特征在于所述的环形轧辊的圆周长度小于等于工件轴轴长，环形轧辊的线速度与工件轴的推进进给速度相同，且两个环形轧辊在相对点Q的凸起高度相同。
全文摘要
本发明公开一种轴上微型槽的步进滚动辊压压印成形装置及方法。现有槽成形方法成形精度低、成本高、加工效率低。该装置包括两个结构相同的轧辊装置；轧辊装置包括轧辊轴和环形轧辊，环形轧辊的两端分别设有滚子轴承，滚子轴承通过轴承座固定在机架，机架与机械手连接；轧辊轴一端设有压盖，另一端固定设有机械臂的一个齿轮。该方法是电机的正反转驱动机械臂拉动机架，使得机架进行直线往复运动，同时机械臂的齿轮组带动环形轧辊旋转，实现环形轧辊在工件轴轴向直线往复运动和环形轧辊自身旋转，使环形轧辊在工件轴上进行微型槽压印成形、整形过程。本发明工作载荷小，成形效率大幅提高，加工成本大幅下降，且渐进成形的模具设计使成形质量高。
文档编号B21H7/18GK103230994SQ20131014454
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月23日 优先权日2013年4月23日
发明者吴欣, 李红霞 申请人:杭州电子科技大学