专利名称：异型线材的成型方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及适用于发动机用活塞环的异型线材，特别是关于用于油环的近似H型异型线材的成型方法及装置。
背景技术：
随着发动机向高转速、高输出方向的发展，高负荷的活塞环也由原来的铸铁材料改为使用钢材材料，进而又使用高合金不锈钢等特殊钢。特别是在如图7所示的例子中的，使用具有近似H型截面等复杂异型截面的油环，而且具有严格的尺寸精度要求。
现在，这样的具有异型截面的活塞环的成型，大多数是在将圆线成型为矩形线之后，由图9所示的具有4方轧辊7、7′的非驱动4方轧辊特克头(Turks Head)4做前后直排配置，经拉拔进行成型。而且，是经过3～5次的多次重复操作，而达到所设定的形状。在这种情况下，如果使用特殊钢作为活塞环材料，则必须在成型加工的过程中进行多次消除应变的退火。特别是在高合金钢异型截面的情况下，拉拔成型的次数与中间退火的次数增多，会引起成本的上升。
所以，为了降低成本，有提高一次加工的断面收缩率、减少拉拔成型的次数、减少中间退火的次数的要求。然而，在所述非驱动特克头的成型中，由于通常是由绞盘(capstan)等的拉拔力而进行的拉拔，所以要提高特克头的断面收缩率就需要大的拉拔力。这样，由于施加在线材上的力增大，使线材发生延伸，就会发生如图3所示的，在对具有圆拱(web)8与边缘(flange)9的异型截面的材料进行成型的情况下，线材仅向长度方向延伸，边缘9部就不能充分填充在轧辊孔型内。因此，在由所述传统的特克头轧辊对异型线材进行成型时，为了提高填充率，就必须减小断面收缩率以减小对线材的张力，所以就不能减少成型的次数。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种使填充率提高、中间退火次数减少、使用少的成型设备、能够高效率、高精度地对异型线材进行成型的成型方法与装置。特别是，本发明适用于具有复杂截面形状的高合金钢的异型活塞环材的成型，但并不限于活塞环，可以适用于广泛的异型材料的成型。
而且，这里所说的异型材料，除了单纯的角、矩形、圆、椭圆等截面形状外，还可以是H、I、L、M、T、U、V、X型等复杂截面形状的线材。所述图7中所示的近似H型截面形状的活塞环是其中的一个例子。
为了减少成型加工的次数，必须提高成型中一次的断面收缩率。然而，如前所述，由于现行的特克头轧辊，是由没有驱动装置的非驱动，靠绞盘的拉拔力对进行的拉拔，使得轧辊转动而进行的拉拔成型，所以拉拔成型时作用到线材上的拉拔力就很大，线材向长度方向延伸，难以填充满轧辊孔型的截面。而且，断面收缩率增大时，由于张力的作用，材料会沿长度方向延伸，如果超过了材料的加工极限，表面可能会发生裂纹，进而可能产生破断。
所以，如果仅靠随意增加特克头的台(stand)数，则由于张力的增大，会增加线材破断的危险性。所以在已有的传统方法中，在对如所述图3中所示的异型线材进行成型时，必须将拉拔次数分为3～5次进行成型，且在拉拔的中间还需要进行消除应变的退火。此外，在已有的非驱动特克头的成型中，由于边缘部的填充率低，所以必须使用大尺寸的原材料，这又引起全体加工率的上升以及中间消除应变退火次数的增加。
所以本发明者以提高孔型的填充率及减少成型的次数为目标，进行了多次的实验，得出了以下的结果。
①由设计特克头的驱动轧辊的方式，实现对线材不施加张力的成型，能够使近似H型异型材的边缘部的填充率提高，成型的次数减少。
②靠增大特克头轧辊的直径，可以提高边缘部的填充率。
③另一方面，有非驱动特克头容易得到尺寸精度的情况。
④必须考虑其它附带因素，例如为适应于小批量多品种生产的良好程序步骤性、易于确保孔型的高自由度与刚性等。
