工藝參數(shù)對楔橫軋螺旋齒軸成形的影響

閆華軍，劉晉平，胡正寰，王麗娟，劉玉忠

(1. 河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018；2. 北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京100083)

各類螺旋齒軸是傳遞運動和動力的部件，用于很多機(jī)械或傳動設(shè)備。目前螺旋齒軸的加工基本采用數(shù)控車和旋風(fēng)銑等去除材料加工方法來完成[1]，不僅效率較低，材料利用率也較低。滾壓可以用來軋制螺紋，該工藝一般為冷加工成形[2-4]，滾壓出的螺紋壁厚和齒高較小，螺紋的齒形精度較低，一般只用于緊固零部件。楔橫軋是一種節(jié)材、高效、清潔的先進(jìn)軋制工藝，楔橫軋技術(shù)日趨成熟，適合加工臺階軸和外形輪廓復(fù)雜的軸[5]，楔橫軋臺階軸技術(shù)已非常成熟，軋制凸輪軸等特殊軸類件已有堅實的理論基礎(chǔ)[6-9]，這為楔橫軋螺旋齒提供理論基礎(chǔ)。目前北京科技大學(xué)零件軋制中心對斜軋螺紋軸技術(shù)進(jìn)行了較詳細(xì)研究，獲得模具設(shè)計方法、成形規(guī)律等結(jié)論[10-13]。閆華軍等[14]對楔橫軋螺旋齒軸軋制技術(shù)進(jìn)行研究，通過有限元模擬得到部分工藝參數(shù)對成形的影響規(guī)律，但沒有得到實驗驗證。本文作者根據(jù)楔橫軋?zhí)菪温菪X成形特點，設(shè)計實驗?zāi)＞?，進(jìn)行楔橫軋?zhí)菪温菪X軸的軋制實驗，獲得坯料和模具螺旋升角對楔橫軋?zhí)菪温菪X的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗描述

在 H630楔橫軋機(jī)上軋制齒形截面為梯形的螺旋齒軸，軋件毛坯尺寸如圖1所示。根據(jù)坯料和模具螺旋升角，安排一系列軋制實驗，軋制溫度為1 200 ℃，上下模具最小間距為42 mm，軋機(jī)轉(zhuǎn)速為9 r/min，軋制模型如圖2所示。以坯料和模具螺旋升角作為研究參數(shù)，通過軋件齒形高度、螺距和齒形段有無螺旋痕缺陷等幾方面分析工藝參數(shù)對楔橫軋螺旋齒軸的影響規(guī)律。

1.2 不同螺旋升角的模具設(shè)計

圖1 軋件尺寸Fig.1 Size of workpiece

楔橫軋模具孔型是空間結(jié)構(gòu)，按照成形過程中金屬體積不變理論設(shè)計模具型腔，圖3所示為模具展開示意圖，模面上安排了工況1，2和3共3套模具，它們模具長度和寬度相等，其中AC為齒形成形段，CD為精整段。3個工況的成形段螺旋升角不同，工況 1和工況2成形段螺旋升角分別為5.4°和5.2°，工況3中螺旋升角分為5.2°和5.3°共2段。最終得到的實驗?zāi)＞呷鐖D4所示。分別對3種工況進(jìn)行軋制實驗，獲得螺旋升角對齒形外形的影響規(guī)律。

圖2 楔橫軋?zhí)菪温菪X軸模型Fig.2 Model of cross wedge rolling trapezoidal helical tooth shaft

圖3 模具展開圖Fig.3 Extension diagram of die

圖4 實驗?zāi)＞逨ig.4 Experimental die

1.3 軋制坯料

坯料材質(zhì)為45鋼，為了分析坯料尺寸及形狀對軋件成形的影響規(guī)律，實驗坯料設(shè)計成圓坯料和內(nèi)凹圓錐坯料2類。閆華軍等[15]根據(jù)螺旋齒形壓入和擠出體積相等理論，通過空間積分法計算出模具初始齒高，對該方法進(jìn)行整理得到如下圓坯料的直徑表達(dá)式：

式中：γ為螺旋升角；r1和 r2分別為軋件齒頂半徑和齒底半徑；a和b分別為圖1中橫截面齒形上、下底長度；h為齒形高度。

由式(1)得到該坯料直徑為40 mm。實驗中，以圖5給定的標(biāo)注形式把坯料按形狀和尺寸進(jìn)行分組，數(shù)據(jù)如表1所示。每類坯料準(zhǔn)備3根，得到的部分實驗坯料如圖6所示。

