（机械制造及其自动化专业论文）一模两异件楔横轧技术的应用.pdf

摘要 楔横轧成形工艺是一种阶梯轴类零件塑性成形的新工艺，属于现代先进制造技术范 围。自从上世纪六十年代以来，该工艺已经被困内外大约5 0 多个工厂广泛应用于阶梯轴 和回转体类件的批量生产中，取得了显著的经济效益。由于轴向轧制力必须对称原则的 限制，楔横轧成形工艺一般只应用于对称件的轧制。本文在轴向严重不对称件的轧制方 面作了一些尝试，为从事楔横轧成形工艺设计和应用的工程技术人员提供了实践依据。 本文着重进行了以下方面的研究： 首先，简要介绍了楔横轧工艺的产生、发展和现状。 其次，结合生产实际，对某汽车变速箱的输入轴和输出轴毛坯生产的三种方案进行了 经济分析。通过比较各个方案的批量相对生产成本，选择了最佳的方案。 再次，在前人经过试验总结的各个工艺参数对轧制轴向力的影响大小的基础上，通过 合理安排轧件左右两部分的轧制次序，合理选择轧制工艺参数，研制了一套能够轧制这 种严重不对称件的楔横轧模具，并成功投产。该工艺措施具有明显的技术经济效益。 最后，论述了楔横轧工艺生产过程中的质量控制规程，为批量安全生产提供了一些较 为成熟的经验数据和方法。 关键词： 楔横轧成型经济技术分析轴向轧制力工艺参数 a b s t r a c t lh c t e c h n o l o g yo fc r o s sw e d g er o l l i n gh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hc f f i c i c n c ) ；g o o d q u a l i t y - l i i ds a v i n gm a t e r i a l se t c f r o m19 6 0 s ，t h i st e c h n o l o g yo fc r o s sw e d g e r o l l i n gh a sb e e nw i d e l y u s e dt b t f o r m i n gm a n ya x e si nm a n yf a c t o r i e si nm o r et h a n5 0c o u n t r i e si n c l u d eo u rc o u n t r y f o rt h e p r i n c i p l eo l s y m m e t r ya x i a lf o r c e ，t h i st e c h n o l o g yb e i n gu s e do n l yf o ra x i a ls y m m e t r yp a r t s ，o rf o r p r o d u c et w os a m ep a r t sw i t ho n ed i ea tt h es a m et i m ei nt h i st h e s i s ，t h i st e c b m o l o g yo fc r o s sw e d g e r o l l i n gb e i n gs u c c e e d e du s e df o rm u c ha s y m m e t r yp a r t i tg i v e st h er e f e r e n c et ot h et e c h n o l o g i s t sf o r t h e i r sd e s i g n so f e r o s s w e d g er o l l i n gd i e s t h i sp a p e r r e p o r t ss o m er e s e a r c hr e s u l ta sf o l l o w ： 1 i nt h i st h e s i s ，t h ea p p e a r a n c ea n dd e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo ft h e t e c h n o l o g yo fc r o s sw e d g e r o l l i n g w a sb e i n gi n t r o d u c e d t h i sw i l l g i v eh e l p t o m a n yt e c h n o l o g i s t st ou n d e r s t a n dt h e t e c h n o l o g yo f c r o s sw e d g e r o l l i n g 2 i nt h i st h e s i s ，t h ec o s t so ft h r e ek i n d