一种轴类零件两辊柔性斜轧成形装置及方法与流程

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，特别涉及一种轴类零件两辊柔性斜轧成形装置及方法。

背景技术：

轴类零件作为传递运动和动力最基本的零件之一，在汽车、轨道交通、船舶、工程机械等很多工业领域中得到了非常广泛的应用。由于塑性成形具有改善组织性能、提高材料利用率、生产效率高等优点，因此轴类零件多采用塑性成形工艺生产。对于中小尺寸、批量较大的轴类零件越来越多地采用楔横轧工艺生产。但对于多品种小批量的轴类零件，尤其是尺寸较大的轴类零件，目前主要有自由锻、快锻、精锻等塑性成形方法。

当目前的成形方法均存在一定的局限性。自由锻、快锻生产效率低，快锻大约10分钟锻造1根火车，生产效率低，难以满足生产要求；自由锻、快锻产品精度低，导致加工余量大，材料消耗多，后续加工成本高；由于人工操控，导致产品质量稳定性差，严重制约了高质量轴类零件的生产；精锻虽然是目前较好的成形工艺，但由于设备结构复杂，设备制造维护技术难于掌握，设备昂贵且基本依赖进口导致生产设备投资巨大、成本较高、且精度有待提高；楔横轧工艺虽然效率高、产品尺寸精度高，但由于模具尺寸大、成本高、模具更换安装费时费力，因此一般仅适合批量大的轴类零件。

随着轴类零件尺寸大型化、规格的多样化、数量小批量的发展趋势，通过数控系统实现“一设备干多活”、“小设备干大活”的柔性制造显得尤其重要。

现有的一种铁道车辆车轴的三辊斜轧成形方法(cn201810034928)、numericalanalysisoftheskewrollingprocessformainshafts(doi:10.1515/amm-2015-0068)等成形方法，其成形方法为三辊斜轧成形且不具备柔性轧制的能力，设备结构复杂成本高且自动化程度低。现有的空心轴类零件的成形方法(201310661153.6)、methodforrotarycompressionofhollowpartsbycrossrolling(ep2422896b1)、methodforplasticformingoftoothedshafts(ep2422898b1)、amethodofrollingextrusionwithregulatedaxisspacingofaxi-symmetricalsteppedparts(ep2842649b1)成形方法，由于轧辊没有倾斜摆角，其成形方式主要为横轧或者挤压横轧，导致轴向推力过大，设备所需吨位大。

技术实现要素：

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种轴类零件两辊柔性斜轧成形装置及方法，通过控制斜轧装置及坯料的运动，实现轴类零件两辊柔性斜轧。

本发明采用如下技术方案：

一种轴类零件两辊柔性斜轧成形装置，包括第一斜轧辊、第二斜轧辊、导板、第一导料筒、第二导料筒和轴向推料装置；

所述第一斜轧辊、第二斜轧辊均具有绕轧辊轴线旋转的轧辊回转运动，沿坯料径向的直线运动和调整斜轧辊轴线与坯料轴线之间夹角的倾斜角度调整运动。所述第一斜轧辊、第二斜轧辊的径向中心线重合；