所以，为了达到基于上述见解的目的，本发明中异型线材的成型方法与装置具有以下特征，把由非驱动前段4方轧辊特克头与动力驱动的后段4方轧辊特克头组合而成的成型单元，以一个单元或多个单元呈前后直排配置而使用。
也就是说，成型单元由前段的非驱动特克头与后段的动力驱动特克头组合而成，由后段的动力驱动特克头给予前段的非驱动特克头所需要的拉拔力，由尺寸精度良好的非驱动特克头与对成型材不施加张力的动力驱动特克头的特性组合而构成成型单元。换言之，在由前段的非驱动特克头维持尺寸精度的同时，由后段的动力驱动特克头提高孔型的填充率，从而增加一次成型的断面收缩率，减少成型的次数。
由本发明的成型单元的一个或多个呈前后直排配置，对所述形状的活塞环能够经1～2次的加工而成型。这样，与传统的3～5次分别成型，中间又需要消除应变的退火的工序相比，仅需1～2次成型，且又能够省去中间的退火工序，所以可大幅度提高效率、降低成本。
还有，这里所说的成型单元，并不是仅仅意味着非驱动前段特克头与动力驱动的后段特克头形成一体的结构，二者也可以独立，但需要功能上的组合。而且，对于后段动力驱动特克头的一台，并不仅限于一台前段非驱动特克头，也包含由多个前段非驱动特克头组合而成的结构的情况。
所述动力驱动的4方轧辊特克头的成型轧辊，希望能够由纵横中的一个强加工侧的一对轧辊的2轴所驱动。这里所谓强加工侧的轧辊，在所述近似H型截面成型的情况下，是指不在侧面的平面侧，实行对设置边缘孔型的大的成型加工一侧的轧辊。由此，在提高所述填充率的同时，还可以由准备程序步骤等处置，达到简易结构的目的。
所述成型单元的至少驱动特克头的成型轧辊，希望是具有比被成型材料的厚度大70倍以上直径的大径轧辊。如前所述，本发明者从实验得出了轧辊直径大时能够提高填充率的结论。但在传统的非驱动特克头中，由于轧辊直径增大时需要大的拉拔力，所以使用直径仅为被成型材料厚度50倍的轧辊。而本发明使用比被成型材料的厚度大70倍以上直径的大径轧辊，所以能够提高孔型的填充率。而且，也可以在提高孔型的填充率的基础上，仅将强加工侧的成型轧辊的口径增大。
还有，虽然也希望非驱动特克头的成型轧辊的口径增大，以提高孔型的填充率，但是必须考虑与设备费用的平衡等问题。
而且，在所述成型单元或多个成型单元列的后方，希望能够前后直排地配置有精轧辊列的非驱动4方轧辊特克头。还有，希望精轧辊列的特克头的断面收缩率为10％以下，进而希望在3％以下。这样，由成型单元的大的断面收缩率而成型的线材的精度，可以由精轧辊列的特克头而提高。该精轧辊列的特克头由一个或多个所构成。
而且，希望控制所述成型单元的非驱动特克头与动力驱动特克头之间对被成型材料的张力在300N以下，所述多个成型单元之间以及成型单元与精轧辊列特克头之间对被成型材料的张力为50～200N而进行线材的成型。
如前所述，由于在给予成型材料的张力增大时，使轧辊的填充率降低，从而必须增大原材料的尺寸，所以必须对张力进行控制。本发明的成型单元，是由后段驱动特克头给予被成型材料以拉拔力，在由动力驱动特克头所产生的拉拔力过大时，会产生轧辊的滑动。所以，希望前段的非驱动特克头与后段的动力驱动特克头之间对被成型材料的张力在300N以下。该张力可由孔型设计与后段的动力驱动特克头的旋转数控制所进行。
另一方面，虽然成型单元之间以及成型单元与精轧辊列特克头之间的张力也可以为零，但为了提高成型材料的伸直度而进行成型，希望张力为50～200N。
希望在所述多个成型单元之间以及成型单元与精轧辊列特克头之间设置对被成型材料的张力进行控制的控制手段，以简易地确保所规定的张力。
