軸類件復(fù)雜型面高效精密滾軋工藝及設(shè)備研究現(xiàn)狀分析

蔣飛，孟非然，趙升噸，高景洲，費(fèi)亮瑜，馮智彥，王永飛

塑性成形

軸類件復(fù)雜型面高效精密滾軋工藝及設(shè)備研究現(xiàn)狀分析

蔣飛1，孟非然2，趙升噸1，高景洲1，費(fèi)亮瑜1，馮智彥1，王永飛1

（1. 西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049；2. 航天推進(jìn)技術(shù)研究院，西安 710100）

工業(yè)實(shí)際中存在著量大面廣的花鍵軸、螺釘、絲杠、蝸桿等軸類零件，采用傳統(tǒng)切削的加工方法處理其表面復(fù)雜的形狀，存在著生產(chǎn)效率低、材料浪費(fèi)嚴(yán)重、表層材料纖維被切斷、力學(xué)性能差等不足，而高效精密高性能的滾軋成形工藝及設(shè)備是解決上述切削加工難題的有效途徑。系統(tǒng)深入地論述了軸類件復(fù)雜型面高效精密滾軋中4種典型工藝的原理、設(shè)備基本組成及其工作過程，以及工業(yè)實(shí)際中工藝典型產(chǎn)品現(xiàn)狀，4種典型工藝包括平板滾軋、切向滾軋、徑向進(jìn)給滾軋以及軸向進(jìn)給滾軋成形，并進(jìn)一步分析這4種典型工藝各自的特性，從而為上述4種工藝及設(shè)備在工業(yè)實(shí)際中推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

軸類零件；滾軋成形；設(shè)備

表面帶有螺紋、鍵槽和齒形等結(jié)構(gòu)的軸類零件是機(jī)械裝備中用于連接、傳動(dòng)及轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)形式的基礎(chǔ)零部件，在汽車、機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人和航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。常用的軸類零件有花鍵軸、螺釘、絲杠、蝸桿等，如圖1所示。緊固螺釘在起連接作用時(shí)承受著抗拉和扭矩，直接影響裝備的安全運(yùn)行[2]；花鍵軸在起傳動(dòng)作用時(shí)，軸類零件傳遞轉(zhuǎn)矩，將動(dòng)力源傳遞至裝備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)裝備有著重要的作用[3]；蝸桿、絲杠在起轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)關(guān)系時(shí)，又對(duì)裝備運(yùn)行時(shí)的精度起關(guān)鍵作用[4]?？傊?，此類零件的制造工藝水平和質(zhì)量直接影響著機(jī)械裝備運(yùn)行時(shí)的可靠度、壽命和精度。

隨著國(guó)內(nèi)“中國(guó)制造2025”目標(biāo)的提出，我國(guó)各類工業(yè)對(duì)此類軸類零件的數(shù)量和質(zhì)量勢(shì)必提出更高的要求。傳統(tǒng)加工通常采用車削、銑削等減材成形工藝對(duì)其進(jìn)行加工成形，通常在加工后會(huì)使零件表面金屬纖維被破壞，造成零件的質(zhì)量降低，而且產(chǎn)生的切屑會(huì)造成大量浪費(fèi)，因此傳統(tǒng)的減材成形工藝難以滿足如今制造業(yè)提出的需求和發(fā)展[5—6]。冷滾軋技術(shù)由美國(guó)安德森庫(kù)克（Anderson-Cook）公司于20世紀(jì)50年代研制成功，美國(guó)、西德在60年代將滾軋技術(shù)用于花鍵生產(chǎn)。70年代后，一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相繼引進(jìn)或開發(fā)了精密冷滾軋技術(shù)，并在規(guī)模生產(chǎn)汽車、摩托車和家電等產(chǎn)業(yè)中得到大量應(yīng)用[7]。滾軋加工是指一個(gè)或者多個(gè)同向旋轉(zhuǎn)的、具有一定形狀（螺紋、花鍵或齒輪）的滾軋模具，在摩擦力的作用下帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)，使之發(fā)生金屬流動(dòng)和塑性變形，并與模具貼合后成形的一種塑性加工方式。

文中對(duì)用于加工此類零件的平板滾軋成形工藝、切向滾軋成形工藝、徑向進(jìn)給滾軋成形工藝和軸向進(jìn)給滾軋成形工藝等4種滾軋成形工藝的原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析介紹，并對(duì)其各自對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品現(xiàn)狀進(jìn)行探討，為此類軸類零件的高效高精密生產(chǎn)提供一定的參考。