圖5 坯料尺寸Fig.5 Blank sizes

圖6 實驗坯料Fig.6 Experimental blank

表1 坯料類別及尺寸Table 1 Sizes of blank in different groups

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 坯料形狀對軋件齒高、螺距的影響

研究坯料對軋件成形的影響規(guī)律，分別用表1的6類坯料在圖3中工況1模具上進(jìn)行軋制實驗，每種坯料軋制3根。根據(jù)軋件外形質(zhì)量分析坯料對齒形外形的影響規(guī)律。

由圖 1可知：軋件毛坯的齒高和螺距分別為 8.5 mm和12 mm。實驗部分軋件如圖7所示，每個軋件共有5個完整的齒形和6個齒槽，對每個軋件從一端開始分別測量各齒高和螺距，作出軋件齒高和螺距變化曲線，如圖8所示。用式(2)計算出各軋件齒高和螺距的最大誤差、最小誤差及平均誤差，如表2所示。

式中：h0為理論齒高；hi為軋件實際齒高；t0為理論螺距；ti為軋件實際螺距。

表2 齒高及螺距誤差Table 2 Error of height and pitch

從圖8可以看出工況a1～a3軋件共同特點為：齒形段端部齒1和5的齒高低于中間齒高，端部螺距大于中間螺距。這是因為3種工況坯料為圓坯料，齒形段邊緣處模具孔型為內(nèi)側(cè)封閉，外層開放的結(jié)構(gòu)，端部金屬受到模具齒壁擠壓向外流動較多，導(dǎo)致端部齒高明顯低于中間齒高，且端部螺距變大。

圖7 實驗軋件Fig.7 Experimental workpieces

圖8 不同坯料下軋件齒高及螺距數(shù)值曲線Fig.8 Curves of tooth height and pitch of work piece in different working conditions

結(jié)合圖7和圖8得出：工況a1齒高與設(shè)計值差別較大，表2顯示a1工況齒高最大誤差、最小誤差和平均誤差分別為25.29%，9.31%和16.12%。這是因為坯料直徑太小，壓入和擠出的料較少，沒有軋出足夠高的齒形。工況a2齒高變大，齒高誤差變小，但端部齒高明顯低于中間齒高。該坯料直徑基本滿足尺寸要求。工況a3齒形飽滿，齒高誤差較小，最大誤差為4.47%，平均誤差為1.23%。從圖7可以看出：軋件齒形段邊緣的齒形有明顯的螺旋痕缺陷，這是因為軋件坯料太大，螺旋齒成形時，模具壓進(jìn)軋件的體積大于可供金屬流動的孔腔體積，這樣導(dǎo)致部分金屬不能被模具孔腔容納，該部分金屬被模具沿軸向強(qiáng)行擠出，導(dǎo)致齒形端部出現(xiàn)明顯的螺旋痕缺陷，且端部螺距變大，螺距誤差達(dá)到13.75%。

上述3種工況結(jié)果顯示：圓坯料進(jìn)行螺旋齒軋制時，軋件邊緣齒高較低、螺距較大；直徑太小時，齒高成形不足，齒形段邊緣產(chǎn)生螺距變大和螺旋痕缺陷。

從圖7、圖8和表2可以看出：坯料采用內(nèi)凹錐毛坯，模具采用工況b1，b2和b3時，得到的軋件齒高較均勻，工況b1齒高誤差較大，齒高誤差接近15%，工況b2和b3齒高誤差很小，說明內(nèi)凹圓錐坯料能改善軋件齒高不均缺陷。同時軋件螺距誤差較小，因為采用內(nèi)凹圓錐坯料軋制時，坯料兩端直徑大于中間直徑，軋制時由于金屬端部向外流動量大于內(nèi)部金屬的流動量，金屬流動不均導(dǎo)致的端部齒高不等的缺陷，可以通過坯料內(nèi)凹圓錐形狀進(jìn)行彌補(bǔ)，最終形成均勻齒高。

坯料直徑太小，齒形高度填充不滿；坯料直徑太大，產(chǎn)生不能被模具孔腔容納的余料，在軋件齒形段兩端出現(xiàn)螺距過大、螺旋痕等缺陷。只有選擇合適坯料直徑，才能軋制出齒高和螺距相對均衡的軋件，分析實驗結(jié)果，得出軋制理想軋件的坯料直徑d的經(jīng)驗公式(3)，該類坯料直徑介于工況2和工況3之間，得到的軋件齒形和螺距均勻且軋件質(zhì)量好。

