擺動輾壓技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

文/溫志高·成都銀河動力有限公司

擺動輾壓技術的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

文/溫志高·成都銀河動力有限公司

溫志高，教授級高工，國務院特殊津貼專家，河南省優(yōu)秀青年科技專家，中國兵器工業(yè)集團公司科技帶頭人，主要從事汽車鍛件新產(chǎn)品研發(fā)和技術管理工作。

擺動輾壓可以實現(xiàn)綠色生產(chǎn)，是非常好的近似凈形加工，具有沖擊小、振動小、噪聲小、金屬容易充填模腔、設備小、占地面積少、模具壽命高、產(chǎn)品精度高等優(yōu)點，節(jié)能、節(jié)材、節(jié)省投資，擴大了塑性加工的范圍，在機械、汽車、電器、儀表、五金工具等許多工業(yè)部門得到了廣泛應用。

擺動輾壓加工與傳統(tǒng)切削工藝相比，生產(chǎn)的零件可節(jié)材30%左右，降低制造成本25%左右，對中小規(guī)模生產(chǎn)也極為適用。傳統(tǒng)的鍛造加工是將毛坯加熱到一定的溫度后，通過一道或幾道工序在瞬間全面加壓完成，模具表面的摩擦因素限制了工件的徑向流動，成形時模具與工件接觸面受壓較大。而擺動輾壓是利用一個帶錐的、可旋轉(zhuǎn)的上模對毛坯局部加壓，從而達到逐漸成形的一種塑性加工技術。

因為模具與坯料之間的接觸面積小，金屬容易流動，加之模具與坯料表面之間的摩擦可能由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，摩擦系數(shù)大大降低，因而擺動輾壓工藝最適宜齒形零件成形和軸類零件的薄法蘭部位成形。

工作原理

擺動輾壓利用一個帶錐的上模對毛坯局部加壓，并繞中心連續(xù)滾動如圖1所示。錐形模具的軸線O-P與擺輾機主軸線O-M成一個夾角γ。當主軸旋轉(zhuǎn)時，帶動錐模沿工件做擺動運動，油缸推動滑塊把毛坯送進并加壓，錐模母線相對于工件軸線作螺旋運動。毛坯在錐形模具作用下高度減小、直徑增大，逐漸成形。由于擺動輾壓是局部接觸，變形區(qū)面積小，接觸摩擦力小，單位面積上的流動力也就小，總工藝力小，因而具有設備噸位小、投資少、見效快的優(yōu)點。

圖1擺動輾壓工作原理圖

擺輾機的類型及特點

擺輾時按照模具的運動方式可將擺輾機分為三大類型（圖2）。兩個模具按各自軸旋轉(zhuǎn)，其中一個模具還同時沿機床軸向平移實現(xiàn)進給運動（圖2a），稱為I型擺輾機，例如美國的Slickmill、德國瓦格納公司的AGW型、俄羅斯的端面齒輪熱輾壓機等。Ⅰ型擺輾機結(jié)構(gòu)比較簡單，采用普通滾動軸承，擺頭軌跡為圓。此類擺輾機廣泛應用于熱擺輾成形領域。

擺頭轉(zhuǎn)動的同時，又繞機床軸線公轉(zhuǎn)，并且沿機床軸向平移實現(xiàn)進給運動的稱為Ⅱ型擺輾機。其擺頭軌道為葉瓣交叉的11葉玫瑰線，是Ⅰ型到Ⅱ型的過渡型（圖2b），該類型用于鉚接。將Ⅱ型擺輾機擺頭自轉(zhuǎn)相交，即為Ⅲ型擺輾機（圖2c），該類型往往采用雙偏心筒、球頭軸承、有限轉(zhuǎn)裝置，擺頭軌道有多種。

