一种带坯料预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法与流程

本发明属于金属塑性成形技术领域，特别涉及一种带坯料预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法。

背景技术：

楔横轧作为一种绿色先进的近净成形技术，与锻造比较，具有高效、节材和环境友好等优点，在成形轴类零件上得到了广泛的应用。目前料头是楔横轧件材料损失的一个主要来源，在楔横轧成形过程中，轧件发生局部变形，金属轴向流动的差异导致轧件产生端部凹心，所以楔横轧件通常保留足够长的料头以避免凹心对轧件的尺寸和成形质量产生影响。轧件的断面收缩率越大，料头损失越大；轧件长度越短，材料利用率越低。减小楔横轧料头长度，需要改善端部凹心，而改变坯料端部形状，平衡轧件内外部的金属流动是行之有效地方法。

综上，针对以上缺点，需要提供一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种带坯料预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法，所述成形方法直接以长棒料为原始坯料，采用在同一模具前段增加预制坯料楔，改变轧件坯料端部的形状，经主成形楔轧制成阶梯轴,轧制成形后由模具上安装的切刀直接从原始坯料上切下，得到无料头轧件,实现无料头轧制。同时，轧件以长棒料为原料，轧制成形后由模具上安装的切刀直接剪切下来，省略了现有生产方式中的锯床下料工序，缩短了生产流程。该方法能显著地提高材料利用率，缩短工艺流程，更好地发挥楔横轧工艺在轴类零件成形上的节材优势。适用于实现楔横轧无料头轧制的成形问题，适用于楔横轧轴类零件的塑性成形。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种带坯料预制楔的楔横轧模具，所述模具包括：

坯料预制楔，用于轧制原始坯料得到无料头轧件坯料的端部形状；

主成形楔，用于将预制端部的轧件坯料轧制成阶梯轴并将阶梯轴从原始坯料上分离得到无料头轧件；

定位块，用于原始坯料的定位；

所述坯料预制楔、主成形楔和定位块配合，将原始坯料轧制成若干个无料头轧件。

进一步地，所述坯料预制楔包括：预制楔基体和在所述预制楔基体上凸起的无料头轧件坯料端部轧制部；

所述无料头轧件坯料端部轧制部包括楔入段和精整段；

所述楔入段为三角锥形；所述精整段为三棱柱形或类三棱柱形。

所述三角锥形的一个侧面与所述预制楔基体贴合；所述三棱柱形或类三棱柱形的一个侧面与所述预制楔基体贴合

进一步地，所述无料头轧件坯料端部轧制部的成形角角度为25°-45°，展宽角角度为4°-9°。

进一步地，所述成形角是凸起的所述楔入段斜面与所述坯料预制楔基体之间的夹角；

所述展宽角是所述无料头轧件坯料端部轧制部的中心线与三角锥形的楔入段之间的夹角。

进一步地，所述主成形楔包括：成形楔和切刀；所述切刀设置在所述成形楔轧制末端，用于将经所述成形楔轧制后的阶梯轴切下，形成无料头轧件；

所述成形楔的结构是由所轧轧件的形状决定的，也就是说不同的轧件的成形楔结构是不一样的；所述成形楔的结构均采用现有的结构。

本发明的另一目的在于提供一种采用上述带坯料预制楔楔横轧模具轧制的无料头轧件轧制成形方法，所述成形方法包括以下步骤：

S1，将原始坯料加热到轧制温度，推入安装了两个所述模具的楔横轧机，原始坯料前端推到预设的所述定位块的位置；

S2，所述原始坯料在两个所述模具的带动下旋转，经所述坯料预制楔和主成形楔轧制后得到无料头轧件；

S3，剩余的所述原始坯料重复步骤S1～S2，直至将所述原始坯料全部轧制成若干所述无料头轧件。

进一步地，S1中采用中频感应电炉将所述原始坯料加热到轧制温度。

进一步地，S2的具体内容为：

S2.1，所述原始坯料在两个所述模具的带动下旋转(即两个所述模具轴线平行，同向旋转，并带动所述原始坯料反向旋转)，所述原始坯料依次被所述坯料预制楔的楔入段和精整段轧制，所述原始坯料上与所述无料头轧件坯料端部轧制部接触处被轧制成V型槽，形成相邻两个无料头轧件坯料端部的锥台形状，所述两个锥台形状与在预制楔基体上凸起的所述精整段形状相同；前端至所述锥台形状处形成一无料头轧件坯料；