圖1 軸類零件示意[1]

1 平板滾軋成形

1.1 工藝原理

平板滾軋成形的工藝原理如圖2所示，平板模具上下平行對(duì)稱分布在待成形坯料的兩側(cè)，同時(shí)以速度大小相同而方向相反的方式運(yùn)動(dòng)，隨著模具軋入段齒高（螺紋、鍵槽）逐漸增加，模具壓入坯料表面，在摩擦力和徑向力作用下帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生大量周向和徑向的金屬流動(dòng)，從而形成花鍵、螺紋等結(jié)構(gòu)[8—9]。一般情況下平板滾軋成形工藝可以加工螺釘、花鍵等軸類零件，生產(chǎn)效率高，但是該工藝模具制造困難，所需載荷大，適用于批量生產(chǎn)小尺寸軸類零件[10—11]。

圖2 平板滾軋成形

1.2 設(shè)備基本組成

平板滾軋?jiān)O(shè)備，又叫搓絲機(jī)，或平板式楔橫軋機(jī)，根據(jù)軸線位置可分為傾斜式設(shè)備和水平式設(shè)備。傾斜式設(shè)備工作時(shí)，由料斗將豎直的坯料傾斜，然后插入往復(fù)運(yùn)動(dòng)的搓絲板中，也可以安裝兩組搓絲板同時(shí)往復(fù)工作。螺釘、螺栓等緊固件加工一般采用傾斜式，只需一組平板模具做往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工[12]。相對(duì)傾斜式結(jié)構(gòu)設(shè)備，水平式結(jié)構(gòu)設(shè)備可提供更大的載荷，因此成形零件精度較高，花鍵等具有齒形表面的軸類零件多用水平式結(jié)構(gòu)，并且兩組平板模具同時(shí)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)[13]。

平板滾軋?jiān)O(shè)備基本原理如圖3所示，這是一種水平式平板滾軋?jiān)O(shè)備，在上下兩塊相向平行的軋板上固裝相同的平板模具，輔助機(jī)架上設(shè)有導(dǎo)軌槽，導(dǎo)軌與導(dǎo)軌槽滑動(dòng)配合，軋制力由上下軋板和機(jī)架支撐。下軋板由油缸的活塞帶動(dòng)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過齒圈和齒條帶動(dòng)上模板同步相向滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)兩組平板模具同時(shí)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，或上軋板由油缸活塞帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而下軋板固定在機(jī)架上，實(shí)現(xiàn)一組平板模具做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

隨著節(jié)能、減耗目標(biāo)的出現(xiàn)，以及伺服電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的環(huán)境影響提出了更高的要求，平板滾軋?jiān)O(shè)備中驅(qū)動(dòng)平板模具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)開始使用伺服電機(jī)和滾珠絲杠副的配合來實(shí)現(xiàn)，比如天津大學(xué)設(shè)計(jì)的漸開線花鍵冷搓成形設(shè)備[15]。

1.油缸；2.軋板；3.輔助機(jī)架；4.主機(jī)架；5.齒條（上下左右對(duì)稱）；6.齒圈（左右對(duì)稱）；7.導(dǎo)軌槽（上下左右對(duì)稱）；8.導(dǎo)軌

1.3 典型產(chǎn)品現(xiàn)狀

具有代表性的平板滾軋?jiān)O(shè)備生產(chǎn)廠家有美國(guó)的安德森·庫(kù)克（Anderson-Cook）公司和日本的株會(huì)社不二越（NACHI）公司。Anderson-Cook公司針對(duì)花鍵平板滾軋工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)出液壓驅(qū)動(dòng)水平式搓絲機(jī)200系列、電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平式搓絲機(jī)300E系列和電機(jī)驅(qū)動(dòng)立式搓絲機(jī)300V系列。200系列采用單向液壓驅(qū)動(dòng)，整體機(jī)架使用剛性鑄鐵設(shè)計(jì)，而隨后推出的300E系列采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而消除了液壓系統(tǒng)，節(jié)省了空間，增加了對(duì)機(jī)器速度、加速度和沖程的控制。300V系列采用雙伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，取消了復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了傳動(dòng)效率。圖4a—b分別為水平搓絲機(jī)370E和立式搓絲機(jī)350V，其具體參數(shù)如表1所示。

