专利名称：一种波形辊的制作方法
技术领域：
本发明涉及轴类锻件制坯工模具，具体是一种提高轴类锻件制坯辊锻锻透性及均匀性的波形辊装置。
背景技术：
轴类零件的应用在工业生产中有着举足轻重的地位，如汽车传动轴、主轴、转子等，轴类零件在机器中起着支承其他零件，传递运动和力的作用。轴类零件发生失效，往往会降低轴上零件的运动精度，缩短轴上零件的使用寿命，甚至可能导致难以预料的灾难性事故，所以对轴类零件质量有较高的要求。因此在轴类零件锻造制坯成形时有严格的技术要求。轴类零件采用锻造方法制坯成形可以提高其综合力学性能。选择合适的锻造成形工艺能够极大地改善材料的组织、消除材料中的疏松、裂纹、气孔等缺陷、提高材料的变形均匀性和使用性能。目前常用的轴类零件的锻造制坯方法有水平V型砧锻造法，中心压实法(亦称降温锻造法)、宽砧强压锻造法(即WHF法)、以及挤压法。采用上述锻造制坯方法，使得材料心部形成三向压应力状态而有效焊合，消除材料内部的缩孔、疏松和气泡等缺陷，并改善锻件的组织和使用性能。但是，在采用水平V型砧成形轴类零件的坯料时，如选用短粗型钢锭直接拔长法虽能成形，但很难达到要求的锻比。若采用中心压实法，材料的塑性变形区小，且变形抗力大。宽砧强压锻造法则要求坯料温度高，这对于一些塑性不太好的材料强压时，坯料表面易出现锻伤缺陷。采用挤压方法进行塑性加工，虽然能减少切削加工量，但对设备吨位和模具强度均有很高的要求。近年来，不少科学家通过大的或剧烈塑性变形(SPD)来实现材料的组织细化，提高性能，最常用的方法有Segal等提出的等通道角挤压(Equal Channel Angular Press,ECAP)，其原理是通过挤压作用在通道转角处产生一定量的均匀剪切作用，并经过多次变形从而使得材料晶粒细化。但其首次变形不够均匀，须经多次改变工艺路径变形才能获得较均匀的应变分布，而且对零件尺寸和形状有所限制，成形吨位大，设备和模具条件高。采用楔横轧方法能提高轴类零件的轧件质量，但为了实现轧件产生剧烈均匀的塑性变形以及提高设备利用率，需进一步改进。波形辊压机其原理是利用辊面挤压物料，使物料在剪切作用实现破碎，如中国专利号为200420065303. 3号使用新型专利，公告号CN2699990Y，公布日为2005年5月18日，公开了一种波形辊面同步对转辊压机，通过挤压作用对工业上物料进行破碎。目前采用波形辊压机对金属塑性加工方面并没有相关研究，若对波形辊压形面进行设计，用于提高加工金属坯料，可获得均匀剧烈的塑性坯料，同时也有效的提高了设备利用率。
发明内容为克服现有技术中存在的轴类坯料锻透性和均匀性与设备利用率之间的矛盾，本发明提出了一种波形辊。[0006]本发明包括上辊和下辊，所述上辊和下辊分别位于所述该辊轧装置挡板的上表面和下表面，并通过辊轴固定在轧机机架上；上辊的大直径端与下辊的小直径端对应，并使上辊波形齿的齿顶与下辊波形齿的齿根对应；安装后的上辊的中心线与下辊的中心线相互平行；所述上辊和下辊结构相同均为锥体，并且该上辊和下辊的外表面为波形，由波形面的波峰形成了波形齿；所述上辊大直径端的曲线方程为RJr1Xsin ( ω t)，上辊小直径端的曲线方程为R2+r2xsin (on);其中=R1和R2分别为上辊大直径端和小直径端的基圆半径，Γι和r2分别为上辊大直径端和小直径端的波形幅值，ω为角频率，t为圆心角弧度；所述上辊的外形为波形，并由各波形的波峰形成了该上辊外表面的曲面齿，该曲面齿的齿高 为2倍的波形幅值；所述上辊和下辊的外表面有齿缺口。