so f p r o d u c e m e t h o d st op r o d u c ei n p u ts p i n d l er o u g h c a s ta n d t h eo u t p u ts p i n d l er o u g h c a s ta r ea n a l y s e da n d c o m p a r e d as c h e m et op r o d u c et h i st w od i f f e r e n t a s y m m e t r yp a r t sw i t ho n e d i ea tt h es a m et i m eb ec h o s e n 3 i nt h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f s y m m e t r ya x i a lf o r c e ，b yc h o o s i n gt h er i g h tb e g i n n i n g p l a c eo fr o l l i n g ，a n ds u i t a b i l i t yt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，ac r o s sw e d g er o l l i n gd i ew a sd e s i g n e d t op r o d u c ea l lt h i st w o p a r i s t h ee x p e r i m e n t a t i o nw a ss u c c e e d t h ed e s i g nm e t h o d s o ft h e s ec r o s s w e d g er o l l i n gd i e sa r ep r o v i d e d t h ep r o m i n e n te c o n o m i cb e n e f i t so ft h i st e c h n o l o g yo fc r o s s w e d g er o l l i n ga r ep r o v e d 4i nt h i st h e s i s ，w eg a v et h eq u a l i t yc o n t r o lm e t h o d so ft h ec e n t r a lb u r s t i n gp r o b l e m s ，t h e s er e s u l t s a n d p r a c t i c a le x p e r i e n c e sw i l lg i v em a n yh e l pt ot h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n k e y w o r d s ： c r o s sw e d g e r o l l i n g e c o n o m i ca n a l y s i s p r i n c i p l eo f s y m m e t r y a x i a lf o r c e t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s 独创性声明 本人声明所星交的学位论文悬本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 褥究残暴，豫了文中转副热班标注耪羧| 蘩之楚羚，论文中不包害其毽久已经发表 或撰写过的疆究成果，也不包含隽获褥叁壅盘茎或葵镌教育丰且构鲍学位域汪 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学谴论文俘餐签名：贺磊彳 签字蠢麓：多秽未年2 月2 r 强 学位论文版权使用授权书 本学位论义作者完全了解基滤盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鎏态茁可以将学位论文的全部或部分内褰编入有关数据库进行检 索，著采矮影谨、缝印蓑蟊捶等复镧手段绦存、汇编数供燕耀彝整懑。 曩】鬈喾校 向国家有关部门躐税构送交论文的簧印件和磁盘。 ( 保密的举位论文在解密后通用本授权说明) 学位论文作者掩名：乍磊彩 导师签名 诹自菱 签字爨期：矽参年扭胃；皇嚣签字霸期：劾孵侈月巧嗣 第章绪论 第一章绪论 1 1 楔横轧成形的特点和优缺点： 1 1 1 现有轴类零件毛坯加工方法简介： 1 ) 直接机加工：是利用普通的车床、铣床、刨床、磨床等机床，将圆钢加工成轴类零 件。