楔横轧技术发展展望

1.楔横轧技术的发展历史

1.1楔横轧的工作原理及特点

用两个装在同向旋转的轧辊上的楔形模具，在楔形模具的楔形凸起的作用下带动轧件旋转，并使毛坯产生连续局部小变形，最终轧制成楔形孔型的各种台阶轴。楔横轧的变形主要是径向压缩，轴向延伸。

图1 楔横轧原理

图2 楔横轧方式

楔横轧工艺特点:1)具有高的生产效率:生产效率可达10件/分钟；2)材料利用率高:材料利用率可达90%以上； 3）模具寿命高:模具寿命是模锻工艺模具寿命的10倍以上；4）产品质量好:产品精度可达钢质模锻件国家标准中的精密级，直径方向可达±0.3mm长度方向±0.5mm。

1.2楔横轧零件的应用

楔横轧工艺主要适用于带旋转体的轴类零件的生产，如汽车、拖拉机、摩托车、内烧机等变速箱中的各种齿轮轴、发动机中的凸轮轴、球头销等。它不仅可以代替粗车工艺来生产各种轴类另件、而且亦可以为各种模锻零件提供精密的模锻毛坯。

一般一种产品的经济规模批量应达到年产7万件以上.。

图3.楔横轧轧件

1.3发展历程

早在十九世纪，人们就开始探讨用楔横轧的方法生产轴类零件，但是由于当时技术的限制一直使此项工艺未能用于生产。直到上世纪六十年代，随着捷克斯洛伐克在莱比锡国际博览会上的展出，才引起了世界各国科学工作者的广泛重视，从而使楔横轧技术成为世界上众所周知的轴类零件加工新工艺。

之后，英德日本以及前苏联等国相继对此技术进行开发研究，不仅从其变形机理，而且在工艺参数、装备上也进行了广泛的实验研究，取得了一定的成果，

并不断运用于工业生产之中。目前，国外用楔横轧工艺生产的轴类另件己达百种，其工艺装备也得到了长足发展

我国从1963年起，国内几所大学及科研院所就开始进行了这方面的探讨与试验工作，直到上世纪七十年代初才获得了汽车球头销的楔横轧工艺的初步成功。到八十年代未九十年代初，象木凿、五金扳手毛坯等较简单零件才逐步用于工业生产。随着对楔横轧技术的不断深入研究、使此项技术得到了不断发展，从而也使其越来越得到了工业企业的广泛重视。

目前，国内至少建立了几十条楔横轧生产线，用此工艺生产的零件也有近百种，如汽车齿轮箱中的一轴、二轴、中间轴，发动机中的凸轮轴等零件以及为连杆、汽车半轴提供精密锻坯等。

2.楔横轧设备的种类及结构特点

2.1楔横轧设备的种类

目前，国内外有近十几种规格型号的楔横轧设备，但其基本类型如图所示.。

弧形式楔横轧机 部件双辊式楔横轧机 板式楔横轧机

图4 楔横轧机基本类型

2.1.1弧形式楔横轧机

弧形式楔横轧机主要特点是结构简单、重量轻、造价低，只需驱动一个轧辊，而不需分速机构以及万向联轴器、相位调整机构等。但是由于该机构具有无法加导向板、工艺调整困难、不易稳定致使产品精度难以控制以及一支内弧形的楔形模具不易加工制造等严重缺点，因此此种类型轧机应用较少。 2.1.2双辊式楔横轧机

双辊式楔横轧机由于具有生产效率高、调整方便、工艺稳定以及模具加工制造相对容易等特点，是应用最为广泛的楔横轧机。此种轧机国外以捷克ＵＬ型和前苏联ＪＩ型为典型代表。 2.1.3板式楔横轧机

板式楔横轧机是依靠两个装有楔形模具的轧板做往复相向运动从而使轧件轧制成形的一种轧机，这种轧机其突出特点是模具制造容易。其驱动方式多为液压传动，因此具有结构简单、造价低 。 2.2双辊式楔横轧设备

2.2.1前苏联ＪＩ型 ＪＩ型为分体式楔横轧机，机架为开式，机架盖靠拉杆及斜楔与机架连接，减速机靠万向联轴器与主机连在一起，因此占地面积大，无制动器离合器。它主要用于轧制大中型轴类另件。