所述上棍和下棍外表面的齿缺口是将上棍外表面上任意一个曲面齿从基圆处沿锥辊中心线方向除去形成。本发明根据横轧变形理论提出了一种辊锻用锥体波形对辊变形模具装置。此套模具装置由结构相同的上下两辊组成，每个辊子分为大小两端，两端截面轮廓曲线为波形，具体是轮廓曲线与辊子的端截面中心的距离为R+rxsin (CU)(其中R为基圆半径，r为波形幅值，角频率ω与sin函数的周期相关，t为圆心角弧度,其取值范围为O 2 ),大小两端面的轮廓曲线为相似形状，半径R有所变化，其中大端面半径为R1，波形幅值为^，小端面半径为R2，波形幅值为r2，从大端面到小端面呈线性光滑过渡，为方便进料出料，对锥体波形辊中的一个波齿(波峰)按基圆(在大截面端的基圆半径为R1，在小截面端的基圆半径为R2，基圆半径从大截面端到小截面端线性光滑过渡)沿锥辊中心线方向扫过所形成的曲面削去。采用两个锥体波形辊交错组合，上下辊的中心线平行，一上一下位置固定装配，并能够调整中心线距离改变辊缝隙，以适应不同尺寸的轴加工，工作时上辊的大截面端与下辊的小截面端对应，上辊的波形齿的波峰位置对应下辊的波形齿的波谷位置，且上辊齿缺口与下辊齿缺口相邻，上辊齿缺口位于下辊齿缺口运动方向的下一啮合位置。这样的结构能够使得两个与坯料接触的辊面之间的距离保持恒定。对坯料进行辊锻横轧加工时，两辊以相同的角速度和相同的转动方向运动，波形辊之间会对坯料施加压应力的同时还会对坯料产生切向和轴向的剪切作用。根据屈服理论，变形体进入塑性状态更加容易，并在压应力状态下变形，从而使变形载荷降低，并有助于材料的塑性变形过程，同时适合于坯料内部微缺陷的消除。经过此模具装置加工后，坯料通过进一步圆整后其内部变形量大且分布均匀。验证表明该装置设计合理可靠，成形方法简单，操作简便，生产自动化水平高，并有助于提闻广品的生广效率。本发明通过对传统辊子的加工改造或设计出配套辊锻模具，能实现对轴类零件的均匀塑性加工，改善材料微观组织，能有效消除原材料缺陷，且设备改造简单，连续加工性能好。
附图1是轧机结构示意图附图2是组装后锥形波形辊组装的三维示意图；[0015]附图3是组装后锥形波形辊的侧视图；附图4是单个锥体波形辊的结构三视图，其中图4a是单个锥体波形辊的侧视图，图4b是单个锥体波形辊的主视图；图4c是单个锥体波形辊的俯视图。图中1.轧机传动机构2.轧机机架3.上辊4.挡板5.下辊6.坯料7.辊轴8.锥体大端波形9.上辊齿缺口 10.下辊齿缺口11.锥体小端波形 R1.大端面基圆半径R2.小端面基圆半径Γι.大端面波形幅值 r2.小端面波形幅值
具体实施方式
实施例一本实施例是一种用于轴类锻件制坯的加工装置，包括轧机传动机构1、轧机机架