这种加工方法需要的生产人员、辅助人员、占用设备多，机加工工艺制定麻烦。材料利 用率低，能耗高，不利于高效、大批量生产。 2 ) 锻造成形：是利用压力机( 机械压力机、空气锤、水压机等) ，把放在模具中的冷态 或热态的一段材料压成轴类零件。这种加工方法相对直接机加工来说，材料利用率高一些， 生产效率也高一些。但它产生高的冲击噪音，工作环境恶劣，能耗也比较高。如果锻造设备 的防护差，生产中偶然飞出的毛坯或模具裂块极易伤人。 3 ) 楔横轧成形： 楔横轧工艺是一项少切削或无切削加工的新技术，是一种阶梯轴类零件塑性成形的新 工艺，属于现代先进制造技术范围，是先进的近净成形制造技术的组成部分。楔横轧以其连 续、局部的成形方式，在阶梯轴和回转体类件的制造方面显示出特殊的优势。在国内外，用 楔横轧工艺已生产出数百种零件毛坯。楔横轧工艺以热轧为主，小直径产品可以实现冷轧。 产品的直径范围为6 - 1 5 0 毫米，长度范围为 4 0 1 2 0 0 毫米。由于楔横轧模具的设计、制造阻及 工艺调整十分复杂，所以至今这项技术在世界上 只有少数国家能够全面掌握【5 【6 】 1 1 】。 楔横轧的成形原理是( 如图l 一1 ) ：两个装有 楔形模块的轧辊，以相同方向旋转，坯料在楔形 模块的作用下，径向压缩、轴向延伸，被轧成所 需要形状的零件。其特点是：1 ) 两个轧辊的轴心 线平行，且旋转方向相同；2 ) 轧件平行轧辊轴心 线并与轧辊旋转方向相同，进出料需要专门的装 置。轧辊凸起沿轴向逐渐变宽，形成一个楔子， 故称楔横轧。它主要是靠产品直径缩小轴向伸长 图1 1 楔横轧工作原理图 1 一轧辊；2 一轧件；3 一导板 f i g 1 l t h es k e t c ho f c r o s s - w e d g er o l l i n g 实现阶梯轴的成型。轧辊径向在轧制时不需要靠拢，因而轧机传动简单，操作容易，轧制一 个产品的周期短( 每分钟能轧制6 2 5 个产品) ，如果产品不长，还可以成对轧制( 每分钟能 生产1 2 5 0 个产品) 。这种方法主要用来生产各种类型的阶梯轴。 1 第一章绪论 楔横轧典型模具展开图如图1 - 2 所示，通常模具由五个区段组成：楔入段、楔入平整段、 展宽段、精整段及剪切段，图上显示为l l 、l 2 、b 、l 4 、l 5 。楔入段的作用是实现轧件的咬 入和旋转，并将轧件压成由浅入深的v 形槽；楔入平整段将轧件在整周上轧成同样深度的v 形环槽，改善展宽段开始的塑性变形，为减少模具长度和简化机械加工，在模具设讣时经常 取消这一区段；展宽段是楔横轧模具完成变形的主要区段，轧件直径压缩、长度延伸的变形 主要是在这一区段完成的；精整段将轧件在整周上全部轧成所需尺寸，并达到尺寸精度与表 面粗糙度要求；剪切段用于将轧件切断，与卸载段重合。工件的变形主要取决于成形角a ， 展宽角卢，断面收缩率y 。为防止轧件歪斜，保证轧制过程的稳定，有效的控制产品的尺寸 精度而设置了导板机构。在轧辊成形楔面上刻有刻痕以保证轧辊带动工件旋转5 【种。 丁一 一一日 图1 - 2 楔横轧典型模具的r 段图 f i g 1 - 2 t h es k e t c ho f c r o s s - w e d g er o l l i n gt o o l 楔横轧工艺可生产各种台阶轴类零件，如图1 3 所示。其中台阶可以是直角台阶、斜台 阶、圆弧台阶( 包括凸圆弧台阶和凹圆弧台阶) 和窄凹档台阶等。可以是单台阶，也可以是 组合台阶。楔横轧既可以用于无切削或少切削的精轧，又可以为模锻件提供毛坯。对第一种 情况，往往精度要求很高，因此模具费用很高，故适用大批量生产。对第二种情况，因仅仅 是进行体积的再分配，所以模具形状简单，故适用于小批量生产【5 】 “。 2 d e 0+_叫+j毒iii上l爿寸 第章绪论 到1 - 3 摸摸l 典型零俘 f i g 1 3 t h et y p i c a lw o r kp i e c eo f c r o s s - w e d g er o l l i n g 1 1 2 楔横轧率l 制成形的优点； 模横轧成黧工艺耜对前两种船工方法有许多优点翻阍【8 ii ”j ： 1 ) 单机的生产效率大幅度提高，因轧辊每旋转一圈就生产一个产黯。楔横轧使用的转 速一般为6 2 5 转分，即每分钟生产6 - - 2 5 个产晶( 对称成双轧制则加倍) 。与锻造、机 烟工相比生产效率提裹5 2 0 倍。随羞撰横车l 技术的进一步完善，生产效率会进一步提 高。 秘毒| 料糕箱率显装提高。在锻造之后进行凝燕工静产品，薅蛰熬测竭率一般只有6 0 左右，不少行业还低于这个数字。楔横轧成形的产品，材料利用率一般达8 0 w , 上， 精密斜轧与禊横轧可班这甍9 0 以上，静达到多镯滔，筷至无留屑静西豹。 