圖4 美國(guó)安德森·庫(kù)克（Anderson-Cook）公司平板滾軋?jiān)O(shè)備[16]

表1 美國(guó)安德森·庫(kù)克（Anderson-Cook）公司平板滾軋?jiān)O(shè)備具體參數(shù)

Tab.1 Specific parameters of the flat rolling equipment of Anderson-Cook, America

NACHI公司針對(duì)平板滾軋工藝開發(fā)了立式搓絲機(jī)PFM系列和水平搓絲機(jī)PFL系列，如圖5a和5b所示，2個(gè)系列都通過高剛度的機(jī)架結(jié)構(gòu)和優(yōu)化滾動(dòng)條件實(shí)現(xiàn)了高精度加工，通過使用不同的平板模具可加工出蝸桿、螺紋、花鍵等軸類零件。立式搓絲機(jī)PFM系列可加工最大直徑為40 mm，最大模數(shù)為1.3的零件，最大滑動(dòng)行程為1200 mm，質(zhì)量為14.5 t。水平搓絲機(jī)PFL系列可加工最大直徑為50 mm，最大模數(shù)為1.75的零件，最大滑動(dòng)行程為1600 mm，質(zhì)量為18 t。

圖5 日本株會(huì)社不二越（NACHI）公司平板滾軋?jiān)O(shè)備[17]

1.4 平板滾軋成形方式的特性分析

從工藝方面來說，平板滾軋成形加工精度較低，所需載荷較大，很難實(shí)現(xiàn)大直徑工件的加工，多用于小直徑螺釘、花鍵軸的加工。

從設(shè)備方面來說，平板滾軋?jiān)O(shè)備分為立式和臥式，其中臥式可加工的工件直徑范圍和成形力都較大。實(shí)際產(chǎn)品多采用一個(gè)模具固定而另一個(gè)模具往復(fù)運(yùn)動(dòng)的形式，驅(qū)動(dòng)方式分為液壓缸驅(qū)動(dòng)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在多采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式。

2 切向滾軋成形

2.1 工藝原理

若將上述平板滾軋成形工藝中的兩個(gè)平板模具有齒形的表面朝外彎曲成一個(gè)圓，圓心與軸類零件坯料圓心對(duì)齊，那么此時(shí)2個(gè)輪式模具由原來的以速度大小相同而方向相反做平行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，變成了同速、同向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這就是切向滾軋成形，如圖6所示[17]。成形過程原理類似于傳統(tǒng)的橫軋，隨著模具上的齒高（螺紋、鍵槽）沿圓周方向逐漸增加，模具壓入坯料表面，在摩擦力和徑向力作用下帶動(dòng)零件旋轉(zhuǎn)并發(fā)生大量的周向和徑向的金屬流動(dòng)，表面形成花鍵、螺紋和齒輪等結(jié)構(gòu)。在該工藝過程中2個(gè)滾軋模具之間的中心距固定[18]。一般來說，切向滾軋工藝所要求的模具需要在圓形模具表面形成高度逐漸增加的齒形，或者具有凹槽，所以其模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造困難，而且所需載荷較大[19]。

圖6 模具中心距不變的切向滾軋成形工藝

2.2 設(shè)備基本組成

切向滾軋成形設(shè)備又叫輥式楔橫軋機(jī)，通過2.1節(jié)對(duì)平板滾軋成形工藝原理分析可知，這種設(shè)備原理與平板式楔橫軋機(jī)原理類似，只不過將油缸活塞驅(qū)動(dòng)平板模具的往復(fù)運(yùn)動(dòng)變成了由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。切向滾軋成形設(shè)備從機(jī)床結(jié)構(gòu)上分為臥式和立式，其中臥式多用于加工直徑小、長(zhǎng)度較短的軸類零件，而大型軋機(jī)多采用立式。

如圖7所示的一種立式雙輥楔橫軋機(jī)[20]，主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成。電機(jī)通過組合式離合器和傳動(dòng)箱分別驅(qū)動(dòng)上下2個(gè)模具同向、同速旋轉(zhuǎn)，整體的結(jié)構(gòu)較為緊湊，方便調(diào)整。為了滿足加工不同直徑范圍的零件，通常切向滾軋成形設(shè)備都具有輥距調(diào)整機(jī)構(gòu)，此設(shè)備采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)上軋輥的升降運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)中心距調(diào)節(jié)的目的。