冷、溫擺輾成形的工件尺寸形狀精度高，可以實現(xiàn)少、無切削加工，而熱擺輾以小設備加工大工件，設備投資相對較少，同時各種擺輾工藝都有節(jié)材、節(jié)能、降低成本、無振動且噪聲低（小于80dB），勞動環(huán)境好，易于實現(xiàn)自動化及生產(chǎn)效率高等諸多優(yōu)點。隨著先進制造技術的發(fā)展，人們對擺輾工藝的認識逐步深刻，其應用范圍不斷地擴大，這將成為以塑性成形實現(xiàn)少、無切削加工的主要手段。

圖2 擺動輾壓的三種形式

擺輾工藝的應用

擺輾工藝在機械、汽車、摩托車、電器、儀表、五金工具等領域得到了廣泛應用。擺輾工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品有變速器齒輪、同步器齒環(huán)、差速器行星錐齒輪和半軸錐齒輪、起動棘輪、油泵凸輪、離合器盤轂、半軸、端面齒輪、主減速器從動齒輪、空壓機閥蓋、碟形彈簧、揚聲器導磁體、銑刀片等。

在鍛壓行業(yè)的應用

擺動輾壓在鍛壓行業(yè)的應用越來越廣泛，主要用來成形各種餅、盤、環(huán)及帶法蘭的長軸類鍛件，如法蘭盤、齒輪坯、銑刀坯、碟形彈簧坯、汽車半軸、揚聲器導磁體、帶齒形的傘齒輪、端面齒輪、鏈輪、銷軸等。

擺動輾壓按輾壓溫度不同可分為熱輾、溫輾和冷輾三種，冷輾的特點是輾壓出的鍛件精度高、質(zhì)量好、表面粗糙度低、力學性能高，一般不需要再加工或只需很少量加工，基本上實現(xiàn)近凈成形。冷輾模具壽命高達20000～30000件，但冷輾變形力大，每次變形程度不宜過大，否則易出現(xiàn)開裂廢品。熱輾時變形力小，容易成形，但鍛件精度低、模具壽命短，輾壓后到成品需機械加工。溫輾是介于冷輾和熱輾之間的加工方法，溫輾時變形力較小，鍛件表面很少氧化，質(zhì)量較高，是一種很有前途的塑性加工方法。

粉末擺輾

粉末擺輾是以粉末冶金燒結(jié)體做預制坯，經(jīng)過擺輾成形，以獲得致密度很高制品的新技術。金屬制品在擺輾過程中，不僅產(chǎn)生幾何形狀的變化，而且有較大的體積變化，這是粉末冶金擺輾的特點。粉末冶金制品的機械性能、物理性能主要取決于其致密度，擺動輾壓是粉末冶金制品致密化的有效手段，它可以將密度為6.4～6.6g/cm3的粉末冶金燒結(jié)體輾壓成密度為7.74～7.8g/cm3的金屬粉末制品。

擺輾不僅適合上述工藝，還可以用于擠壓、圓管縮口、翻邊、精密沖裁等方面。

擺動輾壓的應用

擺動輾壓在國內(nèi)的應用

我國從事擺動輾壓研究工作是從1973年開始的，最初由武漢汽車齒輪廠試制成功一臺小型擺動輾壓設備，以后上海電機鍛造廠、哈爾濱工業(yè)大學、上海機械制造工藝研究所、北京第二汽車制造廠、天津鍛造廠、徐州鍛壓設備制造廠等單位相繼制造成功不同規(guī)格、不同結(jié)構(gòu)的擺輾機，并用于生產(chǎn)和研究工作。在設備方面，已設計和制造了從36～4000kN共8種規(guī)格的立式輾擺機，1000kN、1600kN、2000kN三種規(guī)格的臥式擺輾機。

上海機械制造工藝研究所是我國引進具有四種運動軌跡的波蘭擺動輾壓機最早的單位。中國兵器工業(yè)第59研究所1984年從波蘭引進PXWP-100C擺動輾壓機后就著手研究擺動輾壓機的傳動原理、結(jié)構(gòu)及零部件，并設計了6300kN擺動輾壓機，利用冷擺動輾壓成形大型汽車同步環(huán)、大型被動螺旋錐齒輪、兵器零件及其他產(chǎn)品。