3 1 产品质照提高。产品质量提高主要有两个方面的原因： 楔横礼轧制成形产品的金属纤维流线沿着产品轴线保持连续( 无切削断头) ； 毒l 匿晶粒细化。尤其对采用快速加热霉k 届侠冷工艺的产品，爨具有形变处理晶粒细 化的优点。 铷获零变形力小，模具毒念毫。囊予楔横孝l 毒l 刳属子连续羁部变形，镬变形力大蜒度 减小，同时也使模具寿命显著提高，不经翻新，一次使用寿命可达5 1 0 万件a 5 ) 改善劳动条l 孛。攘横黧与簸逡秘耽，无渖击喋裔，劳韵条孝 褥餮甓显貔改善。产品 的成型、精整与切断等工序均在轧辊孔彤中连续自动完成，加上进出料容易实现自动 绦作，因而降低了操作工入的劳动强度。 6 ) 投资少。生产人员、辅助人员、设备台数及厂房面积等都可减少，因此也带来产品 成本的大幅度下降。 1 1 。3 楔横毒l 成形鹣缺点： 第章绪论 1 ) 楔横轧工艺技术复杂，模具的设计和加工都需要专业化，设备、模具一次投资大； 2 ) 摸攒搴l 攘爨选债嘉恳其有专蠲洼，嫫其一婪戏型，一敷不栽改为其它零 孛粒模其， 故一般适用于有稳定的大批量轴类零件的生产； 3 ) 禊横轧工艺对金疆糍料豁撬格要求严格，只能采麓一季孛趣嵇静金藩孝才精，梭生产安 排有时较困难。 1 2 楔横轧成形技术的发展概况： 1 2 。l 謇努遮建莺撬 二十世纪六十年代初，捷克斯洛伐克l e t n a r y 汽车制造厂工程师j iy ih o l u b 首先将辊 式攒横轧蔽术应霜予生产，主要产鼯为五金工其珏、小型汽车零伴等。蔽魏，在世葬上密蕊 了用楔横轧工艺成澎轴类零件的新方法。 六十年代后期，民主德黼e r f u r t 公司研制板式 摸横辜l 获褥成功并投入工业生产，产品包撼大型汽 车零件。楔横轧成形法的应用与研究工作进入了一 令掰懿发爨弱提亵除段。这瑷技术在蒙苏联也褥到 应用，除辊式、板式楔横轧机外，还研制出单辊弧 式楔禳毒l 枫。生产豹品种鸯汽车、稳拉辊、邀梳及 煤炭机械上的零件。 图1 - 4 日本的楔横轧产品 日本三菱公司于1 9 6 8 年开始试用，1 9 7 4 年， h g h 1 4 1 k 竺警e ，o f c r o ”8 9 e ”1 1 ”g 三菱重工宠残了正焱豹实震楔横轧牟l 枧m c r l 0 0 0 ， 并开始作为商用轧机出售。1 9 7 9 年，采用m c r l 0 0 0 车l 瓿生产线，开始生产汽车中阂齿轮麓。霞1 4 麓霹率夔模横辜产瑟嘲啤$ 蠼涮。 1 2 2 国内逡用情况： 在我国楔横车l 工蓉起步也 e 较旱，二十毽纪六十年代襁，重庆大学最早送行了禊横轧汽 车球销的试验，并取得初步成功。七十年代韧，东j b 大学( 原东北工学院) 在实验塑实验基 础上，与沈阳轧钢厂合作，试轧火车d 轴，在试验机上获得成功。 上海锻压机床三厂研毒成功的擎辗弧形式楔横露l 鲤鱼钳毛坯新工艺，在我国最举憋楔横 轧应用于大批量生产，获彳罨了较好的经济效益。但 妇于这种楔横轧机在模典制造、工艺调整 等方嚣都l ”分困难，至今只在比较麓单数产燕上应震。 1 9 9 6 年，北京科技大学胡正寰教授等人在多年理论研究与大量实验及生产实践基础上 编蔷密叛了楔横孝l 疆论与应霭一书。全蔼阐述了模穰巍瑾论与瘟蘑。熬主要蠹容包话： 4 第毒绪论 s l n 原理、轧齐理论、轧制压力与力矩、模具设计及机械设备等【5 6 2 6 【3 2 。 北京科技大学零件轧箭研究室，自七十年代以来，在楔横轧技术的研究和开发等方面做 了许多有益的工作，主要工作如下： 1 1 将楔横轧机系列化并指定生产。先后设计出辊径从中3 5 0 中1 2 0 0 m m 楔横轧机系列， 并捌为国家标壤 z b j 6 2 0 2 4 s 9 。它销怒：h 3 5 0 、h 5 2 0 、h 6 3 0 、h 8 0 0 ( h 7 5 0 ) 、h 1 0 0 0 及h 1 2 0 0 ，由陕西压蜒设备厂与酋钢冶金机械厂定点制造。目前，该研究室正尝试 设计由1 5 0 0 r a m 的楔横轧机。 2 1 帮助国内建成并投产的楔横轧生产线7 0 多条，同时向美国、印尼等国出口$ l 桃、模 具、加热设备与相关投术。从1 9 7 9 年至今，强国内由北京科技大学直接指导、帮助 建成并投产的楔模轧生产线黪7 0 多冬中，有搬当部分形残楔横$ t 专业化工_ 厂，向该 地区掇供各种轴类零件毛坯。使我国成为世界上采用楔横轧技术最广一泛的国家之一。 3 ) 开发著投产懿攘搂羲辘类势晶耱2 0 0 多静。其中毽括汽车零件，拖挝税、发动爨、 摩托军和自行车、五金工具、油泵和齿轮泵、电机等各类零件，如图1 - 5 所示。 