所述导板固定布置在所述第一斜轧辊、第二斜轧辊之间，用来限制坯料的径向移动；

所述第一导料筒、第二导料筒固定布置在两个斜轧辊的两侧，用来控制坯料的甩摆；

所述轴向推料装置固定布置在两个斜轧辊的一侧，用来对坯料施加轴向推力；

坯料在所述第一斜轧辊、第二斜轧辊、导板共同构成的空间内被斜轧成轴类零件。

进一步的，所述第一斜轧辊、第二斜轧辊的运动在成形过程中为动态可调，由数控程序控制。

进一步的，所述第一斜轧辊、第二斜轧辊的几何尺寸相同，自外缘至内侧依次包含精整段、成形段和导料段。

进一步的，所述成形段加工有用来增大摩擦力的表面特征，所述表面特征为滚花、拉毛、刻制凹痕或凹坑。

进一步的，所述导板在坯料侧面，为单侧导板或双侧导板。

进一步的，所述第一导料筒、第二导料筒均为空心圆柱体，其内孔的直径比坯料最大外径大0.5mm～5mm。

进一步的，所述轴向推料装置可施加轴向推力，所述轴向推料装置为液压缸或电动缸。

本发明还提供了一种轴类零件两辊柔性斜轧成形方法，利用上述的轴类零件两辊柔性斜轧成形装置，所述成形方法包括径向压缩、轧辊倾斜、斜轧减径、轧辊调平成形过程。

进一步的，所述第一斜轧辊、第二斜轧辊均具有：转速为n0的轧辊回转运动，速度为v0的沿坯料径向的直线往复运动，角速度为w0的倾斜角度调整运动；

所述径向压缩成形过程为：第一斜轧辊、第二斜轧辊水平布置，均以n0同向旋转、以速度v0相向压下，坯料在轧辊/坯料的摩擦力作用下，绕着坯料轴线作回转运动，被成形出斜台阶；

所述轧辊倾斜成形过程为：第一斜轧辊、第二斜轧辊均以转速n0同向旋转，以角速度w0将水平布置的第一斜轧辊、第二斜轧辊调整为交错倾斜布置；

所述斜轧减径成形过程为：第一斜轧辊、第二斜轧辊交错倾斜布置，均以转速n0同向旋转，坯料在轧辊/坯料的摩擦力及轴向推料装置的推力作用下，同时作绕轴回转运动和轴向进给运动，被成形出轴类零件的圆杆部分；

所述轧辊调平成形过程为：轴向推料装置施加推力防止坯料轴向移动，第一斜轧辊、第二斜轧辊均以转速n0同向旋转，以角速度w0将交错倾斜布置的第一斜轧辊、第二斜轧辊调整为水平布置，同时成形出轴类零件的另一斜台阶。

进一步的，所述坯料为圆棒坯料。

进一步的，所述成形方法或者是一次性成形轴类零件最终尺寸，或者是多道逐次成形轴类零件到最终尺寸。

进一步的，所述轴类零件为实心轴或空心轴。

进一步的，所述两辊柔性斜轧为冷轧或热轧，冷轧为室温，热轧为600℃-1400℃。

本发明的有益效果为：

1、采用两个斜轧辊结构，成形设备更加简单；

2、斜轧辊倾斜布置，可利用斜轧的轴向分力让坯料轴向推力大幅减小；

3、成形方式属于局部成形，设备吨位小；

4、通过控制设备及坯料的运动，实现柔性化生产；

5、由于只有成形段及精整段的坯料才参与变形，可减缓甚至避免芯部疏松缺陷；

6、结构简单、合理、应用前景广阔。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种轴类零件两辊柔性斜轧成形装置的结构示意图。

图2所示为径向压缩成形过程原理示意图。

图3所示为轧辊倾斜成形过程原理示意图。

图4所示为斜轧减径成形过程原理示意图。

图5所示为轧辊调平成形过程原理示意图。

图6所示为斜轧辊结构示意图。

图7为实心轴类零件结构示意图；

图8为空心轴类零件结构示意图；

图中：1.第一斜轧辊；2.导板；3.第一导料筒；4.轴向推料装置；5.坯料；6.第二斜轧辊；7.轴类零件；7a.实心轴类零件；7b.空心轴类零件8.第二导料筒；9.芯棒；a-a为轧辊精整段；b-b为轧辊成形段；c-c为轧辊导料段；o′-o′为轧制径向中心线；01-01为坯料轴线；02-02为第一斜轧辊轴线；03-03为第二斜轧辊轴线；α为轧辊倾斜角，是轧辊轴线与坯料轴线的夹角；β为轧辊咬入角，是轧辊成形段与导料段的锥角，也是轴类零件斜台阶的锥角；n0为轧辊的转速；v0为轧辊的径向直线运动速度；w0为轧辊绕o′-o′调整倾斜角α时的角速度；n1为坯料的转速；v1为坯料轴向速度；f为轴向推料装置的轴向推力；d0为轧辊最大外直径；d0为轧辊内孔直径；d1为轴类零件直径；h为轧辊最大压下量；l为轧辊总长；la为轧辊精整段长度。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1所示，本发明实施例一种轴类零件两辊柔性斜轧成形装置，包括第一斜轧辊1、第二斜轧辊6、导板2、第一导料筒3、第二导料筒8和轴向推料装置4；