1984～1997年，59研究所胡亞民帶領的課題組成員在波蘭擺動輾壓機上開發(fā)生產(chǎn)了多種產(chǎn)品，其中的摩托車端面齒輪和棘輪擺輾件代替進口件，得到用戶的高度評價。

江蘇太平洋精鍛科技股份有限公司有瑞士Schmid公司產(chǎn)擺輾機3臺。他們在擺輾復合精密成形技術應用和開發(fā)領域取得了不少成績，填補了不少技術空白，許多科技成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力。

江蘇江陰全華豐精鍛公司有瑞士史密特公司產(chǎn)的T-630和T-200擺輾機各一臺，其主導產(chǎn)品也是各種汽車差速器的行星錐齒輪和半軸錐齒輪，還有摩托車起動齒輪、棘輪。目前具有年產(chǎn)1200萬件的生產(chǎn)能力，其擺輾機是該廠生產(chǎn)錐齒輪的主要設備。

國內(nèi)不少人研究汽車差速器直齒行星錐齒輪的擺動輾壓成形，他們有的測試擺輾過程中的力能參數(shù)，有的用光塑性模擬擺輾錐齒輪時的金屬變形，有的研究擺輾工藝參數(shù)和復合成形。

齒輪冷擺輾成形件的齒形精度和粗糙度的高低由模具齒形型腔的電火花加工工藝決定。電極的精度要比產(chǎn)品精度高1～2級，電極還要避免尖角。因為尖角放電集中，電極損耗快，嚴重影響模具型腔的加工精度。由于在電火花加工過程中電極與模具型腔之間的放電間隙和加工過程中的電極損耗，所以對于精度高于8級的螺旋錐齒輪不但要使用兩個（或三個）電極進行兩次（或三次）電火花加工，而且要對電極齒形參數(shù)和尺寸進行修正，不過如果齒輪精度低于8級，則無須對電極修正。

擺動輾壓新技術在我國已得到推廣和應用，用擺動輾壓工藝生產(chǎn)的揚聲器導磁體，不僅取代了落后的板拉鉚接工藝，節(jié)省了大量的原材料，提高了產(chǎn)量和質(zhì)量，而且還減少了價格昂貴的大噸位壓力機。汽車半軸擺輾工藝經(jīng)生產(chǎn)實踐考驗，已在全國大部分半軸廠推廣應用，采用擺輾機工藝生產(chǎn)的各類汽車半軸年產(chǎn)量達200余萬根，取得了明顯的經(jīng)濟效益。采用擺輾工藝生產(chǎn)的碟形彈簧、端面齒輪、錐形傘齒輪等都已大批量生產(chǎn)，這不但顯示擺輾機設備的優(yōu)越性，而且也解決了中小型工廠想從事大型模鍛件的生產(chǎn)卻沒有大型模鍛設備的問題。

擺動輾壓技術在國外的應用

早在20世紀20年代，英國的馬賽就開始從事擺輾的研究工作，于1929年獲得了專利，但直到1966年才制造和安裝了一臺700kN擺輾機，能加工直徑為100mm的盤類零件。1974年建立了一條自動的擺輾生產(chǎn)線，該線由送料裝置、感應加熱爐、擺輾機、自動上下料裝置、切邊機等組成，每小時生產(chǎn)600件，只需2～3人，模具壽命可達10000件左右。英國馬賽公司先后生產(chǎn)了6條擺輾機生產(chǎn)線，其中4條銷往國外，2條在國內(nèi)使用，主要用于生產(chǎn)各種汽車零件。