图1 - 5 我国的楔横轧产晶 f 逸1 * 5 t h ew o r k p i e c e o f c r o s s - w e d g er o l l i n gp r o d u c e db yc h i n a 钓在模摸枣l 技术豹理渣磷究上取褥了一是的或慕。其中餐括：对楔横每0 模其设麓。静三 个主要参数：成形角搿、展宽熊口与断面收缩率妒进行了广泛的研究。对二次起楔 的理论与实际问题进行较全面的研究，并已实用化。对某些翘长的产晶，采用多楔 轧铡。磅究各耪台玲躲羲齐戆线并搀嚣出直角台除羁皴台除懿糖确辜l 齐莛线e 理论 分析与实测相结合，确定楔横轧的接触面积、轧制压力、轧制力矩及电机功率a 5 ，开发摸蔡设诗系统软俘并己实藤讫心闼【3 2 】。 吉林工业大学和北京机电研究所在楔横轧技术的理论与应用方面也做了深入的研究。如 第一章绪论 楔横轧变形载荷的计算，应用光塑性物理模拟方法研究了楔横轧三维变形规律，研究了空心 件楔横茕戆旋转条俘、压赢失稳条鹱二与壁l 萃交讫燕津，挨禳转变形区瓣沿交形程度，稷禳轧 截齐曲线的计算等等【1 2 u 3 u a 。 勇夕 ，枫械部酶济南铸禳毳薛究所、郑矧帮l 械所也开震了楔横轧静研究与开发，并敬得了 一定进展。 我国是开发投产楔横轧产品最多的国家之一，专业化楔横轧厂迅速发展，分布在北京、 上海、江苏、濒江等2 0 多个嚣蠢，带_ 柬了显罄的经济却社会效益。我国经过多年的理论硬 究和大量的实验及生产实践，已经建立了轧制原理、轧齐理论、轧制压力与力矩、模舆设计 等基本戆楔横毪瑾论，这些瑾途受车l 橇翡系残化设诗努下 基磁。餐攒模轧鼓零正在发展之 中，许多理论仍有待进一步认识和深化。 1 2 3 楔横轧技术在我国的前景： 据不完全资料统计，2 0 0 2 年我国汽车年产蹙大约3 5 0 4 0 0 力l 辆，汽车保有量约2 5 0 0 万 辆，以鞭车及l 飘车更换零 牛计，2 0 0 2 年的年需要轴类传毛坯约8 e 万吨。2 0 0 2 每其它聋 | 类 牛 毛坯年需要量约1 3 0 万吨( 拖拉机1 5 万吨、摩托车及自行车2 0 万吨、发动机1 5 万吨、火 车辘2 s 万睫，茭它援嚣5 0 万睫) 。郢2 0 0 2 年我国年鬣疆类传罨坯终2 1 0 万堍，按楔援牟l 辘 类件当年的覆靛率为4 0 计，将达年8 4 万吨。这说明楔横轧在我国将有一个较大的市场， 给禊耩聋t 技术麓发震翎造一个良好氛邋。 1 3 课题的提出及意义： 随着市场缀济的体制不断深化，对工业产晶的经济性提出了更高的要求。低成本、高效 率生产瓣企鲎方鸯竞争力，才在枣场上褥啦生存。遴一步洚抵产品黪铡造藏本，节黢节耪， 实现技术进步怒每个企业的紧迫任务，同时也是合理利用资源，保护生态环境的要求，是当 前形势掰趋。 “八五”技术改造期间，我公司于1 9 9 4 年从贵州险峰机床厂购进台d 4 6 1 0 0 7 5 型 楔横轧机。在吉林工照大学张承鳐教授和李光歪教授豹技术支持下，我公司先焉对l o 多种 锻件毛坯进行了技术改造，将原来的压力机模锻件毛坯改为楔横轧件毛坯，并投入批量生产。 目前已经轧制成功楔横轧件1 0 多种，年产量达到约3 0 万件。轧件直径q b 4 0 q b 9 0 ，重量 2 5 7 5k g 。平均节约钢越2 0 5 5 ，提毫部分锻l 孛的生产效率1 2 倍，平均节终工时 4 0 5 0 ，创造了巨大的经济效益。 第章绪论 目前，我公司新投入大量资金开发试制一种新型轿车的变速箱。根据整车厂的市场预测 将有年产t 0 1 5 万会麴生产毒魄量。 该变速箱的两根轴：输入轴和输出轴，如图1 - 6 和图1 7 所示。 一 o o r 匪 j l羽丁 警 了i丁 一 芝1 1 k 。一1 e | | l ， 噶“ 二l1 1 。 。u ：j 二： r 一 携3 3 6 筠 3 5 似82 6 5 3 s； s 7 甄8 s 7 8 5 5 1 0 b 3 s 16 1 s 。2 话 图1 - - 60 3 7 变速徽输入轴简图 j 刿 粤ff 一哥 丁 卜 一耻一 _ 飞鼍 1l 矗 。曩l j 一 鹜! 强 址 翦 _ t d9 5 15 坦。 链2 1 1 67 1 8 扛 圈1 - - 70 3 7 变德箱输出轴简图 由于市场党争的目趋激烈，该轿车变速箱对质量和性能价格比的要求相当严格，齿轮和 蓥轮季囊嚣要震倪霞数2 0 c r m n t i h 钢李芎。这静镪材懿馀黎鞠当器责，大约6 5 元公厅，是 普通齿轮钢价格的1 5 2 倍。 这梯，如讶既节约钢材，节约其它能源和人力，又优质高效率遗生产出这两种轴的罨坯， 即选择何种工艺方案的经济效果最好怒我们急霈解决的闻题。也是本文的选题的意义所在。 第一章绪论 露蘸，我公司豹锻造设备魄较落屡，镞释翻造承平还魄较低。普通锤上锻逸工艺方法或 摩擦压力机上锻遗工艺方法的生产效率都很低，而且材料利用率低，很难满足生产这两种辅 件毛坯的要求。 