1.傳動(dòng)箱；2.齒形聯(lián)軸器；3.上軋輥；4.輥距調(diào)整機(jī)構(gòu)；5.自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)；6.右機(jī)架；7.拉桿；8.底座；9.下軋輥；10.徑向擋料板；11.左機(jī)架；12.制動(dòng)器；13.組合式離合器

北京機(jī)電研究所將偏心調(diào)整機(jī)構(gòu)應(yīng)用到輥距調(diào)整機(jī)構(gòu)中，可以實(shí)現(xiàn)上下輥同時(shí)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輥之間中心距的調(diào)節(jié)[21]。青島大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的一種同步進(jìn)給機(jī)構(gòu)，保證了兩輥同時(shí)相向運(yùn)動(dòng)的同步性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中心距的調(diào)節(jié)[22]。西安交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種液壓機(jī)械式變徑機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同直徑花鍵的加工[23]。

2.3 典型產(chǎn)品現(xiàn)狀

法國(guó)Escofier公司在切向滾軋?jiān)O(shè)備中使用的模具結(jié)構(gòu)如圖8a所示，被稱作增量滾動(dòng)模具，其表面具有凹槽，便于徑向伸進(jìn)工件到給定的加工深度。該公司在花鍵軸、螺紋等軸類件的滾軋成形裝備設(shè)計(jì)、滾軋模具設(shè)計(jì)制造、滾軋成形過程設(shè)計(jì)等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)在航天工業(yè)和能源行業(yè)有了較多的應(yīng)用，其利用切向滾軋工藝生產(chǎn)的軸類零件如圖8b所示。該公司生產(chǎn)的切向滾軋?jiān)O(shè)備具有分辨率小于5 μm的位置控制回路，機(jī)架采用鑄鐵設(shè)計(jì)，保證了很高的加工精度，其FLEXie系列全部采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以輸出100～1200 kN的滾壓力，F(xiàn)LEX L40ie切向滾軋?jiān)O(shè)備如圖8c所示。

圖8 法國(guó)Escofier公司切向滾軋模具、零件及設(shè)備[24]

德國(guó)利美特公司是精密銑削刀具、齒輪滾刀、螺紋滾壓系統(tǒng)和絲錐的制造商，利用切向滾壓滾軋工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)出EVOline系列切向滾軋?jiān)O(shè)備，如圖9a所示，其模具與增量式滾動(dòng)模具不同的是還采用普通的圓形模具，中心距預(yù)先固定至可加工坯料齒形的指定深度，坯料由主軸帶動(dòng)，主動(dòng)旋轉(zhuǎn)并切向進(jìn)給，圓模具受到摩擦力同向、同速旋轉(zhuǎn)，完成加工過程?？杉庸せㄦI、螺紋等軸類零件，如圖9b所示，EVOling系列可加工直徑為4～80 mm，最大齒形深度為3 mm。

圖9 德國(guó)利美特公司EVOline系列切向滾軋?jiān)O(shè)備及零件

2.4 切向滾軋方式的特性

從工藝方面來說，由于模具之間中心距是固定的，在加工過程中有2種情況：一種是采用增量式模具，加工過程中工件和模具只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這使模具的制造成本加大，而且成形力較大，可加工花鍵、螺釘?shù)容S類零件；另一種是工件主動(dòng)旋轉(zhuǎn)并切向進(jìn)給，適用于快速批量生產(chǎn)小直徑螺紋的零件。

從設(shè)備方面來說，當(dāng)采用增量式模具，分為立式和臥式，模具的旋轉(zhuǎn)都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并具有中心距調(diào)節(jié)裝置，用來加工不同直徑范圍的零件；當(dāng)采用第2種方式，零件一般由機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，而模具被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可以安裝在普通機(jī)床上進(jìn)行加工，一般商家會(huì)提供不同的尺寸切向滾壓頭，使用比較靈活方便。