图5 ＪＩ型楔横轧机

表1 ＪＩ型楔横轧机主要参数 规格 JI-650 参数 轧辊直径/ｍｍ 轧辊长度/mm 轧件最大直径/mm 轧件最大长度/mm 650 600 50 550 800 750 80 700 1000 750 100 700 [1]

JI-800 JI-1000 轧辊转速/r.min-1 电机功率/kW 轧机重量/ｔ 外形尺寸（长X宽X高）/m 18.5 55 15 3.5X1.8X2.4 0~23 80 25 4.9X3.0X3.4 14 100 32 7.0X3.0X3.4 2.2.2捷克ＵＬ型轧机 主要特点是结构紧凑、占地面积小、带有离合器和制动器调整方便，便于与模锻成型配线使用。

2.2.3型分体式双辊楔横轧机。

这种轧机的工作机机构和传动机构是分开的，中间通过万向联轴器联结。没有安装离合器，因此机器只有连续运转模式，多进行正面上料；通过变频调速也可进行轴向送料。调整工作轧辊端部机构，可以方便的实现轴向和相位的调整。工作机构机身多为铸钢结构并加预应力安装，故机身刚度大，轧件尺寸精确，该机还据有结构简单、维护检修方便等优点。但由于结构分置、占地面积大，因而不太适合与模锻生产线配套使用。该种轧机在我国应用普遍，其主要用于生产各种汽车台阶轴等。

图6 ＵＬＳ100型双辊楔横轧机

表2 ＵＬ型楔横轧机主要参数 规格 ＵＬ35 参数 轧辊直径/ｍｍ 轧辊长度/mm 轧件最大直径/mm 轧件最大长度/mm 轧辊转速/r.min电机功率/kW 轧机重量/ｔ 外形尺寸（长X宽X高）/m -1 [1]

ＵＬＳ100 1000 800 100 750 0~9 158 45 6.4X3.3X3.8 ＵＬＤ55 600 500 55 450 8~6 55 2.95X1.69X2.86 600 400 40 320 10~15 40/60 9.4 6.5X1.5X3.2

图7 Ｈ型分体两辊式楔横轧机

表3 Ｈ型轧机的主要技术参数

规格 参数 轧辊中心距/mm 轧辊直径/ｍｍ 轧辊长度/mm 轧件最大直径/mm 轧件最大长度/mm 轧辊转速r.min-1 轧辊相位角调整量/° [5]

H500 520 500 450 30 400 12/15 ±3 H630 660 630/700 500 30/50 450 8/12 ±3 H800 800-850 800 700 80 600 6/9 ±3 H1000 980~1060 1000 800 100 800 6 ±3 H1200 1160~1250 1200 1200 120 1000 6 ±3 电机功率/kW 轧机重量/ｔ 30 40 60 95 150 6 9 34 48 75 2.2.4D46系列整体两辊式楔横轧机 D46系列轧机的工作机构与传动机构合为一体。因此具有结构紧凑、外形美观占地面积小等特点。由于装有制动器和离合器，可实现连续、半自动单次及调整等工作模式；通过上置式蜗轮蜗杆机构，上轧辊可实现上下直线移动以调节轧辊间距。下轧辊通过齿轮箱中的相位调整机构可实现旋转运动以调整模具的相位；轧机据有的超负荷保护装置可实现机器的安全保护。该种轧机不仅可以轧制各种大中型轴类零件，而且还可以做为模锻生产线上的制坯设备，为模锻工序提供精确毛坯

图8 整体两辊式楔横轧机

表4 D46系列轧机的主要技术参数[5]

规格 参数 轧辊中心距/mm 轧辊直径/ｍｍ 轧辊长度/mm 轧件最大直径/mm 轧件最大长度/mm 轧辊转r.min-1 轧辊中心距调整量/mm 轧辊相位角调整量/° 电机功率kW

7.5~15 15~22 22~30 D46-315 315 250 250 15 230 12/16 ≥±8 400 320 300 25 280 12/16 ≥±10 500 400 400 35 350 10/14 ≥±12 630 500 500 50 450 10/14 ≥±15 ≥±3 30~45 800 630 650 80 600 8/12 ≥±20 1000 780 800 100 750 6/10 ≥±25 1250 980 1200 130 1100 6/10 ≥±30 D46-400 D46-500 D46-630 D46-800 D46-1000 D46-1250 55~75 75~110 110~160 图9 D46整体两辊式楔横轧机