用楔横轧机轧制生产是一砷比较理想的方案，可以很好地完成这两根轴的轧制。 辜l 裁戆方案瞧有多秘，蘩：单彳譬裁铡、多俘g l 素 j 、一蔽嚣饽笺剜等。我 l 旋逸铎& 较好 的轧制方案，以达到最佳的经济效果。从经济性分析对比可强得出：同模两件t f l 带, j ，即用一 套楔横轧模具在一次轧制中同时生产出这两种轴各一件是般佳方案。 但是，同模两游件轧制，在轧制造程中，将是严重不对称轧制。由于轧件在轴向上左右 嫠异缦太，如采车t 镄摸分意或工艺参数选铎不当，乳件掰受的辘蠢力不平衡，霉l 搏毒荽不笺顺 利旋转，甚至会造成疆睡或被拉断。在瀚内帮国际鲍文献上郁没有我至l 类戗这耱严重不对称 轧制的先例。我们选择这一课题，也恩缨在这一领域作下尝试和突破，拓宽楔横轧工艺适 用范围，这对楔横轧技术的发展将有黧要的现实意义。 楔棱轧技术怠二卡世纪六十年代产生以来，已经有靼一卜多年鲍历史，我国和其他一些困 家基经建立起一蘩较丈纛模戆撰穰辜专照生产厂家，大撩鬃生产撰援季l 轴类零 孛毛坯，取褥 了显著的经济效益。但是楔横轧工艺的机理以及如何控制轧件的质量还未形成成熟的理论体 系，不少厂家在生产过程中还不可避免的产生轧件的各种缺陷。所以，在生产宓践中总结楔 横轧技术的应用方法和质量控制方法对我们这些楔横轧技术应用厂家有着极其霆要的现实 意义。 第二章两根轴毛坯生产i ：艺方案的经济披术分析及方案选定 第二章两根轴毛坯生产工艺方案的经济技术分析及方案选定 2 1 工艺方案简介： 2 1 1 现状分析： 我公司锻造车间现有设备情况 设备类型设备名称设备型号设备产地设备台数设备性能 带锯床 g z 4 0 3 2 浙江 3 下料m 1 5 0 下料设备 棒料热剪断机q a 4 2 - 2 5 0沈阳 l 下料中6 0 中频感应加热 k g p s 一2 5 0 西安 1 加热m 5 0 加热设备 中频感应加热 k g p s 一3 5 0西安 2 加热中6 0 中频感应加热 k g p s 一5 0 0 西安 2 加热中1 0 0 摩擦压力机 j 5 3 3 0 0 安阳 l 锻造5 0 锻造设备 摩擦压力机 j 5 3 6 3 0 鄂卅i 2 锻造中7 0 热模锻压力机 2 5 0 0 0 k n 俄罗斯 l 锻造巾8 0 楔横轧机 d 4 6 1 0 0x7 5 0贵州 1 轧制中9 0 退火设备等温退火生产南京 1 退火1 2 k g 抛丸设备抛丸清理机 6 g n 一5 n 青岛 l 抛丸4 k g 校直设备油压机北京 2 校直中6 0 2 1 27 - 艺方案简介 从上述现有设备情况看，这两种轴的毛坯的准备方法可以用j 5 3 6 3 0 摩擦压力机机组或 2 5 0 0 t 热模锻压力机机组锻造：也可以用d 4 6 1 0 0 x 7 5 0 楔横轧设备轧制完成。 这种长轴类零件的毛坯的加工方法主要有以下三种： 方法1 用棒料车削加工：用比零件的长度尺寸略长2 - 3 m m ，直径比零件的最大直径略大 2 3 m m 的长棒料直接加工成。此方法的零件内部组织质量较差，且大批生产制造成本较高，故 一般只用于样件试制。 方法2 用锻造模具锻造加工：根据不同的锻造设备选择不同的锻造方法，径向或轴向锻造 而成，需要较大的锻造设备和模具，以及有熟练经验的锻造工人。 方法3 用楔横轧工艺轧制加工：需要有适合的楔横轧机和专用模具，以及一般操作工人。 经过分析，得出以下三种工艺方案： 方案一模锻： 设计这两种轴的锻件图( 如图2 1 和图2 - 2 所示) 。 依据目前我公司的锻造设备情况，选择轴向锻造方式。此方案中，需要分别制造两根轴的拔 9 第二章两根轴毛坯生) “ 艺方案的缀济技术分析及_ 方案选定 长穰具和锻造切边模其，然露分别锻造成黧。其生产王艺漉程均为 回一圜一圈一厘一 圆一圜一匦一匿 ( 钟)c 佴日)( * 2 ) 蘧2 - 10 3 7 簸入继锻耱麓鹫 卜 毒蕴 l 二- 置 一 7煞 、 擞 撕怯删稍 图2 - 20 3 7 输出轴锻件简图 方察二单 牛撰横转： 设计这两耱辍豹攒攘霉l 谗涸( 如图2 3 帮豳2 4 掰示) 。 固2 - 30 3 7 输入鞠攘攘辜i 传圈 1 0 第二章两根轴毛坯生产r 艺方案的经济技术分析及方案选定 两种件的生产工艺流程为 图2 - 40 3 7 输出轴楔横轧件图 回一圜一圈一团一 圜一圈一固一叵 此方案中，需要分别制造两根轴的楔横轧模具，用两个班次换模具，分别轧制成型。其中， 输入轴的形状较复杂，而且长度较长，不能实现对轧，只能采用单件轧制。单件轧制的生产率低， 而且要比对轧困难，并多耗费一个端部残余料头。只有输出轴可以实现对轧。 方案三两件成对轧制：设计这两种轴的楔横轧件图( 如图2 5 所示) 。 