楔橫軋技術(shù)應(yīng)用與研究

魏烈軍

（山東匯鋒傳動(dòng)股份有限公司，山東 萊蕪 271103）

楔橫軋技術(shù)應(yīng)用與研究

魏烈軍

（山東匯鋒傳動(dòng)股份有限公司，山東 萊蕪 271103）

楔橫軋作為一種精密成形工藝，廣泛應(yīng)用于各種臺(tái)階軸類件的生產(chǎn)。但由于其成形機(jī)理較為復(fù)雜，該工藝仍然存在一些常見缺陷，如表面缺陷、中心疏松等。本文對(duì)工藝缺陷進(jìn)行了分析研究，并采取措施改進(jìn)。楔橫軋工藝是軸類件毛坯生產(chǎn)的理想的工藝，值得推廣應(yīng)用。

楔橫軋工藝；缺陷；改進(jìn)；工藝優(yōu)勢(shì)

楔橫軋工藝是一項(xiàng)少無(wú)切削精密軋制技術(shù)。它以連續(xù)、局部小變形量的成形方式，在臺(tái)階軸和回轉(zhuǎn)體軸類零件制造方面深具優(yōu)勢(shì)，具有生產(chǎn)效率高、節(jié)約材料、勞動(dòng)條件好等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理如圖1所示，將加熱后的棒材送入兩個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的帶有楔性凸起的模具中間，棒材在模具的帶動(dòng)下，作與模具反向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)材料發(fā)生徑向壓縮和軸向延伸，從而軋制成形各種階梯軸類零件。

應(yīng)用楔橫軋技術(shù)可完成各種軸類零件軋制。其中臺(tái)階形狀為直角臺(tái)階、斜臺(tái)階、圓弧臺(tái)階和窄凹檔臺(tái)階等。既可以是單臺(tái)階也可以是組合臺(tái)階，軋輥每旋轉(zhuǎn)一周生產(chǎn)兩件或多件產(chǎn)品。其技術(shù)工藝流程為：圓鋼→棒料→中頻感應(yīng)加熱→軋制→熱精整校直→超聲波探傷→等溫正火→拋丸→冷校直→檢驗(yàn)→毛坯入庫(kù)。其生產(chǎn)產(chǎn)品如圖2所示。

圖1 楔橫軋?jiān)韴D

圖2 楔橫軋產(chǎn)品圖

1 楔橫軋工藝優(yōu)勢(shì)

楔橫軋工藝與常規(guī)鍛造工藝相比，在成形方式上有較大不同：常規(guī)鍛造工藝為斷續(xù)整體成形；楔橫軋為連續(xù)局部成形。因此，楔橫軋既能生產(chǎn)軸類零件，也能給模鍛工藝提供精度高的預(yù)制坯，為模鍛進(jìn)行高精度材料分配，實(shí)現(xiàn)軋鍛結(jié)合，進(jìn)行小飛邊和無(wú)飛邊的精密模鍛，節(jié)約大量原材料。楔橫軋工藝以其連續(xù)、局部的成形方式，在階梯軸和回轉(zhuǎn)體軸類件的制造方面顯示出特殊的優(yōu)勢(shì)：①生產(chǎn)效率高。楔橫軋工藝軋制軸類零件的速度是每分鐘6～10件。②產(chǎn)品質(zhì)量好。楔橫軋產(chǎn)品由于金屬纖維保持連續(xù)，內(nèi)在組織晶粒細(xì)化、均勻，綜合機(jī)械性能可提高20%左右。③節(jié)省原材料。由于楔橫軋成形軸類零件是精密軋制，加工余量小，單邊加工余量1～1.5mm，并且非配合面可實(shí)現(xiàn)不加工，因此材料利用率較傳統(tǒng)鍛造工藝高10%～20%。另外，楔橫軋可為精密鍛造提供毛坯。且充分利用軋制產(chǎn)品余熱進(jìn)行等溫正火熱處理，節(jié)約大量電能。④設(shè)備投資少，模具壽命長(zhǎng)。楔橫軋是局部變形，工作載荷小，因此設(shè)備重量輕，體積小，投資省。由于加工沖擊小，模具服役時(shí)間長(zhǎng)，一次使用壽命可達(dá)10萬(wàn)件以上，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，適合大批量生產(chǎn)。⑤工作環(huán)境好，勞動(dòng)條件得到改善。軋制過(guò)程是一個(gè)短時(shí)間的連續(xù)性小變形，無(wú)沖擊，低噪聲，符合現(xiàn)代制造業(yè)的環(huán)保要求。