S2.2，所述无料头轧件坯料被所述主成形楔上的成形楔轧制成阶梯轴；所述主成形楔上的切刀将所述阶梯轴切下，切下的所述阶梯轴即为无料头轧件。

进一步地，S2.1中两个所述模具轴线平行，同向旋转，具体方式是：两个所述模具中的两个坯料预制楔轴线平行并同向旋转、两个主成形楔轴线平行并同向旋转。

进一步地，所述无料头轧件坯料的端部结构呈锥台形；锥台的锥角θ为25-45°，小端直径d为0.3D-0.45D，其中D为所述原始坯料的直径；锥台的体积为Vz、高度为Lz。

进一步地，所述坯料预制楔与成形楔的位置关系按照无料头轧制等体积原则设计，因此，轧制得到的所述预成形端部的坯料和阶梯轴的体积相等。

进一步地，所述定位块与坯料预制楔的楔尖之间的轴向距离、所述坯料预制楔的楔尖和主成形楔的楔尖之间的轴向距离均由所述无料头轧件的体积、锥台的体积、锥台的高度以及原始坯料的直径确定；

进一步地，所述定位块与坯料预制楔的楔尖之间的轴向距离为L1，则L1的取值由无料头轧件坯料(或阶梯轴)的体积、锥台的体积、锥台的高度以及原始坯料的直径确定，如下式(1)所示：

其中，V为无料头轧件坯料或阶梯轴的体积，Vz为所述锥台的体积，Lz为锥台的高度，D为原始坯料的直径；所述无料头轧件坯料和阶梯轴的体积相等；

所述坯料预制楔的楔尖和主成形楔的楔尖之间的轴向距离为Lw，则Lw的取值由无料头轧件坯料(或阶梯轴)的体积、锥台的体积、锥台的高度以及原始坯料的直径确定，如下式(2)所示：

S2.2中所述原始坯料前端向前移动距离Lx的值由锥台的体积、锥台的高度以及原始坯料的直径确定，如下式(3)所示：

进一步地，所述成形方法中，轧辊旋转一圈，轧件成形一件，原始坯料送进一次。

进一步地，所述原始坯料为长棒料。

本发明的有益效果：

本发明的技术方案适用于实现楔横轧无料头轧制，采用这种基于坯料预制楔设计的无料头轧件轧制成形方法，能显著的提高材料利用率，缩短工艺流程，更好地发挥楔横轧工艺在轴类零件成形上的节材优势。

附图说明

图1为本发明实施例中坯料预制楔的立体结构示意图。

图2为本发明实施例中坯料预制楔的主视结构示意图。

图3为本发明实施例中坯料预制楔的侧视结构示意图。

图4为图2中坯料预制楔A-A面结构示意图。

图5为图2中坯料预制楔B-B面结构示意图。

图6为本发明实施例中主成形楔的立体结构示意图。

图7为本发明实施例中主成形楔的横截面结构示意图。

图8为本发明实施例中一种无料头轧件轧制成形方法的轧制示意图。

图9为本发明实施例中无料头的锥台形坯料示意图。

图10为本发明实施例中所述的原工艺流程(a)和采用长棒料轧制(b)的工艺流程示意图。

图11为本发明实施例中一种无料头轧件轧制成形方法的轧制流程示意图。

附图标记说明：1为预制楔基体，2为楔入段，3为精整段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例及说明书附图，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效教学方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明基于预制坯料形状设计的无料头轧件轧制成形方法，解决如图10.a所示的现有楔横轧成形条件下的料头材料损失问题，实现楔横轧轴类零件的精确成形。