3 徑向進(jìn)給滾軋和軸向進(jìn)給滾軋成形

3.1 工藝原理

徑向進(jìn)給式滾軋成形模具之間中心距不固定，具有徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而且有兩輪和三輪的形式。現(xiàn)以兩輪徑向進(jìn)給滾軋為例介紹其原理，如圖10a所示，其原理為：先將軸類零件坯料置于對(duì)稱安裝的2個(gè)圓形模具中間，然后2個(gè)圓形模具同向、同速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿坯料徑向以相同速度進(jìn)給，隨著模具表面齒形（螺紋、鍵槽等）結(jié)構(gòu)與坯料接觸，坯料在摩擦力的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并在徑向力作用下迫使材料發(fā)生大量的周向和徑向金屬流動(dòng)，形成軸類零件上的齒形結(jié)構(gòu)。如圖10b所示，三輪徑向進(jìn)給式滾軋?jiān)碛趦奢啅较蜻M(jìn)給式滾軋?jiān)硐嗤徊贿^三輪徑向進(jìn)給時(shí)3個(gè)模具是在坯料周圍呈120°周向分布，3個(gè)模具同速、同向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)沿著軸類坯料的徑向以一定速度進(jìn)給。三輪徑向進(jìn)給滾軋過程中，軸類坯料受力均勻，所以多用于軸孔類花鍵、空心螺紋加工，但由于其特殊的布置方式，對(duì)于一套特定的模具來說，待加工軸類零件的直徑過小會(huì)使圓形模具出現(xiàn)干涉，所以其能加工軸類零件的直徑范圍有限[27—28]。一般情況下，在徑向進(jìn)給到預(yù)定加工深度時(shí)，要保證工件在模具旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)大于4圈，使工件有充分的塑性變形時(shí)間[29]。

圖10 模具中心距變化的徑向進(jìn)給滾軋工藝

軸向進(jìn)給式滾軋同樣分為兩輪和三輪，與斜軋?jiān)眍愃疲F(xiàn)以兩輪軸向進(jìn)給為例介紹其原理，如圖11a所示，滾軋模具沿著周向均布，與軸類零件毛坯軸線方向有一定夾角，并且模具沿著軸向分為切入段、校正段和導(dǎo)出段。進(jìn)入切入段前，坯料置于滾軋模具前方，滾軋成形過程中，模具同速、同向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)坯料沿著軸向送進(jìn)，接觸到切入段后，坯料在摩擦力的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，同時(shí)由于傾斜角度的存在，坯料會(huì)在模具的帶動(dòng)下產(chǎn)生軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)入校正段后，坯料表層金屬連續(xù)發(fā)生大量的軸向、徑向和周向金屬流動(dòng)，齒形、螺紋高度等結(jié)構(gòu)高度逐漸增加，坯料表面逐漸形成完整的齒形。進(jìn)入導(dǎo)出段時(shí)，導(dǎo)出段模具的傾斜角可以防止工件成形后完好的齒形、螺紋等結(jié)構(gòu)側(cè)面受到損壞[30]。兩輪軸向進(jìn)給滾軋理論上可加工的工件長(zhǎng)度不受模具寬度的限制，適用于蝸桿、滾珠絲杠等長(zhǎng)徑比較大的零件滾軋[31]。

圖11 軸向進(jìn)給滾軋工藝

目前對(duì)于三輪軸向進(jìn)給滾壓的研究主要區(qū)別在坯料的進(jìn)給方式上，對(duì)于具有花鍵等齒形的軸類零件的加工，在3個(gè)模具同向、同速旋轉(zhuǎn)時(shí)，利用一定的軸向推力將坯料沿軸向推進(jìn)，在摩擦力的帶動(dòng)下坯料被動(dòng)旋轉(zhuǎn)并被擠壓形成花鍵齒形。對(duì)于具有螺紋表面軸類零件來說，與上述兩輪軸向進(jìn)給滾軋成形工藝類似，3個(gè)模具保持中心不變，并同向傾斜相同的角度，進(jìn)而產(chǎn)生沿軸向的速度分量，則坯料會(huì)在模具同向、同速旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下產(chǎn)生軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；當(dāng)模具的螺紋升角與欲加工坯料螺紋升角不同時(shí)，坯料也可以在模具同向、同速的旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下產(chǎn)生軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖11b所示，此時(shí)3個(gè)模具中心軸線與坯料中心軸線相互平行。三輪軸向進(jìn)給滾軋成形工藝與三輪徑向進(jìn)給滾軋成形工藝相比，其優(yōu)點(diǎn)是不用考慮三輪徑向進(jìn)給的同步性與模具旋轉(zhuǎn)之間的關(guān)系，但其工藝參數(shù)設(shè)置比較復(fù)雜。另外，三輪軸向進(jìn)給與兩輪軸向進(jìn)給相比，坯料受力均勻，理論上由于加工長(zhǎng)度不受限制，實(shí)際多用于具有螺紋表面的空心件、管件等的加工[32]。相對(duì)于其他3種工藝，軸向進(jìn)給滾軋工藝材料的變形量在進(jìn)入切入段時(shí)逐漸形成，并且減緩了徑向方向的材料堆積，與徑向進(jìn)給式滾軋工藝相比，所需載荷大幅降低。