所述第一斜轧辊1、第二斜轧辊6均具有由数控程序控制、动态可调的绕轧辊轴线旋转的轧辊回转运动、沿坯料5径向的直线运动、调整斜轧辊轴线与坯料轴线之间夹角的倾斜角调整运动；所述第一斜轧辊1、第二斜轧辊6的径向中心线重合；优选的，如图6所示，所述第一斜轧辊1、第二斜轧辊6的几何尺寸相同，且轴向几何对称，自外缘至内侧均依次包含精整段a-a、成型段b-b和导料段c-c。所述成形段b-b加工有用来增大摩擦力的表面特征，可以为滚花、拉毛、刻制凹痕、凹坑等。

所述导板2固定布置在所述第一斜轧辊1、第二斜轧辊6之间，用以限制坯料5的径向移动；所述导板2在坯料5两侧面为单侧导板或双侧导板。

所述第一导料筒3、第二导料筒8固定布置在两个斜轧辊1、6的两侧，用以控制坯料5的甩摆；所述第一导料筒3、第二导料筒8均为空心圆柱体，其内孔的直径比坯料5最大外径大0.5mm～5mm。

所述轴向推料装置4安装在两个斜轧辊1、6的一侧，用来对坯料5间歇性施加轴向推力，装置可以为液压缸或者电动缸。

坯料5在所述第一斜轧辊1、第二斜轧辊6、导板2共同构成的空间内被斜轧成轴类零件7。

本发明实施例一种轴类零件两辊柔性斜轧成形方法，不失一般性，下文以将φ50mm圆棒材坯料5柔性斜轧实心轴类零件7a(见图7)为例加以说明：

如图6所示，两个斜轧辊1、6轴向几何对称，包含精整段a-a、成形段b-b和导料段c-c。第一斜轧辊1、第二斜轧辊6长度l均为150mm～300mm，咬入角β为10°～40°，孔径d0为100～150mm，最大外直径d0为圆棒坯料5直径的2.5～6倍，精整段a-a长度为5-30mm，轧辊最大压下量h为1～15mm。成形段b-b为圆锥面，其表面有用来增大摩擦力的表面特征，可以为滚花、拉毛、刻制凹痕、凹坑等。

如图1所示，导板2厚度比轴类零件7的最小轴径小1～10mm。所述第一导料筒3、第二导料筒8布置在两个斜轧辊1、6的两侧，用以控制坯料5的甩摆；所述第一导料筒3、第二导料筒8均为空心圆柱体，其内孔的直径比坯料5最大外径大0.5mm～5mm。所述轴向推料装置4安装在两个斜轧辊1、6的一侧，用来对坯料5间歇性施加轴向推力，轴向推料装置4可以为液压缸或电动缸，轴向推力f为0.5～10吨。

如图1所示，两个斜轧辊1、6具有转速为n0的第一轧辊1、第二轧辊6回转运动，速度为v0的径向直线运动，角速度为w0的倾斜角度调整运动。其中当w0运动后，两个斜轧辊1、6的轴线02-02、03-03均与坯料5的轴线01-01交错布置呈倾斜角α。n0的取值范围为20～100rmp，v0的取值范围为1～5mm/s，w0的取值范围为1.5～3rad/s，α的取值范围为1°～15°

如图1、2所示，本发明通过数控系统来实现轴类零件7的柔性斜轧成形，主要控制的工艺参数有：v0、n0、w0，各成形过程的运动状态及成形效果为：

当径向压缩成形过程时，如图1、2所示。两个斜轧辊1、6水平布置，均以n0同向旋转、以v0相向压下。坯料5在轧辊1、6/坯料5的摩擦力作用下，绕着轴线01-01作回转运动，被成形出轴类零件7的斜台阶。

当轧辊倾斜成形过程时，如图1、3所示。两个斜轧辊1、6以n0同向旋转，以w0将水平布置的两轧辊1、6调整至交错倾斜布置，倾斜角为α。

当斜轧减径成形过程时，如图1、4所示。两个斜轧辊1、6交错倾斜布置，以n0同向旋转。坯料5在轧辊1、6/坯料5的摩擦力及轴向推料装置4的推力作用下，同时作绕轴回转运动和轴向进给运动，被成形出轴类零件7的圆杆部分。

