階梯軸先進(jìn)制造技術(shù)
——楔橫軋（上）

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

階梯軸先進(jìn)制造技術(shù)
——楔橫軋（上）

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

傳統(tǒng)的階梯軸成形工藝為車削和鍛造，這些工藝存在著低效、高耗的缺點(diǎn)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，尤其是汽車業(yè)的高速發(fā)展，軸類件的需求與日俱增，傳統(tǒng)制造業(yè)已不能滿足汽車高質(zhì)量、大批量的發(fā)展需求，迫切需要一種高效、節(jié)材的工藝取代傳統(tǒng)工藝。楔橫軋是一種高效清潔的軸類零件近凈成形技術(shù)，是先進(jìn)成形制造科學(xué)與技術(shù)的重要組成部分，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工藝技術(shù)的缺陷，是當(dāng)今國(guó)際上競(jìng)相研究、21世紀(jì)積極采用的技術(shù)，被列為國(guó)家重點(diǎn)推廣的新技術(shù)之一，完全符合將我國(guó)建設(shè)成資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的要求。是當(dāng)前廣泛推廣的階梯軸制坯先進(jìn)技術(shù)。

楔橫軋工作原理

楔橫軋是將棒材加熱后送入兩個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的帶有楔形突起的模具中間，在模具帶動(dòng)下做反向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)材料發(fā)生徑向壓縮變形和軸向延伸變形，從而形成階梯軸類零件，如圖1所示。

圖1 楔橫軋工藝

楔橫軋工藝特點(diǎn)

圖2、圖3為生產(chǎn)單重16.18kg的中間軸使用車削、鍛造、楔橫軋三種工藝的加工過(guò)程及毛坯圖，楔橫軋與切削和鍛造相比具有如下特點(diǎn)：

圖2 三種工藝流程

圖3 三種工藝下料和成品

⑴工藝簡(jiǎn)單、所需設(shè)備少、生產(chǎn)效率高。楔橫軋軋輥每旋轉(zhuǎn)一周僅需7～12s，可以同時(shí)成形兩件甚至更多件產(chǎn)品。單件重量為16.18kg的中間軸，采用楔橫軋工藝生產(chǎn)，只需一臺(tái)軋機(jī)，一次能軋制兩件，用時(shí)7～12s；用普通車削工藝，需多次裝夾，多次換刀，一件大約需要15h；若用數(shù)控車床，需多臺(tái)車床、多把刀具、多次裝夾，每件大約需要60min；用普通鍛造，需經(jīng)拔長(zhǎng)、預(yù)鍛和成形才能鍛造成帶連皮的毛坯，不含加熱時(shí)間大約需要1min左右；車削、鍛造、楔橫軋三種工藝參數(shù)見(jiàn)表1，由表1可以看出，楔橫軋效率比車削和鍛造分別高360～5400倍和6倍。

表1 三種工藝對(duì)比

⑵加工余量小、材料利用率高。

車削是用圓棒段直接車成需要的階梯軸形狀，如圖2a所示，除最大臺(tái)階外，其余部位加工余量都很大，材料利用率很低，僅為41.5%，一多半材料作為廢料扔掉；鍛造因需解決出模、折疊、充不滿等問(wèn)題，必須設(shè)置內(nèi)、外圓角和拔模斜度，加工余量大，毛坯外形與成品差異大（見(jiàn)圖4），材料利用率為64.8%；楔橫軋通過(guò)兩輥滾動(dòng)成形，不需要拔模斜度，內(nèi)外圓角也很小，其毛坯外形與成品基本一致，加工余量很?。ㄒ?jiàn)圖5），屬近凈成形工藝，材料利用率可達(dá)70.3%；加工一件前文所述的中間軸產(chǎn)品，三種工藝下料和材料利用率見(jiàn)表2，楔橫軋比車削和鍛造分別節(jié)材18.57kg和4.56kg。

⑶金屬流線好。

楔橫軋和鍛造一樣，都是塑性成形，遵循體積不變?cè)?，加工時(shí)金屬隨變形而流動(dòng)，金屬流線連續(xù)，產(chǎn)品機(jī)械性能好；車削為去除材料工藝，加工時(shí)會(huì)將金屬流線切斷，降低產(chǎn)品的機(jī)械性能。

圖4 鍛件外形

圖5 楔橫軋外形

表2 生產(chǎn)一件中間軸產(chǎn)品各工藝用料比較

⑷噪聲小。

楔橫軋靠?jī)奢佫D(zhuǎn)動(dòng)成形，成形時(shí)部分工件接觸模具，無(wú)沖擊力，噪聲??；鍛造為瞬時(shí)、斷續(xù)施力，沖擊力大，噪聲大。

⑸無(wú)污染。

楔橫軋軋制時(shí)，需要用水對(duì)模具進(jìn)行冷卻，冷卻水可實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，不存在污染；鍛造需用石墨等物質(zhì)對(duì)模具進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，石墨遇到高溫模具后，將形成石墨霧漂浮到空氣中，不僅被人體吸收，而且污染空氣和環(huán)境。