3.2 設(shè)備基本組成

通常軸向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備可以實(shí)現(xiàn)具有徑向進(jìn)給滾軋工藝的徑向進(jìn)給功能，旋轉(zhuǎn)角調(diào)整范圍一般在8°以內(nèi)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角=0°，模具同向、同速旋轉(zhuǎn)時(shí)，只做徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，便能實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給滾軋工藝。所以對(duì)于軸向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備來說，既有徑向調(diào)整機(jī)構(gòu)，又有傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給和軸向進(jìn)給功能。美國(guó)KINEFAC公司研制的兩輪滾軋?jiān)O(shè)備結(jié)構(gòu)如圖12所示，它使用特殊的雙樞軸設(shè)計(jì)和滑塊裝置，具有模塊化設(shè)計(jì)，可以匹配各種主軸直徑、驅(qū)動(dòng)功率和轉(zhuǎn)速，其精密的主軸可以讓模具牢固安裝[35]。

1.偏斜調(diào)整螺釘；2.主軸軸承座；3.尺寸調(diào)節(jié)螺母；4.尺寸刻度盤鎖定；5.左臂；6.偏斜游標(biāo)；7.滾動(dòng)高度調(diào)節(jié)；8.支撐鎖定；9.軸向調(diào)節(jié)；10.后部工作支撐調(diào)節(jié)；11.錐度調(diào)節(jié)；12.模具；13.拉桿；14.坯料；15.中心度調(diào)節(jié)；16.模具限位螺母；17.行程限位塊；18.液壓缸；19.右臂；20.主軸組件；21.滾動(dòng)支架；22.前工作臺(tái)支撐

動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)如圖13所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速機(jī)帶輪、減速機(jī)、萬(wàn)向聯(lián)軸器、滾軋模具主軸等零部件將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳至滾軋模具，實(shí)現(xiàn)滾軋模具的同向、同速旋轉(zhuǎn)。液壓缸通過活塞帶動(dòng)拉桿，實(shí)現(xiàn)滾軋模具的徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。通過偏斜調(diào)整螺母的旋進(jìn)與旋出帶動(dòng)搖桿，使模具實(shí)現(xiàn)一定范圍的角度調(diào)整。通過前工作支撐臺(tái)配合模具角度調(diào)節(jié)可以加工較長(zhǎng)的滾珠絲杠等長(zhǎng)徑比較大的軸類零件。洛陽(yáng)海林機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)了一款類似的三輪滾軋?jiān)O(shè)備，通過電機(jī)、行星齒輪箱和萬(wàn)向聯(lián)軸器與3個(gè)成120°分布的滾輪相連，同時(shí)具有軋制深度和傾斜角調(diào)整機(jī)構(gòu)[37]。

圖13 美國(guó)KINEFAC公司的兩輪滾軋?jiān)O(shè)備動(dòng)力傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)[36]

我國(guó)自行設(shè)計(jì)斜軋?jiān)O(shè)備的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖14所示，在機(jī)架蓋上裝有4個(gè)松緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠不移動(dòng)，螺母套筒上下移動(dòng)。為了防止螺母套筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在它和機(jī)架蓋之間裝有滑鍵。為了保證滾軋時(shí)模具在各個(gè)角度時(shí)壓板能壓緊軸承盒，在螺母套筒與壓板之間采用鉸接。這種傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便可靠，而且易于拆卸模具。

1.滾軋模具組件；2.軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)；3.滾軋模具角度調(diào)整機(jī)構(gòu)；4.機(jī)架部件

圖14 我國(guó)自行研制的軸向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備結(jié)構(gòu)[38]

Fig.14 Structure of axial infeed rolling machine

3.3 典型產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前工業(yè)實(shí)際中技術(shù)水平高、產(chǎn)品應(yīng)用程度廣的滾軋?jiān)O(shè)備生產(chǎn)公司有美國(guó)KINEFAC公司、德國(guó)PROFIROLL公司和意大利ORT公司[39]，上述3家高水平公司技術(shù)參數(shù)情況如表2所示。