实施例1

本实施例提供一种带预制楔楔横轧模具，如图1～7所示，所述模具包括：

坯料预制楔，用于轧制原始坯料得到无料头轧件坯料的端部形状；

主成形楔，用于将预制端部的轧件坯料轧制成阶梯轴并将阶梯轴从原始坯料上分离得到无料头轧件；

定位块，用于原始坯料的定位；

所述坯料预制楔、主成形楔和定位块配合，将原始坯料轧制成若干个无料头轧件。

所述坯料预制楔包括：预制楔基体和在所述预制楔基体上凸起的无料头轧件坯料端部轧制部；

所述无料头轧件坯料端部轧制部包括楔入段和精整段；

所述楔入段为三角锥形；所述精整段为三棱柱形或类三棱柱形。

所述无料头轧件坯料端部轧制部的成形角角度为25°-45°，展宽角角度为4°-9°。

所述成形角是凸起的所述轧件轧制部斜面与所述坯料预制楔基体之间的夹角；

所述展宽角是所述轧件轧制部中心线与三角锥形的楔入段之间的夹角。

所述主成形楔包括：成形楔和切刀；所述切刀设置在所述成形楔轧制末端，用于将经所述成形楔轧制后的阶梯轴切下，形成无料头轧件；

所述成形楔的结构是由所轧轧件的形状决定的，也就是说不同的轧件的成形楔结构是不一样的；所述成形楔的结构均采用现有的结构。

本实施例还提供一种采用上述带坯料预制楔楔横轧模具轧制的无料头轧件轧制成形方法，如图11所示，所述成形方法包括以下步骤：

S1，将原始坯料加热到轧制温度，推入安装了两个所述模具的楔横轧机，原始坯料前端推到预设的所述定位块的位置；

S2，所述原始坯料在两个所述模具的带动下旋转，经所述坯料预制楔和主成形楔轧制后得到无料头轧件；

S3，剩余的所述原始坯料重复步骤S1～S2，直至将所述原始坯料全部轧制成若干所述无料头轧件。

S1中采用中频感应电炉将所述原始坯料加热到轧制温度。

S2的具体内容为：

S2.1，所述原始坯料在两个所述模具的带动下旋转(即两个所述模具轴线平行，同向旋转，并带动所述原始坯料反向旋转)，所述原始坯料依次被所述坯料预制楔的楔入段和精整段轧制，所述原始坯料上与所述无料头轧件坯料端部轧制部接触处被轧制成V型槽，形成相邻两个无料头轧件坯料端部的锥台形状，所述两个锥台形状与在预制楔基体上凸起的所述精整段形状相同；所述无料头轧件坯料成形过程中前端向前移动预设轴向距离；前端至所述锥台形状处形成一无料头轧件坯料；

S2.2，所述无料头轧件坯料被所述主成形楔上的成形楔轧制成阶梯轴；所述主成形楔上的切刀将所述阶梯轴切下，切下的所述阶梯轴即为无料头轧件。

进一步地，S2.1中两个所述模具轴线平行，同向旋转，具体方式是：两个所述模具中的两个坯料预制楔轴线平行并同向旋转、两个主成形楔轴线平行并同向旋转。

所述无料头轧件坯料的端部结构呈锥台形；锥台的锥角θ为25-45°，小端直径d为0.3D-0.45D，其中D为所述原始坯料的直径；锥台的体积为Vz、高度为Lz。

所述坯料预制楔与成形楔的位置关系按照无料头轧制等体积原则设计，因此，轧制得到的所述预成形端部的坯料和阶梯轴的体积相等。

所述定位块与坯料预制楔的楔尖之间的轴向距离为L1，则L1的取值由无料头轧件坯料(或阶梯轴)的体积、锥台的体积、锥台的高度以及原始坯料的直径确定，如下式(1)所示：