2 楔橫軋工藝缺陷

由于楔橫軋工藝成形機(jī)理較為復(fù)雜，該工藝仍然存在一些常見問(wèn)題，如表面缺陷、中心疏松等。表面缺陷主要包括軋件不旋轉(zhuǎn)（搓料）、螺旋壓痕、彎曲變形、表面縮頸等，使鍛件質(zhì)量難以保證，合格率下降，造成原材料浪費(fèi)。為了解決這些工藝缺陷，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和部分試驗(yàn)相結(jié)合的方法，得出模具設(shè)計(jì)工藝參數(shù)與軋件直徑尺寸變化對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響規(guī)律，得出了實(shí)際的解決方法。下面對(duì)這些缺陷進(jìn)行逐一分析。

2.1 外表缺陷

2.1.1 軋件不旋轉(zhuǎn)（搓料）

（1）成形角與展寬角設(shè)計(jì)不合適。若成形角設(shè)計(jì)過(guò)大，則軋件旋轉(zhuǎn)變差，造成搓料，如圖3所示。因此，應(yīng)合理設(shè)計(jì)成形角。

圖3 搓料缺陷

（2）摩擦力不足。理論和實(shí)踐均表明摩擦力是影響軋件旋轉(zhuǎn)的重要條件，在實(shí)際生產(chǎn)中，為增加模具和軋件的摩擦力，通常在模具楔面每隔3mm打出深為0.8mm的刻痕，必要時(shí)可以加密，這樣可以增大摩擦，使軋件更好地旋轉(zhuǎn)。

（3）棒料溫度不合適。棒料溫度與搓料也有一定關(guān)系，楔橫軋工藝棒料溫度一般控制在1050±50℃，料溫過(guò)高或過(guò)低，都容易導(dǎo)致悶車。為此，料溫應(yīng)嚴(yán)格控制，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用測(cè)溫分選的方法來(lái)控制溫度，避免搓料現(xiàn)象。

2.2.2 軋件表面螺旋壓痕

如果楔形面與楔頂過(guò)渡圓角較小，料在流動(dòng)過(guò)程中受阻，軋件發(fā)生附加軸向變形，毛坯表面會(huì)出現(xiàn)螺旋壓痕，影響毛坯質(zhì)量，如圖4所示。

圖4 螺旋壓痕

在實(shí)際生產(chǎn)中，大部分是通過(guò)增大過(guò)渡圓角來(lái)解決螺旋壓痕。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過(guò)渡圓角R的大小與斷面收縮率有關(guān)，設(shè)計(jì)和制造模具時(shí)，通過(guò)表1查詢選擇合適的過(guò)渡圓角，可預(yù)防螺旋壓痕的產(chǎn)生。

表1 過(guò)渡圓角與斷面收縮率的關(guān)系

2.2.3 軋件彎曲變形

實(shí)際生產(chǎn)中，導(dǎo)致產(chǎn)品彎曲變形的因素大致有以下幾點(diǎn)：

（1）相位不對(duì)。正常情況下，上下模具同步，各點(diǎn)的受力均勻，軋件就不會(huì)出現(xiàn)彎曲變形。如果相位不同步，各點(diǎn)的受力不均勻，軋件便會(huì)出現(xiàn)U形彎曲，如圖5所示。解決辦法是調(diào)整軋機(jī)的相位，將其控制在2mm以內(nèi)即可。