美國(guó)KINEFAC公司是全世界金屬冷滾軋成形技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，其KINEROLLER系列可加工花鍵軸、螺紋、絲杠、蝸桿等精密軸類零件，該系列有3種滾軋?jiān)O(shè)備，分別是POWERBOX系列、雙臂系列和三模具系列。POWERBOX系列中的MC-8、MC-15、MC-35、MC-40，雙臂系列中的MC-4，以及三模具系列中的MC-6、MC-9都屬于徑向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備，POWERBOX系列中MC-40最大徑向負(fù)載可達(dá)356 kN，中心距為152～317 mm，如圖15a所示[40]。KINEROLLER系列除去徑向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備剩下的都屬于軸向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備，因?yàn)槎季哂兄鬏S傾角調(diào)整功能，例如雙臂系列中的MC-25主軸傾角調(diào)整范圍可達(dá)±12°。POWERBOX系列中MC-300最大徑向負(fù)載可達(dá)2936 kN，中心距為254～520 mm，可加工長(zhǎng)徑比較大的絲杠螺紋，如圖16a所示[41]。

德國(guó)PROFIROLL公司制造滾軋?jiān)O(shè)備已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，生產(chǎn)雙軸和多軸系列產(chǎn)品。CNC/ AC數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)材料的成形過程，隨機(jī)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和軋輥的進(jìn)給量，并具有滾壓過程參數(shù)程序化、屏幕化和操作提示等功能。該公司根據(jù)滾軋工藝研制了ROLLEX系列和PR系列滾軋成形設(shè)備，ROLLEX系列屬于徑向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備，主要對(duì)軸類零件的花鍵、齒輪等進(jìn)行滾軋加工，ROLLEX XL HP如圖15b所示[42]。PR系列滾軋成形設(shè)備一般都具有主軸傾角調(diào)整功能，所以既可以加工帶有螺紋表面特征的連接件和緊固件，又可以通過改變主軸傾角加工絲杠等軸類零件，2-RP 100 CNC/AC最大滾動(dòng)力可達(dá)1000 kN，如圖16b所示[43]。

意大利ORT公司。針對(duì)徑向進(jìn)給滾軋工藝和軸向滾軋工藝分別開發(fā)了2MS3系列花鍵滾軋機(jī)和RP螺紋滾軋機(jī)系列。2MS3屬于徑向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備，主要針對(duì)花鍵軸的加工，其中2M57系列最大滾軋力可達(dá)1200 kN，如圖15c所示[44]。RP系列主要針對(duì)螺紋、螺桿、絲杠等表面具有螺紋特征的軸類零件進(jìn)行加工，此系列所有的設(shè)備都支持軸向和徑向滾軋，可選用伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，其中3RP 150采用三模具結(jié)構(gòu)，可提供最大滾軋力為1500 kN，如圖16c所示[45]。

表2 國(guó)際上典型徑向和軸向進(jìn)給成形滾軋?jiān)O(shè)備技術(shù)參數(shù)比較

Tab.2 Comparison of typical radial and axial feed forming rolling machine in different countries

圖15 不同國(guó)家徑向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備

圖16 不同國(guó)家軸向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備

3.4 徑向進(jìn)給和軸向進(jìn)給滾軋方式的特性

從工藝方面來說，徑向進(jìn)給成形和軸向進(jìn)給成形都有兩輪和三輪2種形式，兩輪可加工的工件直徑范圍較大，而三輪的形式在工件直徑較小時(shí)會(huì)出現(xiàn)干涉的情況。徑向進(jìn)給由于受到模具寬度的限制只能加工一定長(zhǎng)度的花鍵、螺紋，而軸向進(jìn)給可以加工長(zhǎng)徑比較大的絲杠、蝸桿等軸類零件。同時(shí)，由于三輪的情況下工件受力較好，多用于空心管件螺紋的加工。

從設(shè)備方面來講，軸向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備與徑向進(jìn)給滾軋?jiān)O(shè)備相比多了主軸傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，從而方便加工不同升角的螺紋，模具的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)多為電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)不同模具運(yùn)動(dòng)。而現(xiàn)有的滾軋?jiān)O(shè)備產(chǎn)品一般都同時(shí)具有主軸傾角調(diào)節(jié)和徑向進(jìn)給功能，可以實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的花鍵軸、螺紋軸零件的加工。

4 結(jié)語(yǔ)