2、上辊3、下辊5和挡板4。所述的轧机传动机构1、轧机机架2均采用现有技术。挡板4固定在轧机机架2的中部。所述上辊3和下辊5均为锥体，并且该上辊3和下辊5的外表面为波形，由波形面的波峰形成了波形齿，所述上辊3和下辊5分别位于所述挡板4的上表面和下表面，并通过辊轴7固定在轧机机架2上。安装时，上辊3的大直径端与下辊5的小直径端对应，并使上辊3波形齿的齿顶与下辊5波形齿的齿根对应，以满足所述上辊3和下辊5的啮合。安装后的上辊3的中心线与下辊5的中心线相互平行。所述的上辊3和下辊5均为锥体，且结构完全相同。本实施例中，以上辊3为例描述其结构特征。所述上辊3大直径端的曲线方程为RJr1Xsin ( t)，上辊3小直径端的曲线方程为R2+r2xsin (cot)。其中=R1和R2分别为上辊3大直径端和小直径端的基圆半径，F1和r2分别为上辊3大直径端和小直径端的波形幅值，ω为角频率，t为圆心角弧度。本实施例中，上棍3大直径端的基圆半径R1为125mm,波形幅值!T1为5mm,角频率ω为16,圆心角弧度t为O 2 。本实施例中，上棍3小直径端的基圆半径R2为120mm,波形幅值1*2为5mm,角频率ω为16,圆心角弧度t为O 2 。所述上辊3的外形为波形，并由各波形的波峰形成了该上辊3外表面的曲面齿，其齿高为10mm。将上辊3外表面上任意一个曲面齿从基圆处沿锥辊中心线方向除去，使上辊3该处形成齿缺口。安装时上辊3和下辊5按相反方向装配，即上辊3的大截面端对应下辊5的小截面端，同时上辊3的小截面端对应下辊5的大截面端，上下辊的中心线平行，上辊3波齿的波峰位置对应下辊5波齿的波谷位置，满足上下辊转动时的啮合。上辊3上齿缺口的初始位置与下辊5上齿缺口的初始位置相错，使所述上齿缺口与下辊5上齿缺口之间有一个齿的位相差，且上辊3的齿缺口位于下辊5齿缺口运动方向的下一啮合位置。下辊5固定在机架上，通过现有技术中的蜗轮蜗杆机构实现所述上辊3的上下直线移动，以调整轧辊间距，用于不同尺寸的轴加工。安装完成后，上辊的中心线与下辊的中心线相互平行，并且所述上辊与下辊相邻的外表面之间的间距须小于坯料的直径1mm。[0031]使用时，上辊和下辊均以lrad/s速度绕各自中心线沿顺时针方向转动。将直径16mm，长200mm的铝合金坯料经加热到450°C保温15分钟后放入下辊5齿缺口相邻的波谷中，随着上下辊的转动，坯料被带入，坯料随之与上辊面接触，在挡板保护下装置对坯料开始进行横轧。坯料在上下辊带动下，沿辊面旋转运动，经过上下辊旋转一周的辊锻加工后，坯料又与上辊面缺齿部位对应，此时上辊面与坯料脱离接触，坯料则在下辊带动下抛出离开辊压段，完成出料。对于经锥体波形辊加工后的坯料，由于辊轧后坯料圆度会有所下降，所以需对波形棍加工后的还料进行圆整。实施例二本实施例是一种用于轴类锻件制坯的加工装置，包括轧机传动机构1、轧机机架
2、上辊3、下辊5和挡板4。所述的轧机传动机构1、轧机机架2均采用现有技术。挡板4固定在轧机机架2的中部。所述上辊3和下辊5均为锥体，并且该上辊3和下辊5的外表面为波形，由波形面的波峰形成了波形齿，所述上辊3和下辊5分别位于所述挡板4的上表面和下表面，并通过辊轴7固定在轧机机架2上。安装时，上辊3的大直径端与下辊5的小直径端对应，并使上辊3波形齿的齿顶与下辊5波形齿的齿根对应，以满足所述上辊3和下辊5的啮合。安装后的上辊3的中心线与下辊5的中心线相互平行。所述的上辊3和下辊5均为锥体，且结构完全相同。本实施例中，以上辊3为例描述其结构特征。所述上辊3大直径端的曲线方程为RJr1Xsin ( t)，上辊3小直径端的曲线方程为R2+r2xsin (cot)。其中=R1和R2分别为上辊3大直径端和小直径端的基圆半径，F1和r2分别为上辊3大直径端和小直径端的波形幅值，ω为角频率，t为圆心角弧度。