圖5 軋件彎曲

（2）嚴(yán)重刮料。軋件緊靠一側(cè)導(dǎo)板刮料嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致軋件扭曲、變形。其原因一是導(dǎo)板間隙不合適，二是相位不對(duì)導(dǎo)致。導(dǎo)板間隙一般為棒料直徑的8～10%；相位控制在2mm以內(nèi)。

（3）各接觸面受力不均勻。產(chǎn)品在軋制過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)彎曲，特別是變形較大的產(chǎn)品，更容易出現(xiàn)彎曲，因而在模具設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)精整段，其主要作用就是起到精整和校直作用，在各點(diǎn)受力均勻的前提下，產(chǎn)品直線度是好的。但是模具由于受加工和維修等因素的影響，往往各點(diǎn)受力不均勻，這時(shí)精整段就起不到良好的作用，軋件便會(huì)存在彎曲變形。這時(shí)應(yīng)將模具某些部位采取脫空等方法來(lái)平衡各點(diǎn)受力情況，消除軋件彎曲。

（4）模具的卸載段太短。模具卸載段太短時(shí)軋件在出模瞬間受力過(guò)大，導(dǎo)致軋件彎曲變形。此時(shí)可將卸載段加長(zhǎng)，使出模順利。

2.2.4 表面縮頸

（1）模具楔入面過(guò)高，軋制時(shí)在軋件表面會(huì)留有楔尖壓痕，產(chǎn)生縮頸，如圖6所示。為此，降低各楔入面楔尖高度即可解決。

圖6 表面凹坑

（2）工藝參數(shù)的影響。①斷面收縮率。楔橫軋一次的斷面收縮率一般應(yīng)小于75%，否則容易產(chǎn)生軋件不旋轉(zhuǎn)、螺旋縮頸甚至拉斷。當(dāng)斷面收縮率＞75%時(shí)，模具需要二次起楔。②成形角α。成形角α對(duì)軋件的旋轉(zhuǎn)條件、縮松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著影響，成形角α越大，旋轉(zhuǎn)條件越差，容易形成縮頸。成形角α應(yīng)在18°≤α≤34°范圍內(nèi)選擇。③展寬角β。展寬角β與成形角α一樣，是楔橫軋模具設(shè)計(jì)中最重要、最基本的參數(shù)。展寬角β對(duì)軋件的旋轉(zhuǎn)條件、縮松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著影響，展寬角β越大，旋轉(zhuǎn)條件越差，容易形成縮頸。展寬角β應(yīng)在4°≤β≤12°范圍內(nèi)選擇。

通過(guò)以上分析可以看出，斷面收縮率越大，成形角α和展寬角β都應(yīng)選擇越小值，否則產(chǎn)生縮頸的幾率就越大。三者關(guān)系如表2、表3所示。

表2 斷面收縮率與成形角的關(guān)系

表3 斷面收縮率與展寬角的關(guān)系

（3）楔頂尖角處圓弧R太小。當(dāng)楔頂尖角處圓弧R太小時(shí)，金屬軸向排料流暢，容易形成縮頸。解決辦法是增大圓弧R，但不宜過(guò)大，否則產(chǎn)生疏松。

2.3 中心疏松

實(shí)際生產(chǎn)中，造成產(chǎn)品中心疏松的原因有材料加熱溫度不合適、模具工藝參數(shù)設(shè)定不合理、模具磨損、原材料自身疏松等。

2.3.1 棒材溫度誤差

棒材經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐加熱，溫度控制在1050± 50℃，溫度過(guò)高或偏低都能造成中心疏松。如圖7所示。

采取措施：棒材加熱，有時(shí)間繼電器控制推料頻次，測(cè)溫裝置紅外線探頭對(duì)準(zhǔn)棒材顯示溫度，并將數(shù)據(jù)傳遞到溫度控制儀，超出溫控儀設(shè)置的溫度值將自動(dòng)報(bào)警并分選。