1）高效精密滾軋成形工藝根據(jù)模具結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)的不同可分為平板滾軋成形、切向滾軋成形、徑向進(jìn)給滾軋成形和軸向進(jìn)給滾軋成形，其中徑向進(jìn)給滾軋成形工藝又分為兩輪、三輪徑向進(jìn)給滾軋成形工藝；軸向進(jìn)給滾軋成形工藝又分為兩輪、三輪軸向進(jìn)給滾軋工藝。其中平板滾軋成形工藝較為成熟，所需載荷較大，適用于尺寸較小的螺釘、花鍵等軸類零件加工；切向滾軋和徑向進(jìn)給滾軋應(yīng)用范圍較廣，切向滾軋模具比徑向進(jìn)給模具復(fù)雜，兩者所需載荷均較大，可用于齒輪、花鍵和螺栓的加工；軸向進(jìn)給滾軋漸進(jìn)式成形效果明顯，所需載荷大幅降低，可用于絲杠、蝸桿的加工。三輪較兩輪來說，滾軋過程中坯料受力比較均勻，實(shí)際應(yīng)用中多適用于空心件、管件的表面螺紋、花鍵等的加工。滾軋成形工藝具有成形零件力學(xué)性能好、節(jié)省材料、生產(chǎn)效率高、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)花鍵軸、螺桿、絲杠、蝸桿等軸類零件的高效高質(zhì)量加工。

2）根據(jù)工藝實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，切向滾軋成形工藝、徑向進(jìn)給滾軋成形工藝和軸向進(jìn)給滾軋工藝?yán)碚撋暇梢栽谳S向進(jìn)給式滾軋成形設(shè)備上實(shí)現(xiàn)，由于其同時(shí)具有徑向調(diào)整機(jī)構(gòu)和主軸傾角調(diào)整機(jī)構(gòu)，若更換增量式模具，保持中心距固定，就可以實(shí)現(xiàn)切向滾軋成形工藝；若保持圓形模具，調(diào)整傾角=0°，便可實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給成形滾軋工藝；若調(diào)整傾角≠0°，就可以實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給式滾軋成形工藝。

3）傳統(tǒng)的平板滾軋成形設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由液壓缸驅(qū)動(dòng)，后來慢慢發(fā)展出由電機(jī)加滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)，其他滾軋?jiān)O(shè)備也逐漸由原來的復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)和萬(wàn)向聯(lián)軸器傳遞動(dòng)力變成了交流伺服永磁電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并且從以前的單電機(jī)通過減速箱同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)模具旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成多個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)多個(gè)模具旋轉(zhuǎn)，這種伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的設(shè)備形式簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，并且提高了傳動(dòng)效率。

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Analysis of Current of High-Efficient and Precise Rolling Technology and Equipment for Shafts with Complex Profiles

JIANG Fei1, MENG Fei-ran2, ZHAO Sheng-dun1, GAO Jing-zhou1, FEI Liang-yu1, FENG Zhi-yan1, WANG Yong-fei1

(1. School of Mechanical Engineering, Xi?an Jiaotong University, Xi?an 710049, China; 2. China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi?an 710100, China)

There are a large number of shaft parts such as spline shafts, screws, lead screws, worms, etc. in industrial practice, whose complex surface shapes are processed by traditional cutting methods, which has the disadvantages of low production efficiency, serious material waste, cut of surface material fibers, poor mechanical properties, etc., nevertheless, high-efficiency, precise and high-performance rolling forming processes and equipment are effective ways to solve the above-mentioned cutting problems. This article systematically discusses the principles of four typical processes in the high-efficiency and precision rolling of shafts with complex profiles, the basic composition of the equipment and its working process, and the status quo of typical products in industrial practice, the 4 typical processes include flat rolling, tangential rolling, radial infeed rolling and axial infeed rolling forming process. And this article further analyzes the respective characteristics of these four typical processes, to lay the foundation for the promotion and application of the above four processes and equipment in industrial practice.

shaft parts; rolling forming; equipment

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.013

TG305

A

1674-6457(2021)04-0092-10

2021-06-07

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2020JQ-067）；航天先進(jìn)制造技術(shù)研究聯(lián)合基金（U1937203）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（XZY012019003/XZD012019009）

蔣飛（1996—），男，博士生，主要研究方向?yàn)槁菁y滾軋工藝。

趙升噸（1962—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)材料成形技術(shù)及裝備、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制。