式中：k=1.02～1.05。

2.2 模具螺旋升角對軋件的影響

圖2中3個工況的模具成形段螺旋升角不同，采用表1中b2坯料以及工況1～3模具進(jìn)行軋制實驗，每種工況軋制3個試件，并測量和統(tǒng)計每一種工況軋件齒高和螺距誤差，得到數(shù)據(jù)如表3所示。工況1～3得到的軋件分別為圖7(e)、圖9(a)和9(b)所示。

從圖7(e)，9(a)，9(b)和表3可以看出：工況1得到的軋件齒高和螺距誤差最大，齒形端部出現(xiàn)少量螺旋痕缺陷，工況2軋件的齒高誤差和螺距誤差比工況1軋件的略??；工況3齒高和螺距最均勻，接近理論值，且齒形段端部沒有螺旋痕，說明該工況的螺旋升角比較準(zhǔn)確。

圖9 不同模具螺旋升角工況的軋件Fig.9 Work pieces in different helix angles

表3 不同模具螺旋升角下軋件尺寸誤差Table 3 Size errors in different helix angles

圖 7(e)所示為固定螺旋升角模具，軋件齒高和螺距誤差比圖9(a)和9(b)的誤差大，且軋件出現(xiàn)螺旋痕，說明軋制過程模具螺旋升角不合適；圖 9(a)所示齒形飽滿，齒高和螺距均勻，螺旋痕減??；圖9(b)所示軋件齒高螺距誤差最小，螺旋痕改善最好。這是因為軋件齒形成形過程是金屬被壓入和擠出的過程，壓入深度大于齒高增長速度，齒形瞬時半徑逐漸變小，螺旋升角隨瞬時半徑變化，與軋件瞬時有效直徑關(guān)系為：

從式(4)可以看出：螺旋升角與直徑成反比，所以隨著軋制深入，軋件螺旋升角逐漸變大，最后達(dá)到軋件螺旋升角。即成形段螺旋升角應(yīng)該是一條從 5.2°到5.4°逐漸變化曲線，工況3變化2次螺旋升角，比其他2個工況螺旋升角更接近瞬時螺旋曲線，獲得的軋件(圖9(b))誤差最小，缺陷最小，符合軋制要求。

3 結(jié)論

(1) 用圓坯料進(jìn)行楔橫軋螺旋齒軸軋制時，由于軋件成形段端部金屬向外流動，產(chǎn)生端部齒高小和螺距大的缺陷；坯料直徑小于理論值時，軋件齒形高度不足；坯料直徑過大時，上下模具間距不變，故模具壓入量太大，部分金屬不能被模具型腔所容納，多余金屬從成形段邊緣強(qiáng)行擠出，產(chǎn)生嚴(yán)重的螺旋痕。

(2) 采用中間內(nèi)凹坯料進(jìn)行螺旋齒軸軋制時，軋件齒高較均勻。因為中間內(nèi)凹坯料的端頭直徑大于中間部分直徑，而螺旋齒成形過程，軋件端部金屬向外流動量大于中間金屬向外的流動量，當(dāng)坯料參數(shù)合適時，得到的軋件齒高相等。實驗結(jié)果表明：當(dāng)坯料形狀為內(nèi)凹錐時，軋制得到的軋件齒高和螺距均勻。

(3) 模具螺旋升角是軋件端部是否出現(xiàn)螺旋痕的重要影響因素，軋件螺旋升角與軋件瞬時有效半徑成反比，在齒形成形過程中，軋件瞬時有效半徑逐漸變小，所以，軋件螺旋升角逐漸變大，采用與軋件瞬時半徑對應(yīng)的螺旋升角時，可減小軸向誤差，減小螺旋痕問題。

[1] 梅艷波. 螺紋加工方法研究[J]. 長江大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版,2009, 6(1): 279-280.MEI Yan-bo. Research on the method of thread machining[J].Journal of Yangtze University: Science and Technology, 2009,6(1): 279-280.

[2] 王縱吉. 螺紋的滾壓加工[J]. 制造和材料, 2002, 39(3): 33-34.WANG Zong-ji. Rolling process of thread[J]. Manufacture and Materials, 2002, 39(3): 33-34.