圖7 中心疏松

2.3.2 工藝參數(shù)設(shè)定誤差

（1）斷面收縮率ψ。當(dāng)斷面收縮率ψ＜35%時(shí)，若工藝參數(shù)選擇不合理，易產(chǎn)生疏松。因?yàn)棣走^(guò)小時(shí)，金屬只產(chǎn)生表面變形，軸向沒(méi)有或基本沒(méi)有變形，多余的金屬在模具中間反復(fù)揉搓，中心產(chǎn)生拉引力和反復(fù)剪應(yīng)力使中心破壞導(dǎo)致疏松。對(duì)于小的斷面收縮率ψ，為避免心部疏松，應(yīng)選擇較小的展寬角β和較大的成形角α。

（2）成形角α。成形角α較小時(shí)，也容易產(chǎn)生疏松，因?yàn)樾毙ńo毛坯的軸向拉力小，軸向變形小，易造成較大的橫向變形，形成較大的心部拉應(yīng)力。成形角在以下范圍內(nèi)選擇：18°≤α≤34°。

（3）展寬角β。展寬角β過(guò)小時(shí)，相當(dāng)于徑向壓下量過(guò)小與同一位置拉壓次數(shù)增加，容易產(chǎn)生橫向變形及心部的較大拉應(yīng)力，產(chǎn)生疏松；當(dāng)展寬角過(guò)大時(shí)（特別是ψ較小時(shí)），毛坯表面金屬不容易搟出去，這部分多余金屬在孔型頂面反復(fù)揉搓下，毛坯心部產(chǎn)生較大的拉力，產(chǎn)生疏松。展寬角在以下范圍內(nèi)選擇：4°≤β≤12°。

采取措施：斷面收縮率與成形角、展寬角的關(guān)系，同樣按表2、表3所列范圍選擇。

2.3.3 模具磨損

模具磨損嚴(yán)重時(shí)，各個(gè)型槽入料會(huì)增多，多余的金屬在模具中間反復(fù)揉搓，中心產(chǎn)生拉引力和反復(fù)剪應(yīng)力使中心破壞導(dǎo)致疏松。

采取措施：焊補(bǔ)磨損嚴(yán)重的部位。

2.3.4 原材料疏松

原材料的疏松等級(jí)直接影響產(chǎn)品疏松等級(jí)，當(dāng)原材料偏析、中心疏松≥3級(jí)時(shí)，在軋制時(shí)疏松等級(jí)會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，直接造成產(chǎn)品疏松。

采取措施：采購(gòu)原材料時(shí)，圓鋼偏析、中心疏松要控制在≤3級(jí)以內(nèi)，并且進(jìn)行低倍組織檢驗(yàn)和超聲波探傷檢驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上軋件缺陷的成因進(jìn)行分析和總結(jié)，可以針對(duì)性地實(shí)施模具設(shè)計(jì)、加工和維修，及時(shí)找到并消除缺陷，使產(chǎn)品質(zhì)量得到控制及改善，降低產(chǎn)品廢品率。

[1] 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，2005．

[2]胡正寰，張康生，杜惠蘋.楔橫軋內(nèi)直角臺(tái)階精確軋齊曲線的研究[J].機(jī)械工程，2008，（12）.

Defects analysis and improvement for the cross wedge rolling process

WEI Liejun
（Shandong Huifeng Transmission Co.,Ltd.,Laiwu 271103,Shandong China）

The defects of the cross wedge rolling process have been analyzed and studied carefully in the text.The improving measures have been adopted.It is believed that the cross wedge rolling process is ideal for the production of shaft blank,which is worthy of application and popularization.

Cross wedge rolling;Defects of cross wedge rolling process;Advantages of cross wedge rolling process

TG335.19

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.024

1672-0121（2017）01-0095-04

2016-08-26；

2016-11-15

魏烈軍（1972-），男，工程師，總經(jīng)理，從事機(jī)械制造工作。E-mail：hfzc_jsb@163.com