2.3平板式楔横轧设备

板式楔横轧机是依靠两个装有楔形模具的轧板做往复相向运动从而使轧件轧制成形的一种轧机，这种轧机其突出特点是模具制造容易。其驱动方式多为液压传动，因此具有结构简单、造价低

图10 德国立式板式楔横轧机 图11白俄罗斯卧式板式楔横轧机

• 47系列平板式楔横轧机

Ｄ47系列轧机是水平放置的，即在机架中装有上、下两个水平放置且工

作面相向的平板轧板，由油缸和齿轮、齿条机构带动两个轧板作左右相向往复运动,其中一个方向的运动为工作行程，另一个为空行程。如图9所示。由于水平放置，可以不加导板，故适合轧制较细小轧件；模具由分段组合式平板轧模组成，故加工简单，可整体率火，模具寿命高。但由于该机为液压传动，带有较大的液压站，并和主机分开放置，故占地面积较大，并且有上下轧板间距调整较为困难，修模不方便等缺点。

目前我国应用的平板轧机最大轧件直径不超过φ60。 表5 D47系列轧机的主要技术参数

规格 D47-25X300 D47-32X350 D47-50X450 D47-63X550 参数 可轧坯料最大直径/mm 可轧工件最大长度/mm 轧板工作部分宽度/mm 轧板长度/mm 轧板间距离/mm 轧板间距调整量/mm 油缸行程/mm 工作次数/r.min-1 电机功率kW 25 300 350 1000 60 15 1060 13 22 32 350 430 1250 80 15 1320 11 30 50 450 600 1600 100 20 1680 8 2X22 63 550 780 2000 130 25 2140 6

图12 Ｄ47系列平板式楔横轧机

3.楔横轧工艺参数及模具设计

3.1楔横轧工艺的主要参数

楔横轧变形是在模具压力作用下，从轧件与模具接触的表面开始的，随着压下量的增加，塑性变形不断向里渗透，直到内部也产生塑性变形。随着模具的旋转，这样的变形将在轧件的整个断面上连续。楔横轧变形在轴向方向随着楔形的展宽逐渐移动，轧件中部在楔入开始时为变形区，随后变形区一分为二，中间段变为已变形区，并逐渐扩大。

图12轧制成行过程

楔展角β :是指两个成形楔之间的夹角，通常用β表示 4°≤β≤12°

成形角α ：是指成形面与基面之间的水平夹角,通常用α表示。15°≤α≤35° 断面缩减率：

式中，d0和d1分别为轧件原始直径与思后直径。一次轧制断面缩减率应小于75%。对于产品直径差较大，ψ＞75%时，应考虑分两次成形，这两次成形可在轧机旋转一周内同时完成。

轧件旋转条件 摩擦系数 截齐曲线

3.2楔横轧工艺主要产生的轧制缺陷

轧件内部产生疏松与空洞(曼内斯满效应):这主要是由于轧制工艺的参数不合适,并且轧制过程中轧件内部的组织反复受交变应力的影响等引起这是轧件的最严重缺陷，是不允许的 端头凹心

轧件拉缩、拉细

轧件表面产生螺旋痕

3.3楔横轧模具的设计及加工 3.3.1模具设计要点

轴向力平衡 模具作用到工件上的轴向力应平衡，确保工件不产生左右窜动。对称轧制可实现轴向力平衡。非对称工件尽量两件一同成形，可实现对称轧制并提高生产率。如无法实现对称轧制时应适当设计模具使轴向力接**衡。

满足旋转条件 工件旋转是实现楔横轧的必要条件。影响工件旋转的有模具几何参数和模具与工件间的摩擦系数等因素。其中摩擦系数的影响最大。增大摩擦有利于工件旋转，模具成形面粗糙化是使工件旋转的最有效手段。

