三輥螺旋孔型軋機的設(shè)計開發(fā)與試驗研究

曾時金，朱 旭

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 順德528311)

三輥螺旋孔型軋機的設(shè)計開發(fā)與試驗研究

曾時金，朱 旭

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 順德528311)

介紹了新型三輥螺旋孔型軋機的結(jié)構(gòu)，該軋機由軋輥裝置、機架、軋輥壓下裝置、相位角調(diào)節(jié)機構(gòu)、軸向調(diào)節(jié)裝置及送進角調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，三輥螺旋孔型軋機具有單機生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點，特別適合于軸承套圈坯料等環(huán)形件的批量生產(chǎn)。

螺旋軋制;孔型斜軋;軸承套圈坯料

1 前言

螺旋孔型軋制屬于斜軋技術(shù)，其基本原理是將斜軋機的軋輥加工出螺旋狀的溝槽或突起，其斷面可以是半圓形、梯形或其他形狀，從而使變形區(qū)形成螺旋狀的孔型。在軋制過程中，軋輥使軋件螺旋前進，金屬逐漸充滿孔型，進而得到所需形狀的零件。

20世紀50年代，前蘇聯(lián)、日本、美國等國家采用螺旋孔型軋制技術(shù)高效率地生產(chǎn)鋼球、絲桿等產(chǎn)品(包括冷、熱軋和空、實心零件)，取得了顯著的經(jīng)濟效益。我國從20世紀60年代開始利用該技術(shù)生產(chǎn)球磨機鋼球。20世紀70年代開始開發(fā)了單孔型工藝、深淺孔型工藝、多頭孔型軋制工藝以及相應(yīng)的設(shè)備和軋輥，使該項技術(shù)得到較快的發(fā)展。

螺旋孔型斜軋與常規(guī)成形工藝——鍛造相比，有以下優(yōu)勢:單機生產(chǎn)率高，可提高5～20倍;材料利用率高;勞動條件改善;模具壽命長;設(shè)備投資少;生產(chǎn)成本低［1］。

該項技術(shù)在國內(nèi)主要用于鋼球生產(chǎn)，有資料顯示，該項技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于銅球、鋁球、球頭吊環(huán)、防滑釘?shù)然剞D(zhuǎn)體零件的生產(chǎn)［2］。

上述設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品屬于實心體類零件，所采用的設(shè)備一般為二輥式斜軋機，而對于環(huán)形件，管類件的生產(chǎn)，國內(nèi)外很少應(yīng)用孔型斜軋技術(shù)。目前，已有一些研究資料顯示，適當規(guī)格的環(huán)形件和管類件也可以采用孔型斜軋技術(shù)。比如，軸承的內(nèi)外套圈就非常適合采用該技術(shù)進行大批量的生產(chǎn)。

經(jīng)過市場調(diào)研，軸承內(nèi)外套圈采用該技術(shù)進行生產(chǎn)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是，二輥式斜軋機不適合類似于軸承內(nèi)外套圈的環(huán)形件的生產(chǎn)，因為側(cè)導(dǎo)板的摩擦力會使環(huán)形件嚴重變形。所以，要使用孔型斜軋技術(shù)來生產(chǎn)環(huán)形件，就必須開發(fā)三輥斜軋設(shè)備，去掉側(cè)導(dǎo)板。

無論是二輥式或三輥式斜軋機，都是利用輥型的變化來生產(chǎn)不同形式的產(chǎn)品。二輥式斜軋機類似于穿孔機，與穿孔機最大的區(qū)別就是軋輥的輥型不同。目前，國內(nèi)的螺旋孔型斜軋設(shè)備主要以二輥為主，三輥孔型斜軋設(shè)備與工藝在國內(nèi)很少見。主要有以下幾點原因:一是軋制空間限制了小規(guī)格的環(huán)形件的生產(chǎn);二是模具設(shè)計與制造復(fù)雜;三是工藝調(diào)整難度大。

然而，三輥螺旋孔型斜軋機具有二輥孔型斜軋機無可比擬的優(yōu)勢。其主要原因是三輥螺旋孔型斜軋機不需要側(cè)導(dǎo)板，減少了因側(cè)導(dǎo)板與軋件的摩擦而產(chǎn)生的能量損耗。同時，三輥孔型軋機增加了軋件的軋制道次，可使變形量和產(chǎn)品質(zhì)量都得到大幅提高。

2 三輥螺旋孔型軋機總體結(jié)構(gòu)