[3] 王秀倫. 螺紋滾壓加工技術(shù)[M]. 北京: 中國鐵道出版社,1990: 195-196.WANG Xiu-lun. Technology of tread rolling processing[M].Beijing: China Railway Publishing House, 1990: 195-196.

[4] 齊會萍. 螺紋冷滾壓理論與工藝參數(shù)研究[D]. 太原：太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 2007: 2-4.QI Hui-ping. Research on the theory and process parameter of cold thread rolling[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Science and Technology. School of Materials Science and Engineering,2007: 2-4.

[5] 胡正寰, 張康生, 王寶雨, 等. 楔橫軋零件成形技術(shù)與模擬仿真[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 2004: 2-4.HU Zheng-huan, ZHANG Kang-sheng, WANG Bao-yu, et al.Forming Technology and Simulation of Crossing Wedge Rolling Parts[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004: 2-4.

[6] 楊翠蘋, 胡正寰, 張康生, 等. 楔橫軋軋件軸向變形研究[J].機(jī)械工程學(xué)報，2004, 40(9): 80-83.YANG Cui-ping, HU Zheng-huan, ZHANG Kang-sheng, et al.Study on axial deformation of workpiece in cross wedge rolling[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering 200,40(9): 80-83.

[7] 賈震, 張康生, 湯先崗, 等. 楔橫軋展寬長度對極限斷面收縮率影響機(jī)理分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2010, 30(6): 655-659.JIA Zhen, ZHANG Kang-sheng, TANG Xian-gang, et al.Analysis on principle of spread width s effect on cross wedge rolling limit-section shrinkage[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2010, 30(6): 655-659.

[8] 鄭振華, 王寶雨, 胡正寰. 凸輪軸楔橫軋精確成形機(jī)理[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報, 2010, 32(5): 650-656.ZHENG Zhen-hua, WANG Bao-yu, HU Zheng-huan.Mechanism of cam shaft forming by cross wedge rolling[J].Journal of University of Science and Technology Beijing, 2010,32(5): 650-656.

[9] Pater Z. Theoretical and experimental analysis of cross wedge rolling process[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2000(40): 49-63.

[10] 康永強(qiáng). 斜軋零件基本單元成形機(jī)理研究[D]. 北京: 北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 2003: 29-32.KANG Yong-qiang. The study of deformation mechanism based on skew rolling element[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing. School of Mechanical Engineering, 2003:29-32.

[11] 趙俊杰, 馬振海, 胡正寰. 斜軋螺紋過程的數(shù)值模擬[J]. 鋼鐵研究學(xué)報, 2002, 14(1): 22-25.ZHAO Jun-jie, MA Zhen-hai, HU Zheng-huan. Numerical simulation of skew rolling thread[J]. Journal of Iron and Steel Research. 2002, 14(1): 22-25.

[12] 趙俊杰, 胡正寰. 斜軋管形零件的三維非線性有限元分析[J].塑性工程學(xué)報, 2000, 7(2): 20-22.ZHAO Jun-jie, MA Zhen-hai, HU Zheng-huan. Three dimension nonlinear finite element analysis of skew rolling of tubular part[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2000, 7(2): 20-22.

[13] 樊旭平, 劉晉平, 閆華軍, 等. 斜軋錨桿軋制壓力影響因素實驗分析[J]. 鍛壓技術(shù), 2007, 32(5): 63-65.FAN Xu-ping, LIU Jin-ping, YAN Hua-jun, et al. Experimental analysis of rolling force influence factor of anchor rod skew rolling[J]. Forging & Stamping Technology, 2007, 32(5): 63-65.

[14] 閆華軍, 劉晉平, 胡正寰, 等. 齒頂斜率對楔橫軋螺旋齒形件成形質(zhì)量的影響[J]. 塑性工程學(xué)報, 2009, 16(2): 113-117.YAN Hua-jun, LIU Jin-ping, HU Zheng-huan, et al. Effect of tooth top slope on forming quality of helix tooth shafts rolled in cross wedge rolling[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2009,16(2): 113-117.

[15] 閆華軍, 劉晉平, 胡正寰, 等. 楔橫軋?zhí)菪温菁y軸模具關(guān)鍵參數(shù)的研究[J]. 鍛壓技術(shù), 2008, 33(5): 98-101.YAN Hua-jun, LIU Jin-ping, HU Zheng-huan, et al. Research on key parameters of die rolling thread shaft in cross wedge rolling[J]. Forging & Stamping Technology, 2008, 33(5):98-101.