波蘭第一臺擺輾機問世比英國晚，但波蘭在擺輾研究和實際應用方面均比英國發(fā)展快，他們已先后制造了幾百臺擺輾機供國內(nèi)外市場，目前幾乎大多數(shù)從事擺輾研究和生產(chǎn)的國家都從波蘭進口過擺輾機。他們生產(chǎn)的擺輾機主要有1600kN和2000kN兩種，該機參數(shù)可調(diào)，對于不同的產(chǎn)品可隨意變換不同的擺輾軌道。

瑞士史密特公司1981年在巴拿馬博覽會和漢諾威歐洲機床展上展出了該公司生產(chǎn)的帶有上下料裝置的全自動擺輾機（T-200型）。日本、美國等國家也都對擺輾機的研究工作很重視。

前沿技術與發(fā)展方向

進一步深入研究

應該深入研究擺動輾壓機擺頭運動軌跡的運動學和動力學的有關問題，研究擺動輾壓機的軌跡，要像了解曲柄壓力機那樣了解它的位移曲線、速度曲線和加速度曲線。應該掌握不同擺頭運動軌跡下的金屬變形特征與力能參數(shù)的關系，優(yōu)化最佳預成形件形狀以及擺動輾壓成形模具的加工工藝、選材、熱處理等影響模具壽命的基本因素，建立更符合擺動輾壓生產(chǎn)實際的數(shù)學模型，掌握擺動輾壓機輾頭運動軌跡與擺動輾壓成形件的成形精度與模具壽命的關系。

現(xiàn)在，已有許多關于振動擺動輾壓運動學和振動擺動輾壓成形原理的研究成果問世，還應當加強對扭轉(zhuǎn)振動擺動輾壓精密成形工業(yè)化生產(chǎn)方面的研究。

發(fā)展擺輾復合精密成形技術

大力發(fā)展復合成形工藝，可以將冷擺動輾壓工藝推廣用于生產(chǎn)形狀更復雜且精度要求高的零件，或體積重量較大、冷鍛力較大、需要大噸位設備而熱鍛又不能達到其精度要求的零件。例如變速器輸入軸與輸出軸接合齒輪、自動變速器行星齒輪、減速器弧齒錐齒輪等齒輪類零件，以及變速箱、減速器齒輪總成零件等。

可以采用冷擺輾技術對預成形件終成形加工，預成形件可熱精鍛成形，冷溫擠壓成形，也可采用其他成形方法如沖裁、精密沖裁、鐓粗或局部成形，最后再擺輾。采用這種復合精密成形技術，可以擺動輾壓生產(chǎn)出更復雜的零件。

汽車可變螺距轉(zhuǎn)向齒條可采用冷擺輾復合成形代替原來的切削加工，模具結(jié)構(gòu)簡單，齒形部分尺寸精度高。其工序是先下料到所需長度，壓扁預制坯，然后磷化、皂化，最后冷擺輾成形。

我國專家在20世紀80年代就對20CrMo端面齒輪擺動輾壓件的強化原理進行研究，指出通過擺動輾壓可使20CrMo鋼的整體強度提高1.4～1.5倍，提高零件的力學性能和使用性能的可靠性，降低生產(chǎn)成本。

開發(fā)粉末冶金的擺輾成形

粉末擺輾是對粉末冶金燒結(jié)體用擺動輾壓機代替?zhèn)鹘y(tǒng)鍛造設備成形獲得高密度、高強度機械結(jié)構(gòu)零件的新技術。日本、波蘭早有研究和生產(chǎn)，國內(nèi)也有人進行過粉末鍛造擺輾成形錐齒輪的科學研究和產(chǎn)品開發(fā)。

它將傳統(tǒng)的粉末冶金技術和精密擺輾技術相結(jié)合，綜合了兩者的優(yōu)點，能以較低的成本和較高的生產(chǎn)效率實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，能夠生產(chǎn)高質(zhì)量、高精度、高密度、形狀復雜的結(jié)構(gòu)零件，是一種很有前途的新技術。