本实施例中，上棍3大直径端的基圆半径R1为240mm,波形幅值!T1为IOmm,角频率ω为12,圆心角弧度t为O 2 。本实施例中，上棍3小直径端的基圆半径R2为200mm,波形幅值r2为IOmm,角频率ω为12,圆心角弧度t为O 2 。所述上辊3的外形为波形，并由各波形的波峰形成了该上辊3外表面的曲面齿，其齿高为20mm。将上辊3外表面上任意一个曲面齿从基圆处沿锥辊中心线方向除去，使上辊3该处形成齿缺口。安装时上辊3和下辊5按相反方向装配，即上辊3的大截面端对应下辊5的小截面端，同时上辊3的小截面端对应下辊5的大截面端，上下辊的中心线平行，上辊3波齿的波峰位置对应下辊5波齿的波谷位置，满足上下辊转动时的啮合。上辊3上齿缺口的初始位置与下辊5上齿缺口的初始位置相错，使所述上齿缺口与下辊5上齿缺口之间有一个齿的位相差，且上辊3的齿缺口位于下辊5齿缺口运动方向的下一啮合位置。下辊5固定在机架上，通过现有技术中的蜗轮蜗杆机构实现所述上辊3的上下直线移动，以调整轧辊间距，用于不同尺寸的轴加工。安装完成后，上 辊的中心线与下辊的中心线相互平行，并且所述上辊与下辊相邻的外表面之间的间距须小于坯料的直径2mm。使用时，上辊和下辊均以O. 8rad/s速度绕各自中心线沿顺时针方向转动。将直径32mm,长300mm的45号钢坯料加热到800°C保温半小时后放入下辊5齿缺口相邻的波谷中，随着上下辊的转动，坯料被带入，坯料随之与上辊面接触，在挡板保护下装置对坯料开始进行横轧。坯料在上下辊带动下，沿辊面旋转运动，经过上下辊旋转一周的辊锻加工后，坯料又与上辊面缺齿部位对应，此时上辊面与坯料脱离接触，坯料则在下辊带动下抛出离开辊压段，完成出料。对于经锥体波形辊加工后的坯料，由于辊轧后坯料圆度会有所下降，所以需对波形棍加工后的还料进行圆整。实施例三本实施例是一种用于轴类锻件制坯的加工装置，包括轧机传动机构1、轧机机架
2、上辊3、下辊5和挡板4。所述的轧机传动机构1、轧机机架2均采用现有技术。挡板4固定在轧机机架2的中部。所述上辊3和下辊5均为锥体，并且该上辊3和下辊5的外表面为波形，由波形面的波峰形成了波形齿，所述上辊3和下辊5分别位于所述挡板4的上表面和下表面，并通过辊轴7固定在轧机机架2上。安装时，上辊3的大直径端与下辊5的小直径端对应，并使上辊3波形齿的齿顶与下辊5波形齿的齿根对应，以满足所述上辊3和下辊5的啮合。安装后的上辊3的中心线与下辊5的中心线相互平行。所述的上辊3和下辊5均为锥体，且结构完全相同。本实施例中，以上辊3为例描述其结构特征。所述上辊3大直径端的曲线方程为Ri+riXsid on)，上辊3小直径端的曲线方程为R2+r2Xsin (cot)。其中=R1和R2分别为上辊3大直径端和小直径端的基圆半径，Γι和r2分别为上辊3大直径端和小直径端的波形幅值，ω为角频率，t为圆心角弧度。本实施例中，上棍3大直径端的基圆半径R1为300mm,波形幅值!T1为15mm,角频率ω为12,圆心角弧度t为O 2 。