本文所介紹的三輥螺旋孔型軋機是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、整機加工范圍廣且調(diào)節(jié)較方便的三輥式斜軋機。

根據(jù)螺旋孔型軋制工藝的要求，在軋制過程中，需要:

(1)對軋制的送進角進行調(diào)整;

(2)對軋輥的螺旋孔型進行對齊;

(3)對軋輥的壓下軋制空間進行調(diào)整;

(4)對軋輥的螺旋孔型相位進行調(diào)整。

基于上述需求，我們開發(fā)設(shè)計了一臺三輥螺旋孔型軋機，如圖1所示。

圖1 三輥螺旋孔型軋機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of three-roll screw rollingmill

該三輥螺旋孔型軋機為實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體類坯料軋制的連續(xù)高效生產(chǎn)而設(shè)計，相比單件軋制或鍛造可以大幅提高材料的利用率，縮短工藝流程?？蓪崿F(xiàn)從管狀坯料到環(huán)形零件的一次加工成型，大量節(jié)省了管坯原材料的損耗，材料利用率提高到90%以上，同時，也大幅提高了生產(chǎn)效率。三輥螺旋孔型軋機是專為大批量環(huán)形類零件的生產(chǎn)而設(shè)計的，因此，該種軋機一般用于專用的生產(chǎn)線上。該三輥螺旋孔型軋機的整體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 螺旋孔型軋機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of screw rollingmill

該三輥螺旋孔型軋機，包括軋輥裝置，框式機架，壓下調(diào)節(jié)系統(tǒng)，軸向調(diào)節(jié)裝置，送進角調(diào)節(jié)裝置，相位角調(diào)節(jié)裝置，主傳動系統(tǒng)，芯棒、送料裝置和出料裝置。螺旋孔型軋機的三個軋輥在與軋制線垂直的平面上，在圓周方向上呈120°均布。由于軋輥軋制時孔型調(diào)整的需要，所以該設(shè)備設(shè)有對軋輥軸向位置，軋輥送進角，軋輥高度位置，軋輥相位角等相關(guān)量的調(diào)整裝置。

該三輥螺旋孔型軋機的主機采用了模塊化設(shè)計，分為以下8個模塊:

(1)軋輥裝置。軋輥裝置的核心部件是軋輥，其直徑與長度決定了軋輥裝置的尺寸與結(jié)構(gòu)。

(2)軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置。軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置的主要作用是軸向調(diào)節(jié)軋輥的位置，以便于對準孔型。

(3)壓下調(diào)節(jié)裝置。壓下調(diào)節(jié)裝置采用的絲杠壓下調(diào)節(jié)機構(gòu)。

(4)送進角調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)筒鎖緊裝置。送進角調(diào)整范圍0°～10°，手動調(diào)整;鎖緊轉(zhuǎn)筒，防止其在軋輥工作過程中發(fā)生轉(zhuǎn)動。

(5)相位角調(diào)節(jié)裝置。主要作用是調(diào)節(jié)軋輥孔型相位，防止軋制過程中的“亂扣”現(xiàn)象。調(diào)節(jié)方式采用手動調(diào)節(jié)。

(6)主體機架、機座。機架為組合結(jié)構(gòu)，由前后兩塊鑄造牌坊構(gòu)成，中間用拉桿和套筒固定。機座用地腳螺栓固定于地面。

(7)軋件導(dǎo)入、導(dǎo)出裝置。用于軋件的導(dǎo)入、導(dǎo)出，前后臺的中心高度定位。固定于機架上。

(8)冷卻、潤滑系統(tǒng)。用于軋制過程中冷卻軋輥，潤滑軋輥的系統(tǒng)。

3 三輥螺旋孔型軋機的主要結(jié)構(gòu)

3.1 壓下調(diào)節(jié)系統(tǒng)

如圖3所示。通過電機帶動絲桿軸4轉(zhuǎn)動，使得壓下螺母3與轉(zhuǎn)筒1一起上升與下降。從而達到調(diào)節(jié)軋輥壓下量，及高度位置的調(diào)整。其中調(diào)整螺母2用于調(diào)整壓下螺母與絲杠軸之間的間隙。壓蓋5通過螺栓安裝于機架上，承受軋制壓力。

圖3 壓下調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of screwdown adjusting system