而且，在近似H型异型线材的成型中，希望圆拱的压下率，在非驱动特克头的轧辊孔型中为10～50％，在动力驱动特克头的轧辊孔型中为20～60％。这里所谓近似H型，是指例如在图3中所示的具有圆拱8与边缘9的截面形状。圆拱的压下率是指，设压延前的圆拱尺寸为T1，压延后的尺寸为T2，则压下率％＝[(T1-T2)/]T1×100。非驱动特克头的压下率小于10％时，使成型的次数增加，而当驱动特克头的压下率大于60％时，轧辊的强度不足，有破损的危险。
所述本发明的异型线材的制造方法及装置，可以广泛适用于复杂截面形状的异型线材的成型，特别是适用于活塞环材料的成型。
图1是表示本发明中异型线材的成型装置全体结构图。
图2是表示本发明成型实验的特克头轧辊的配置图。
图3是表示本发明的成型实验的最终成型形状的图。
图4是表示本发明的成型实验的成型工序的图。
图5是表示本发明的成型实验的实验结果数据的表。
图6是总结本发明的成型实验的实验结果的图。
图7是表示油环形状一例的图。
图8是表示由本发明的异型线材的成型装置所批量生产的成品的截面形状的图。
图9是表示非驱动特克头的立体图。
图中1-活塞环、2-线圈扩展器(coil expander)、4-特克头(TurksHead)、7，7′-轧辊、8-圆拱(web)、9-边缘、11-卷出机、15-成型单元、16-前段非驱动特克头、17-后段动力驱动特克头、21-精轧辊列非驱动特克头、23-绞盘(capstan)、24-卷取机、25-浮动(dancer)轧辊(储线机轧辊)。
具体实施例方式
成型实验首先，以异型线材成型装置的设计为目标，使用如图2所示的轧辊配置的特克头，按以下的条件进行成型实验。由动力驱动特克头驱动图2中的上下轧辊。
原材料材质0.85C-17Cr钢实验成型工序实验成型的工序如图4所示。
①使用图4(A)中的厚度/宽度H0/W0＝2.30/3.20mm的矩形截面的线材。
②由No.1非驱动特克头，按照图4(B)中的初步成型尺寸，边缘高度H1/圆拱尺寸T1/宽度W1＝2.30/1.50/3.10mm，进行初步成型。
③使用图4(B)中的初步成型材料，改变为下述特克头的轧辊径及压下率，最终成型为图4(C)所示的截面形状。
最终成型的实验条件使用轧辊①φ125非驱动特克头②φ250非驱动特克头③φ250动力驱动特克头最终成型的圆拱尺寸T2①1.20②1.10③1.00④0.95实验结果如图5所示，图6是总结图5的实验结果所得到的图。这里压下率与填充率的定义如下，设压延前的圆拱尺寸为T1，设压延后的圆拱尺寸为T2，则压下率％＝[(T1-T2)/T1]×100；设压延前的边缘高度为T1，设压延后的边缘高度为T2，则填充率％＝(T2/T1)。
由实验所得的图5、图6的结果，可以得出①φ250动力驱动特克头，比φ125及φ250非驱动特克头，能够获得高的填充率。
②在使用φ125及φ250非驱动特克头时，成型后的边缘高度比原材料的厚度略有减少，没有超出原材料，而在使用φ250动力驱动特克头时，成型后的边缘高度比原材料的厚度要高，即增大了填充率。
③对于φ125及φ250非驱动特克头中的任一个，增大压下率就使线材所承受的张力增大，所以填充率下降；对于φ250动力驱动特克头，则填充率却随着压下率的增大而提高。
④在非驱动特克头中，φ250的大径轧辊比φ125的小径轧辊能够获得高的填充率。
基于以上的实验结果设计了本发明的异型线材成型装置。以下，对图示的实施形式加以具体的说明。图1是表示本发明中异型线材的成型装置全体的概念图。图中自左向右顺序排列着卷出机11、成型单元15、最终加工特克头21、绞盘23、以及卷取机24。在卷出机11与成型单元15之间，以及成型单元15与最终加工特克头21之间，分别设置有浮动轧辊25，构成控制线材张力的控制手段，由其位置将轧辊间的被成型材的张力控制为所规定的值。
成型单元15，由一台非驱动前段特克头16及动力驱动的后段特克头17所构成。