擺動輾壓成形時單位擠壓力高，粉末件材料易于流動，容易提高擺動輾壓成形件的密度和減小各部分的密度差，大大提高了其抗拉強度，擴大了擺動輾壓粉末冶金件的應用范圍。

國內(nèi)外有工廠生產(chǎn)擺動輾壓粉末冶金螺旋錐齒輪、直齒錐齒輪、圓柱齒輪、凸輪、螺母，以及套筒和環(huán)等零件，其成形力只需傳統(tǒng)鍛壓設備的1/5，而密度大大超過傳統(tǒng)鍛壓設備鍛造的粉末件，達到7.8g/cm3。

先在無縫鋼管內(nèi)壁燒結(jié)銅合金，再采用徑向擺輾機將燒結(jié)上的銅合金襯層致密達到相對密度98%以上。新工藝制造的雙金屬軸套零件結(jié)構(gòu)為整圓、無接縫，剛度好、精度好，便于在自動生產(chǎn)線上自動化裝配；生產(chǎn)效率高，完成一支軸套平均工時不到3s。主要設備只需2～3臺套、占地面積小，鋼和銅合金的利用率接近100%，制造成本低。

對雙金屬板卷制軸套擺輾成形其法蘭部位，收到了很好的效果，銅合金和鋼材利用率接近100%。它完全取代了原由燒結(jié)雙金屬止推環(huán)與卷制的套筒摩擦對焊而制造的止推軸套。

提高模具壽命

再制造技術是一種先進的、節(jié)能節(jié)材的前沿制造技術，是21世紀極具潛力的新型產(chǎn)業(yè)。發(fā)達工業(yè)國家十分重視和發(fā)展再制造技術。美國羅切斯特理工學院有一個專門從事再制造工程研究的全國再制造和資源恢復中心；田納西大學無污產(chǎn)品和技術研究中心將進行汽車的再制造技術研究。

將再制造技術應用到擺動輾壓行業(yè)能保證優(yōu)質(zhì)、高效、安全、可靠、節(jié)能、節(jié)材，要考慮將多種表面工程技術和其他技術融合交叉，將擺動輾壓模具零部件因磨損、磨蝕、疲勞破壞的部分進行修復。這樣就能以最少的投資擴大擺動輾壓模具制造的生產(chǎn)能力，也是解決資源浪費、環(huán)境污染和廢舊模具翻新的最佳方法和途徑，是符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項綠色系統(tǒng)工程。要千方百計提高模具壽命，做好失效分析和無損檢測評價，在模具的選材和熱處理上下功夫。

大力推廣數(shù)字模擬技術

要采用CAD、CAE、CAPP軟件，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、分析、生產(chǎn)和質(zhì)量管理的一體化和集成化，建立以微觀組織模擬和成形過程仿真、產(chǎn)品性能試驗為基礎的從毛坯到擺動輾壓件直至成品熱處理等工藝參數(shù)和設計參數(shù)的知識庫和數(shù)據(jù)庫，建立擺輾精密成形質(zhì)量控制體系；實現(xiàn)擺動輾壓材料、擺動輾壓設備、擺動輾壓成形件無損檢測評價一體化，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低制造成本，縮短產(chǎn)品設計開發(fā)周期。

結(jié)束語

擺動輾壓成形技術能夠擺輾其他鍛造成形工藝難以成形的零件，如汽車的VE泵端面凸輪、離合器盤轂、磁電機軸套、差速器錐齒輪、半軸，摩托車的端面齒輪、單向器飛塊、起動棘輪、差速輪，揚聲器的導磁體，槍械的轉(zhuǎn)向齒圈、調(diào)節(jié)塞，高壓電器的動觸頭片、靜觸頭、動觸頭等形狀復雜、精度要求高的零部件，已經(jīng)在汽車、摩托車、五金、兵器、電器等行業(yè)獲得了廣泛的工業(yè)應用。因此，應加大研究和推廣擺動輾壓成形技術，它不僅有著巨大的經(jīng)濟效益，并而且也有著廣闊的發(fā)展前景。