不产生拉缩 保证成形成过程中不因轴向力过大而使轧件出现拉缩，产生细颈。变形量过大，成形角α和楔展角β过大都使轴向力过大，易于产生拉缩现象。 内部不产生疏松 轧制时易出现的曼乃斯曼效应即产生疏松应予以重视。综合考虑工艺参数与变形参数的组合，可有效的防止出现疏松。 3.3.2模具的加工

模具的材料：5CrMnMo 5CrNiMo ZG55 热处理要求：调质处理，硬度HRC30~36 模具寿命：一次修模20万次，可修2~3次 传统加工:

普通车床 :通过选择挂轮来获的所要求的螺距。 数控车床:

现代加工方法：二维设计→ 三维造型→生成加工代码→数控加工中心

4.楔横轧技术的发展展望

4.1工艺技术的发展

4.4.1进一部研究轧件在轧制过程中的受力模型以及金属在轴向转移规律与工艺参数之间的关系，为多楔轧制以及偏心轧制提供理论依据。

4.4.2楔横轧模具设计的CAD技术的应用 利用开发的楔横轧模具设计的CAD软件,不仅使模具的设计变的简单，而且还可获的三维图形，生成加工代码，可直接输入到数控加工中心，进行模具的加工，这样可极大的提高设计和加工效率。

图13 楔横轧二维模具工程图 图14 楔横轧三维模具图

4.4.3楔横轧工艺数值模拟与物理模拟利用有限元技术，对楔横轧工艺可进行数

值模拟以得到轧件内部的应力应变场信息，不同工艺参数对应力应变场的影响。这对于认识楔横轧工艺过程中材料的流动规律，优化模具参数设计提供了理论依据和设计指导。

图15 楔横轧成型过程模拟图

4.2设备的发展

4.4.1设计新 机器结构，满足轧件不同要求。如平板式楔横轧模由于其加工简单（只需传统刨铣工序）越来越受到人们的重视，因此，改进目前平板轧机的功能结构，应是当务之急。采用斜楔式蜗轮蜗杆结构，以实现轧板间距的调整；实现上轧板可移出式结构可方便修模；采用双工位轧模布置结构，以避免空行程，提高生产率；使两轧板垂直放置或成45°角方置，不尽有利于氧化皮的清除，而且有利于出料。平板楔横轧机的技术关键是保证两轧板绝对同步、间隙调整方便而结构不易复杂。

4.4.2完善功能部件，提高产品的整体性能。目前所开发的楔横轧设备，基本具备了楔横轧工艺对设备的要求，如为了保证轧件径向尺寸，两轧辊间距可以调整，为了使上下模具型槽一致，可以调整轧辊相位等。这些参数的调整都是在试轧之后根据经验调整的，在设备中采用传感技术，利用计算机的控制功能，可有效的在工作中实施即时调整，从而提高产品的智能化，使轧件保持稳定的质量性能。同时，采用数控技术，还可以监控机器的工况并实现“自诊”，发现诸如设备超载、轧件位置不准等故障时，便于急时排除和维修。改进送料方式，使其定位快速准确，以避免因为定位不准而导致废品率的提高；加强导向板装置，使其调节方便快捷；设计专用工装以便实现模具的快修快换，以节约换修模时间。

4.4.3与其它成形技术配套实用，充分发挥其轧件尺寸精度高、形状准确、高效等特点，为精密成形锻件提供精确毛坯。楔横轧工艺其缺点是只能成形旋转体截面的轴类件，因此，对于某些量大的零件，可采用轧锻结合的工艺，如为连杆模锻提供精确毛坯、轧制半轴杆部、利用摆碾或平锻机上进行头部成形等。在轧机上安装离合器制动器并进行程序控制，可实现机器的连续自动、单次自动等工作模式，为楔横轧连线使用、自动化工作提供了可能。在轧机前安装自动送料装置、可将加热好的坯料自动送入轧制空间，以实现自动化生产，并要求送料准确可靠节拍可调等。

4.4.4开发研制特大型楔横轧设备随着我国重载汽车工业和铁路工业的不断发展，对于大型汽车轴类零件需求量的与日俱增,因此开发特大型楔横轧设备是必须的.

4.4.5深入 加强理论研究,建立较完善的轧件受力模型，准确确定轧制工艺参数与工艺轧制力、轧制力矩及功率之间的关系，为轧机的结构的合理性、可靠性以及系列设计提供理论上的依据