其中，V为无料头轧件坯料或阶梯轴的体积，Vz为所述锥台的体积，Lz为锥台的高度，D为原始坯料的直径；所述无料头轧件坯料和阶梯轴的体积相等；

所述坯料预制楔的楔尖和主成形楔的楔尖之间的轴向距离为Lw，则Lw的取值由无料头轧件坯料(或阶梯轴)的体积、锥台的体积、锥台的高度以及原始坯料的直径确定，如下式(2)所示：

轧辊旋转一圈，轧件成形一件，原始坯料送进一次。

本实施例所述所述原始坯料为长棒料。

本实施例的一种带坯料预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法；其实现原理如下:

如图10的(a)所示，现有的工艺通常采用锯床下料，将长棒料截成短棒料，下料长度要包含料头部分的材料损失；短棒料经中频感应加热后送入楔横轧机轧制成形，轧后轧件由于端面凹心而在两端有较大的料头损失。如图10的(b)所示，如果采用长棒料轧制，就可以取消轧前锯床下料的工序，长棒料直接送入中频感应加热炉加热，进入轧机轧制成形；轧辊旋转一圈，轧件成形一件，长棒料送进一次。

原楔横轧工艺模具只有成形楔部分，成形轧件的两端带有较大的料头。采用长棒料轧制时，在同一模具上、成形楔轧制前增加了坯料预制楔，通过坯料预制楔将轧件两侧端部预轧成特定的形状，然后再由成形楔将整个产品轧制成形。

图8的(a)所示，长棒料推入带预制楔楔横轧模具之间时的状态。图8的(b)所示，在坯料预制楔的作用下，长棒料前端被轧制成左右对称、端部为锥台形的轧件坯料，在功能上实现了轧件的热轧下料和端部预制锥形；图8的(c)所示，在主成形楔的作用下，轧件被轧制成形，由于坯料端部预制的锥形平衡了轧件内外层的金属流动，避免了端部凹心，实现了无料头轧制。模具上安装的切刀将已形成阶梯轴的轧件从长棒料上截取下来，而长棒料左侧的部分在轴向推料机构的作用下继续推入模具之间，开始下一轮循环。

本实施例中，根据上述的带预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法，选取长棒料的直径D为Φ40mm，V为96557mm³，所述无料头轧件两端的断面收缩率为45％。锥台的锥角θ＝45°，d＝18mm，Vz＝7614mm³，Lz＝11.00mm，坯料预制楔成形角α＝45°，展宽角β＝4°。由式(1)计算得到的L1＝81.78mm，由式(2)计算得到的Lw＝43.36mm，由式(3)计算得到的Lx＝4.94mm。

实施例2

本实施例的一种带坯料预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法与实施例1基本相同，唯不同的是：

选取长棒料的直径D为Φ40mm，V为96557mm³，所述无料头轧件两端的断面收缩率为60％。锥台的锥角θ＝35°，d＝15mm，Vz＝11333mm³，Lz＝17.85mm，坯料预制楔成形角α＝35°，展宽角β＝7°。由式(1)计算得到的L1＝85.67mm，由式(2)计算得到的Lw＝47.25mm，由式(3)计算得到的Lx＝8.83mm。

实施例3

本实施例的一种带坯料预制楔楔横轧模具及无料头轧件轧制成形方法与实施例1基本相同，唯不同的是：

选取长棒料的直径D为Φ40mm，V为96557mm³，所述无料头轧件两端的断面收缩率为75％。锥台的锥角θ＝25°，d＝12mm，Vz＝17480mm³，Lz＝30.02mm，坯料预制楔成形角α＝25°，展宽角β＝9°。由式(1)计算得到的L1＝92.95mm，由式(2)计算得到的Lw＝54.53mm，由式(3)计算得到的Lx＝16.11mm。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。