非驱动前段特克头16，由4方轧辊特克头，使用了轧辊直径为(原材料边缘高度H×50)mm的轧辊。动力驱动后段特克头17，由4方轧辊特克头，使用了轧辊直径为(原材料边缘高度H×100)mm的轧辊，仅上下轧辊由马达驱动。
最终加工特克头21，由与前段特克头16相同的4方轧辊特克头，由绞盘23所给予的拉拔力进行拉拔成型。由该最终加工特克头列可以得到高尺寸精度的异型线材。
在本实施形式中，虽然前段特克头16相对于后段特克头17为1∶1台，但也可以将前段特克头16设置为2台以上。而且在本实施形式中，虽然一行的成型单元作为一个成型单元，但也可以将两个以上的多个单元进行前后直排地排列。在这种情况下，各部件之间配置浮动轧辊25，对部件之间线材张力进行控制。还有，在本实施形式中，是使用了一台最终加工特克头，但也可以使用两台以上。
使用具有上述结构的异型线材的成型装置，由0.65C-13Cr钢进行了如图8所示截面形状的异型活塞环的批量生产成型。成型时控制前段特克头16与后段特克头17之间的被成型材料的张力约为200N，成型单元15与最终加工特克头21之间的张力约为100N。
其结果是，在两次成型中间没有退火，得到了边缘尺寸H与宽度W的尺寸精度均为10μm的高精度成品。
在使用传统的装置来制造本实施例中形状的异型活塞环的情况下，.需要前后(tandem)配置的3台非驱动特克头进行拉拔成型。而且，必须分成三次拉拔，其间还必须进行两次中间退火。而在本发明中，对此仅需要如图1所示的计3台(特克头)进行2次成型，且可以省去中间退火。
由以上的说明可知，本发明的异型线材的成型装置，由于是由4方轧辊的非驱动特克头与动力驱动特克头的前后段组合的成型单元进行的成型，所以能够得到尺寸精度良好的非驱动特克头与对成型材不施加张力、能以高的填充率成型的动力驱动特克头的特性的组合。
这样，历来需要进行分为3～5次成型，2～3次中间退火的复杂截面形状的异型线材，(在本发明中)仅需要1～2次的成型，1次或不需要中间退火，就可以完成其成型。
而且，由于动力驱动特克头的成型轧辊仅仅两轴驱动，所以结构简单，轧辊的替换等操作也容易。
还有，由于动力驱动特克头的成型轧辊，是具有比被成型材料的厚度大70倍以上直径的大径轧辊，所以能够提高孔型填充率，减少成型次数。
还有，由于能够将前段非驱动特克头与后段动力驱动特克头之间对被成型材料的张力在300N以下，将成型单元之间的张力控制在50～200N之间进行成型，所以能够得到伸直率高的成品。
还有，由于在成型单元列的后方前后配置有4方轧辊特克头，所以由成型单元能够以高的断面收缩率进行成型，由最终加工列的特克头提高尺寸精度。
还有，在近似H型异型线材的成型的情况下，由圆拱的压下率在非驱动特克头轧辊的孔型为10～50％，在动力驱动特克头为20～60％，使填充率提高。
由以上的说明可知，例如历来需要3、3、3计9台轧辊分为3次成型，中途需要两次中间退火的制造工序，(在本发明中)可以仅使用3台，经两次成型，且不需中间退火而完成。
根据上述可知，由本发明的异型线材的成型方法及装置，可以对高精度的异型线材，经不需中间退火的两次成型而完成，所以可达到大幅度降低成本、提高生产能力的目的。本发明的异型线材的成型方法及装置，不仅可以适用于活塞环材料的成型，还可以广泛适用于其它用途的异型线材的成型。
权利要求
1.一种异型线材的成型装置，其特征在于把由非驱动前段4方轧辊特克头与动力驱动的后段4方轧辊特克头组合而成的成型单元，以一个单元或多个单元呈前后直排配置。
2.根据权利要求1所述的异型线材的成型装置，其特征在于所述动力驱动的后段4方轧辊特克头的成型轧辊，由纵横中的任意一个强加工侧的一对轧辊的2个轴所驱动。