图2 - 50 3 7 输入轴与输出轴对轧楔横轧件图 第二章两根轴毛坯生产：艺方案的经济技术分析及疗案选定 两种件的生产工艺流程为 回一圜一圈一面一 圜一圆一回一叵 此方案中，只需制造一套楔横轧模具可以轧制两根轴，轧制过程中将两根轴剪切断开。下料 时，只需要下一件长棒料，可以节约下料工时和带锯条费用。每月生产时只需要一个班次换模具， 比方案二可以节约一个班次的换模时间。 2 2 工艺方案对比： 将这三个方案的一些具体情况列表如下，可以比较清楚地作出对比： 方案 比较项目 方案一方案二方案三 材料消耗 6 0 5 k g 两件 5 8 0k g 两件 5 5 0 k 对 生产效率4 0 0 x 2 件班1 0 0 0 件班1 0 0 0 对班 使用工人1 1 人班4 人班4 人班 模具费用4 0 0 0 元两副2 1 0 0 0 0 元两副1 0 5 0 0 0 元副 模具更换2 小时两副1 0 小时两副5 小时副 模具寿命2 0 0 0 对两副3 0 0 0 0 0 对两副1 5 0 0 0 0 对届 下料情况下两件下两件一单件 2 3 工艺方案选定 2 3 1 工艺方案的经济技术分析 生产活动须消耗劳动( 活劳动或物化劳动) ，并创造使用价值。对这种消耗与成果的比较和 评价叫做经济效果问题。 生产活动须讲究经济效果。即计算所得与所费，投入与产出，收入与支出，有用效果与劳动 消耗，经济收益与消耗费用。目的在于以最小的消耗得到最大的收益。 经济效果e 用使用价值( 效益) w 与劳动消耗( 费用) l 之比来表示： e = w l 1 2 第一i 雪瑟穰辘毛籁生产l ：艺方案麓经济援拳分辑爱方案选定 使麓价馁是指生产所翻造的有舔秘静份馕。觚锻逶生产柬谤，一般是蠢锻俸酶价毽。 劳动消耗包括生产过程所消耗的活劳动或物化劳动。活劳动是指生产有关全部人员所消耗的 劳动澄。裙化劳动怒指设备、工具、材料、燃料、动力等物质消耗。劳动消耗用贷币表示刚为 消耗费用。 经济效果的好坏，般用成本最低准贝4 可以鉴别。生产成本低，意味着得到同样的使用价值， 繇瀵耗熬劳凌少。生产残奉楚臻货瑙形式j 莠表理的生产过糕活劳动秘耪化劳动消熬麴总和。黠 于各种锻件可以比较不同工艺方案下锻件生产的单件成本，也可以比较生产相同数置锻件的总 生产袋本嘲。 我们先计算各工艺方案的相对生产成本，即只比较每一方案中发生变化的费用。 相对成本宙下别成本项醋构成：原材料费、下辫费用、生产工人工资及辩勰费、承电费、模 具费等。 方案 方案方案二方案三 材料费 6 0 5 6 5 = 3 9 3 3 元倡寸5 8 6 5 = 3 7 7 元对5 5 6 5 = 3 5 7 5 元对 ( 材料单价6 5 元，公斤) 下料赞用 ( 9 0 0 嚣，班，蠲带锯条1 3 5 0 4 5 0 + 5 0 4 5 03 5 0 6 7 5 + 5 0 4 5 03 5 0 9 0 0 + 5 0 9 0 0 根价值3 5 0 元，人工费 = 0 8 9 元，对- - 0 6 3 元对- - 0 4 4 元对 5 0 元，斑) 人工费用 9 7 5 4 0 04 7 5 1 7 l o o o o4 7 5 l l 1 0 0 0 0 ( 人均工资7 5 元班)= 1 6 9 元x , t；o ，5 1 元对= o 3 3 元对 电费 1 2 5 0 6 5 6 5 o 5 21 1 5 o 6 5 6 5 o 5 21 1 5 o 6 5 x 6 5 0 5 2 ( 毫功率剽羯缝6 5 ， 4 0 01 7 1 0 0 0 0l l 1 0 0 0 0 电费o 5 2 元艘，工作6 5 = 0 6 9 元对卸4 3 元对= o 2 8 元对 枣8 封班) 模其费矮2 0 0 0 + 2 0 0 0 = 1 元对2 1 0 0 0 0 元两套1 0 5 0 0 0 元，套 擎释总成本4 3 。6 元，对3 9 。3 元黼+ 鼙 拳模吴赞3 6 8 元礴+ 罄锌模爨赞 第二章两根轴毛坯生产i ：艺方案的经济技术分析及方案选定 为了更清楚的表示出各方案的相对成本消耗，做出各方案的批量生产的总成本与生产批量的 关系曲线，制成成本比较图，如图2 - 6 所示： 其中：方案一相对总成本= 4 3 6 元对x 生产数量； 方案二相对总成本= 3 9 3 元对生产数量+ 2 1 0 0 0 0 元： 方案一相对总成本= 3 6 盘元对生产数量+ 1 0 5 0 0 0 元： 图2 6三种方案的成本分析比较图 1 一方案一2 一方案二3 一方案三 ( 万对) 2 3 2 工艺方案的选定 由上述经济性对比可以看出，方案三的生产效率最高，而且模具费用最少，模具更换时间最 短，每生产1 5 万对输入轴和输出轴将比方案二节约5 3 万元。 