3.2 軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置

如圖4所示。一般軋輥的軸向偏差一般都很小，只需要微調(diào)，通過調(diào)節(jié)螺栓4，推動軋輥座2在軋輥托盤1中滑動，從而起到調(diào)整軋輥軸向位置的作用。同時，通過兩側(cè)的調(diào)節(jié)螺栓同時鎖緊，軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置也有軋輥軸向定位的作用。

圖4 軋輥軸向位置調(diào)節(jié)示意圖Fig.4 Sketch of roller axial position adjustment

3.3 送進角調(diào)節(jié)裝置

如圖5所示。通過手輪1帶動絲桿軸2轉(zhuǎn)動，推動或縮回頂桿3，從而改變轉(zhuǎn)筒4的角度，起到調(diào)節(jié)軋輥送進角的作用。同時鎖緊兩個絲杠軸還可以起到鎖緊送進角的作用。

圖5 軋輥送進角調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Sketch of roller feed-angle adjustment

3.4 相位角調(diào)節(jié)機構(gòu)

如圖6所示。通過松開脹套2，任意改變軋輥軸1的初始角度，然后鎖緊脹套2，從而到達調(diào)節(jié)軋輥相位角的作用。

圖6 相位角調(diào)節(jié)示意圖Fig.6 Sketch of phase-angle adjustment

4 軋輥系空間關(guān)系

三輥軋機的軋輥布置如圖7所示。其中，軋輥直徑D與芯棒直徑d的關(guān)系如下［4］:

式中，Δ為兩軋輥之間的間隙距離，Δ的最佳取值范圍3 mm＜Δ＜10 mm。

此外，軋輥中心線與芯棒中心線的夾角應(yīng)在0°～10°之間。

軋制過程中，軋輥與芯棒的間隙為0～1 mm。

圖7 軋輥與軋件空間位置示意圖Fig.7 Sketch for spatial position of rollers and rolled piece

5 三輥螺旋孔型軋機樣機制造

在進行了市場調(diào)研和充分的理論分析與之后，廣東冠邦科技有限公司對三輥螺旋軋機進行了試制，樣機如圖8所示。

圖8 三輥螺旋孔型軋機樣機實物圖Fig.8 Picture of prototype of three-roll screw rollingmill

由于條件所限，我們采用了力學(xué)性能與熱軋狀態(tài)下鋼管十分接近的純鋁管進行了試驗研究。試驗結(jié)果比較理想，成功實現(xiàn)了從無縫管到環(huán)形件的軋制成型與切斷。圖9為第一次試驗的軋件樣品。

圖9 鋁管軋制試件Fig.9 Rolled specimens of aluminium tube

6 結(jié)論

介紹了廣東冠邦科技有限公司最新研發(fā)的三輥螺旋孔型軋機的構(gòu)成和設(shè)計思想，同時介紹了該種類型軋機的軋輥系空間關(guān)系。通過制造樣機、并進行了試驗研究，驗證了三輥螺旋孔型軋機的結(jié)構(gòu)設(shè)計和孔型設(shè)計的合理性，也發(fā)現(xiàn)了設(shè)備還存在需要改進的細節(jié)。

本機可適應(yīng)多種環(huán)形零件的軋制，設(shè)備具有整體設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、設(shè)備投資少、工藝調(diào)整難度小、可降低生產(chǎn)成本、改善勞動環(huán)境等優(yōu)點。

［1］秦建平，帥美榮．特種軋制技術(shù) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007．9．

［2］胡正寰，華林．零件軋制成形技術(shù) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010．2．

［3］張慶生．螺旋孔型斜軋工藝 ［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1985．

［4］雙遠華，梁愛生．鋼管生產(chǎn)技術(shù)問答 ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

Design and experimental development of three-roll screw groove rolling m ill

ZENG Shi-jin，ZHU Xu
(Guangdong Tube＆Rod Technology Co．，Ltd．，Shunde 528311，China)

The compositions and the design ideas of a new type three-roll screw rollingmill are described．The mill is composed of roller device，work stand，roller screwdown device，phase-angle adjustingmechanism，axial adjustingmechanism and feed angle adjusting mechanism，etc．The manufacturing and testing process of a prototype are elaborated．Compared with the traditional equipments，ithas high production efficiency andmaterial utilization rate．It is suitable formass production of ring parts like blanks of bearing rings．

helical rolling;skew rolling with spiral groove;blank of bearing ring

TG376.2

A

1001－196X(2012)05－0010－04

2012－07－25;

2012－08－21

曾時金(1983－)，男，碩士，廣東冠幫科技有限公司工程師。