⑹模具修理方便、壽命長(zhǎng)。

楔橫軋軋制過(guò)程屬于漸進(jìn)、連續(xù)、靜壓、局部塑性變形，無(wú)沖擊，所需變形力小，摩擦力小，模具磨損小，使用壽命長(zhǎng)；鍛壓模具受沖擊力大，磨損嚴(yán)重，壽命短，楔橫軋模具比鍛造模具壽命長(zhǎng)10倍左右。楔橫軋可通過(guò)軋輥旋轉(zhuǎn)修理模具的不同位置，操作方便；鍛造模具修理時(shí)，因上下模間距小，工人需要在狹小空間中仰視操作，非常不便。

⑺操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和批量生產(chǎn)。

楔橫軋生產(chǎn)效率高，模具壽命長(zhǎng)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和批量生產(chǎn)。

以上列舉的是楔橫軋與其他成形工藝相比的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，楔橫軋也存在一些缺點(diǎn)，如模具費(fèi)用高，軋制時(shí)容易產(chǎn)生中心疏松和中空。

楔橫軋工藝在我國(guó)的技術(shù)改進(jìn)與發(fā)展應(yīng)用

20世紀(jì)60年代初，前捷克斯洛伐克發(fā)明了楔橫軋技術(shù)并將其應(yīng)用于生產(chǎn)，隨后發(fā)展到英、美等國(guó)家，但由于楔橫軋技術(shù)的特殊性與復(fù)雜性，直到20世紀(jì)末才只有少數(shù)國(guó)家全面掌握該技術(shù)。

我國(guó)楔橫軋技術(shù)起步不晚，重慶大學(xué)、東北大學(xué)、吉林大學(xué)、北京機(jī)電研究所、北京科技大學(xué)等單位在楔橫軋研究方面均取得了不同的成果，但大多未能實(shí)現(xiàn)工業(yè)批量生產(chǎn)。北京鋼鐵學(xué)院（現(xiàn)北京科技大學(xué)）于1979年研制成功楔橫軋五金工具并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，收到顯著的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)效果。因楔橫軋技術(shù)存在著擴(kuò)大原材料疏松等級(jí)等缺陷，而一直未能被廣泛應(yīng)用于質(zhì)量要求高、批量要求大、形狀復(fù)雜、安全性能要求嚴(yán)格的汽車行業(yè)。為此，北京科技大學(xué)等高等院校和河北東安等企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)學(xué)研研究，對(duì)楔橫軋工藝技術(shù)進(jìn)行了持續(xù)技術(shù)改進(jìn)。

心部疏松和孔洞得到有效控制

心部疏松和孔洞是楔橫軋產(chǎn)品容易出現(xiàn)的主要缺陷之一，它會(huì)削弱工件的材料強(qiáng)度，并最終導(dǎo)致零件失效。雖然人們?cè)谏a(chǎn)中已經(jīng)有一些辦法改變疏松等級(jí)，但仍不能有效控制，一直是制約楔橫軋工藝發(fā)展的主要障礙，也正因?yàn)榇?，楔橫軋工藝一直不能被快速應(yīng)用到重點(diǎn)領(lǐng)域和重要零件生產(chǎn)中。為解決這一難題，北京科技大學(xué)對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變研究，找到了最大橫向拉應(yīng)力、橫截面上最大剪應(yīng)變、最大剪應(yīng)力及負(fù)的靜水壓力是導(dǎo)致軋件心部破壞的主要因素。選擇合適的工藝參數(shù)，可控制心部疏松和孔洞。這一理論在河北東安公司實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證，并在生產(chǎn)實(shí)際中進(jìn)一步摸索，找到了成形角與斷面收縮率之間的關(guān)系，打破了模具成形角不得大于32°的傳統(tǒng)觀念，疏松和中空問(wèn)題得到有效控制。圖6為技術(shù)改進(jìn)前后內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比。

圖6 不同成形角的產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量對(duì)比

突破了一次楔橫軋成形最大斷面收縮率75%的瓶頸

大斷面收縮率軸類零件是指成形前后橫截面面積縮減率大于75%的軸類零件。過(guò)去行業(yè)內(nèi)公認(rèn)一次楔橫軋成形軸類件斷面收縮率不得大于75%，大于此值，軸件將會(huì)被拉細(xì)甚至拉斷，見(jiàn)圖7，只能通過(guò)二次楔橫軋成形斷面收縮率大于75%的軸類件，但二次楔橫軋成形因其體積分配問(wèn)題使模具加工困難，生產(chǎn)穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生中空疏松和彎曲等缺陷，為此，北京科技大學(xué)通過(guò)對(duì)超大斷面收縮率軋件進(jìn)行一次楔橫軋成形和二次楔橫軋成形有限元數(shù)值模擬分析與實(shí)軋?jiān)囼?yàn)對(duì)比，成功完成了一次楔橫軋成形斷面收縮率達(dá)到81%軸件的批量軋制生產(chǎn)；河北東安公司也在此基礎(chǔ)上，通過(guò)無(wú)數(shù)次生產(chǎn)實(shí)踐，將一次楔橫軋成形斷面收縮率提高到87%。圖8為技術(shù)改進(jìn)前后斷面收縮率對(duì)比圖。

圖7 參數(shù)選擇不合理拉細(xì)、拉斷

圖8 改進(jìn)前后斷面收縮率對(duì)比

《階梯軸先進(jìn)制造技術(shù)—楔橫軋（下）》見(jiàn)2016年第9期