3.根据权利要求1或2所述的异型线材的成型装置，其特征在于在所述成型单元中的至少驱动特克头的成型轧辊，为具有比被成型材料的厚度大70倍以上的直径的大直径轧辊。
4.根据权利要求1所述的异型线材的成型装置，其特征在于在所述成型单元或多个成型单元列的后方前后直排地配置有精轧辊列的非驱动4方轧辊特克头。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的异型线材的成型装置，其特征在于把对在所述成型单元的非驱动特克头与动力驱动特克头之间的被成型材料的张力控制在300N以下，把对在所述多个成型单元之间以及在成型单元与精轧辊列特克头之间的被成型材料的张力控制在50～200N的范围内，进行异形型材的成型。
6.根据权利要求5所述的异型线材的成型装置，其特征在于设有用于控制对在所述多个成型单元之间以及成型单元与精轧辊列特克头之间的被成型材料的施加张力的控制装置。
7.根据权利要求1～4中任意一项所述的异型线材的成型装置，其特征在于在近似H型异型线材的成型装置中，设定圆拱的压下率，在非驱动特克头的轧辊孔型中为10～50％，在动力驱动特克头的轧辊孔型中为20～60％。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的异型线材的成型装置，其特征在于所述异型线材为活塞环线材。
9.一种异型线材的成型方法，其特征在于使用把由非驱动前段4方轧辊特克头与动力驱动的后段4方轧辊特克头组合而成的成型单元，以一个单元或多个单元呈前后直排配置的成型机进行异型线材的成型。
10.根据权利要求9所述的异型线材的成型方法，其特征在于所述成型单元中的至少驱动特克头的成型轧辊，为具有比被成型材料的厚度大70倍以上直径的大直径轧辊。
11.根据权利要求9所述的异型线材的成型方法，其特征在于由在所述成型单元或多个成型单元列的后方前后直排地配置有精轧辊列的非驱动4方轧辊特克头的成型机进行异型线材的成型。
12.根据权利要求9～11中任意一项所述的异型线材的成型方法，其特征在于把对在所述成型单元的非驱动特克头与动力驱动特克头之间的被成型材料的张力控制在300N以下，把对在所述多个成型单元之间以及成型单元与精轧辊列特克头之间的被成型材料的张力控制在50～200N的范围内而进行线材的成型。
13.根据权利要求11所述的异型线材的成型方法，其特征在于设定所述精轧辊列的特克头断面收缩率为10％以下。。
14.根据权利要求9～11中任意一项所述的异型线材的成型方法，其特征在于在近似H型异型线材的成型装置中，设定圆拱的压下率，在非驱动特克头的轧辊孔型中为10～50％，在动力驱动特克头的轧辊孔型中为20～60％。
15.根据权利要求9～14中任意一项所述的异型线材的成型方法，其特征在于所述异型线材为活塞环线材。
全文摘要
本发明提供一种异型线材的成型方法及装置，该装置设有由非驱动前段4方轧辊特克头(Turks Head)(16)与动力驱动的后段4方轧辊特克头(17)组合而成的成型单元(15)，在成型单元的后方前后直排地配置有精轧辊列的非驱动4方轧辊特克头(21)。动力驱动特克头(17)的成型轧辊具有比被成型材料的边缘高度大70倍以上的直径，把在非驱动特克头(16)与动力驱动特克头(17)之间的被成型材料的所受张力控制在300N以下，把在成型单元(15)与完成列特克头(21)之间的张力控制在50～200N范围而进行成型。从而可高效率、高精度地成型异型线材。
文档编号B21B1/16GK1507960SQ02157059
公开日2004年6月30日 申请日期2002年12月19日 优先权日2002年12月19日
发明者三神隆男, 舛形芳树, 唐桶隆男, 树, 男 申请人:日立金属株式会社