当轧辊调平成形过程时，如图1、5所示。两个斜轧辊1、6以n0同向旋转，以w0将交错倾斜布置的两轧辊1、6调整至水平布置，同时将坯料5成形出另一斜台阶。

坯料5按照“径向压缩→轧辊倾斜→斜轧减径→轧辊调平”成形过程逐段成形，最终完成轴类零件7的整个轴的成形。

如图7-8所示，当成形实心轴类零件7a时，坯料5没有中心孔。当成形空心轴类零件7b时，坯料5具有中心孔，需要在在坯料5的中心孔内填充芯棒9，芯棒9的直径比轴类零件7的孔径小0.5～5mm。

本发明实施例所采用的一种轴类零件两辊柔性斜轧成形方法，主要工作步骤如下：

1、轴类零件7几何尺寸的确定：通过轴类零件7最终件尺寸，预留1～3mm的后续加工余量以及β角度的斜台阶堆料余量，最终确定轴类零件7的几何尺寸。

2、数控编程成形程序的设计：通过坯料5以及轴类零件7的几何尺寸，根据体积守恒的原则，确定各工序的变形量以及时间，设计柔性斜轧成形的数控编程成形程序。

3、坯料5的加热及转移：将坯料5加热至轧制温度(冷轧为室温，热轧为700℃-1300℃)，将加热后的坯料5转移到由两个斜轧辊1、6与导板2构成的空间内。

4、轴类零件7的柔性斜轧成形：通过“径向压缩→轧辊倾斜→斜轧减径→轧辊调平”成形过程，逐段将坯料5柔性斜轧成形为轴类零件7。

5、轴类零件7的后续处理：对轴类零件7进行热处理、粗车、精车、磨削等后续工艺，最终得到轴类零件7最终件。

本发明的成形原理为：

将加热到轧制温度的坯料5转移到由两个轧辊1、6，导板2，导料筒3、8和轴向推料装置4组成的柔性斜轧机内；通过导板2及导料筒3、8防止坯料5的径向移动和甩摆，由数控系统控制两个斜轧辊1、6及轴向推料装置4的运动，对坯料5施加径向压缩、轧辊摆角、斜轧减径、轧辊调平等成形过程，坯料5在所述第一斜轧辊1、第二斜轧辊6、导板2共同构成的空间内被斜轧成轴类零件7。

当处于径向压缩时，两个斜轧辊1、6水平布置，同向绕轴旋转、相向径向压下，坯料5在轧辊1、6/坯料5的摩擦力作用下，作绕轴回转运动，被成形出轴类零件的一个斜台阶。

当处于轧辊倾斜工序时，两个斜轧辊1、6同向绕轴旋转，将水平布置的的两轧辊1、6调整至交错倾斜布置。

当处于斜轧减径工序时，两个斜轧辊1、6交错倾斜布置、同向绕轴旋转，坯料5在轧辊1/坯料5的摩擦力及轴向推料装置4的推力作用下，同时作绕轴回转运动、轴向进给运动，坯料5被成形出轴类零件7的圆杆部分。

当处于轧辊调平工序时，两个斜轧辊1同向绕轴旋转，将交错倾斜布置的的两轧辊1调平到水平布置，并成形出轴类零件7的另一个斜台阶。

坯料5按照“径向压缩→轧辊倾斜→斜轧减径→轧辊调平”成形过程逐段成形，最终完成轴类零件7的整个轴成形。

通过不同的数控系统成形程序控制斜轧辊1、6及及轴向推料装置4的运动，相同尺寸规格的斜轧辊1、6可柔性成形不同尺寸规格的轴类零件7。

本发明具有成形装置简单、吨位小、可实现柔性化生产、可减缓甚至避免芯部疏松缺陷等优点，可用于火车轴、高铁车轴、装甲车炮管、铁路道岔、变速箱传动轴、铁路道岔、发动机连杆等轴类零件7的成形。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。