本实施例中，上棍3小直径端的基圆半径R2^j 250mm,波形幅值1*2为15mm,角频率ω为12,圆心角弧度t为O 2 。所述上辊3的外形为波形，并由各波形的波峰形成了该上辊3外表面的曲面齿，其齿高为30mm。将上辊3外表面上任意一个曲面齿从基圆处沿锥辊中心线方向除去，使上辊3该处形成齿缺口。安装时上辊3和下辊5按相反方向装配，即上辊3的大截面端对应下辊5的小截面端，同时上辊3的小截面端对应下辊5的大截面端，上下辊的中心线平行，上辊3波齿的波峰位置对应下辊5波齿的波谷位置，满足上下辊转动时的啮合。上辊3上齿缺口的初始位置与下辊5上齿缺口的初始位置相错，使所述上齿缺口与下辊5上齿缺口之间有一个齿的位相差，且上辊3的齿缺口位于下辊5齿缺口运动方向的下一啮合位置。下辊5固定在机架上，通过现有技术中的蜗轮蜗杆机构实现所述上辊3的上下直线移动，以调整轧辊间距，用于不同尺寸的轴加工。安装完成后，上辊的中心线与下辊的中心线相互平行，并且所述上辊与下辊相邻的外表面之间的间距须小于坯料的直径3mm。使用时，上辊和下辊均以O. 5rad/s速度绕各自中心线沿顺时针方向转动。将直径53mm,长400mm的合金钢还料加热到1000 °C保温半小时后放入下棍5齿缺口相邻的波谷中，随着上下辊的转动，坯料被带入，坯料随之与上辊面接触，在挡板保护下装置对坯料开始进行横轧。坯料在上下辊带动下，沿辊面旋转运动，经过上下辊旋转一周的辊锻加工后，坯料又与上辊面缺齿部位对应，此时上辊面与坯料脱离接触，坯料则在下辊带动下抛出离开辊压段，完成出料。对于经锥体波形辊加工后的坯料，由于辊轧后坯料圆度会有所下降，所以需对波形棍加工后的还料进行圆整。对于经锥体波形辊加工后的坯料，由于辊轧后坯料圆度会有所下降，所以需对波形棍加工后的还料进行圆整。
权利要求1.一种波形辊，其特征在于，包括上辊和下辊，所述上辊和下辊分别位于所述该辊轧装置挡板的上表面和下表面，并通过辊轴固定在轧机机架上；上辊的大直径端与下辊的小直径端对应，并使上辊波形齿的齿顶与下辊波形齿的齿根对应；安装后的上辊的中心线与下辊的中心线相互平行； 所述上辊和下辊结构相同均为锥体，并且该上辊和下辊的外表面为波形，由波形面的波峰形成了波形齿； 所述上辊大直径端的曲线方程为RJr1Xsin ( t)，上辊小直径端的曲线方程为R2+r2Xsin ( cot);其中=R1和R2分别为上辊大直径端和小直径端的基圆半径，F1和r2分别为上辊大直径端和小直径端的波形幅值，ω为角频率，t为圆心角弧度；所述上辊的外形为波形，并由各波形的波峰形成了该上辊外表面的曲面齿，该曲面齿的齿高为2倍的波形幅值；所述上辊和下辊的外表面有齿缺口。
2.如权利要求1所述一种波形辊，其特征在于，所述上辊和下辊外表面的齿缺口是将上辊外表面上任意一个曲面齿从基圆处沿锥辊中心线方向除去形成。
专利摘要一种波形辊，上辊和下辊分别位于所述该辊轧装置挡板的上表面和下表面，并通过辊轴固定在轧机机架上；上辊的大直径端与下辊的小直径端对应，并使上辊波形齿的齿顶与下辊波形齿的齿根对应；安装后的上辊的中心线与下辊的中心线相互平行。所述上辊和下辊的外表面为波形，由波形面的波峰形成了波形齿。本实用新型能实现对轴类零件的均匀塑性加工，改善材料微观组织，能有效消除原材料缺陷，成形方法简单，操作简便，生产自动化水平高，且连续加工性能好，提高产品的生产效率。
文档编号B21B27/02GK202893815SQ20122053587
公开日2013年4月24日 申请日期2012年10月18日 优先权日2012年10月18日
发明者袁战伟, 李付国, 乔慧娟, 杨雅静 申请人:西北工业大学