所以我们采用方案三：一模同时成对轧制两根轴。 1 4 一鱼：三羹逡鲞箍燕墨邀叠 第三章楔横轧模具设计 3 1 楔横轧模具设计的一般原尉 我公司现使用的楔横轧机为d 4 6 一1 0 0 7 5 型的辊式楔横轧机。这种轧机所用的典 型灼楔横轧摸典基本楔展开图妇图3 1 所 示。强中n 力戏形受，为震宽焦。 在设计禊横辜l 楱买时，一般应遵德以下 四个原奂f j 或条件 6 1 。 一对称原则 楔横轧模具上的左右两条斜楔，在工麓 上希望完全对称。这样，在轧制过程中模具 嚣边搏题予轧 牛惑边的三个力只、只、咒 是对称的，因而轧件不会由于轴向力p 不等 嚣牟动，也不会出于毒l 仕聪边转速不致而 拯潼。 翔桑辅类件本身在长凄方自上是对称戆， 自然麦暾满足了这对称轧制舔硝。 假是，多数轴类件在长度方向是不对称的 有四种解决办法： 醒3 一l 模横车l 横具基本楔展开图 那么只要在剁造土与工艺调整上加以注意，裁 为了使作用予乾件两边的力符合对称潦刘， 第一种，成对轧制。将不对称的两个轴类件相对在一起轧制。这种方法不仅将非对称件 完全转化为对称 牛的轧制，两且使轧机的生产效率提高了一倍，但对于某些长轴类件，往往 受到摸具尺寸约限制薅不能慕用。 第二萃孛，分段对称羲到。将饕对称辕分段用对稼楔轧利。如图3 2 所示，该方法是将各 个台阶分开轧莉，每次轧击一个台阶。这种傲法需要较长静辊瑟蹑矮长痰，对于藩单辜l 馋来 说比较适合；对于复杂轧件，有可能辊面函周长度不够。 第三种，长棒料预轧楔轧制。用预轧楔的方法将非对称轴类件变为对称轧制。这种方法 与第二种方法类似，是先将其中某台阶轧出一部分，在下一步轧制中与剐的台阶对称轧啦其 另一郏分，从丽达到每次轧制都对称。这种方法的缺点也是浪费辊面，只适合于简单轧件。 15 第三章楔横轧模具设计 轧制方法也可参考图3 2 ，此处不另附图。 第四种，对称力s l n 。可将左右两条斜楔的工 艺参数( 残形角g 与葳宽嫠露) 采瑁不等篷，馊其 作用于轧件上的力，尤其是轴向力尽可能相等的方 法。 二旋转条件 设计楔横轧模具时，轧件在模具孑l 溅的带动下 能正常她旋转怒楔横筑必须的先决条件。 从文献t 6 q b 我们可以得知： i ) 模具与筑 孛阕魏摩擦系数露越大，旋转条 件越好，而且怒平方关系的影响。所以增加摩擦系 数“楚保证旋转条件的最重要最有效的因素。为 诧，在摸模孝l 模其懿入嚣薤窝瓣禊瑟上海亥l 有乎雩亍 于轴线的刻痕，这样做可以使热轧时的摩擦系数肛 从o 2 0 3 提简到o 3 5 加6 ； 2 ) 摸其憝戏型受捞、震宽麓多、霉馋瓣事l 磊 直径与坯料直径之比越小，旋转条件越好。但这些 参数遥受到萁他重要条件的酿制，调熬的余地不大。 三径缀条件 f多瓮 ll 豳3 2 分段茕翻示意鹫图 在设计楔横轧模具时，应满足不因轴向力过大将轧件拉细这个条件。 从文献嘲中我们霹黻褥期； 当轧件的材料、轧制温度及轧后直径等确定后，轧件是否会被拉细，主要取决于成魁角口 豹大，l 、，搿夤麓大越容荔拉缨。 当断面减缩率比较大时，容易产生拉细现象，故成型角a 廒取小值。 西疏桧条件 楔横轧的轧 牛，由于会属纤维沿零件的外形连续分布，晶粒细化等，使轧后零件的质量 得到提高。 1 6 笠三至塑煎! l 夔县途进 实践与理论都证明：横轧时，圆形毛坯在连续转动中径向小变形量压缩时，毛坯除轴向 延伸外，径向也产生扩展，因而在毛坯的心部产生拉应力。当毛坯旋转时，若轴向阻力过大， 毛坯横向扩展积累，心部的拉应力增加，达到材料的强度极限时，心部产生就超过允许级别 的疏松甚至空腔，这是不允许的。 所以，在楔横轧模具设计时，为避免这种现象的发生，应做如下考虑： 1 ) 断面减缩率小时，容易产生疏松。因为妒小时，变形不易透入中心，多是表面变形，故 轴向变形小而横向变形大，形成较大的心部拉应力。 2 ) 成型角a 小时，容易产生疏松。因为瑾小时，斜楔给毛坯的轴向拉力小，轴向变形小， 容易造成较大的横向变形，形成较大的心部拉应力。 3 ) 展宽角过小时，相当与径向压下量过小，与同一位置拉压次数增加，容易产生横向变形 及心部的拉应力。当展宽角过大( 特别是在较小) 时，毛坯表面金属不容易捻出去，这 部分多余金属在孔型项面反复揉搓下，毛坯心部产生较大的拉力。以上两种情况都容易 产生疏松【6 】。 从各种文献 5 】【6 【1 1 1 以及我们以往楔横轧模具设计方面的工作经验，合理安全的断面减缩率 r 与成型角a 、展宽角b 的关系，如表3 1 所示： 表3 - 1端面减缩率与成型角、展宽角的一般对应关系表 断回减缩军l f ，( )成型角a展宽角b备注 8 0 7 0 1 8 2 4 。4 - + 7 。 7 0 6 0 2 2 2 8 o 5 - 9 。 6 0 5 0 2 6 3 2 。7 1 2 。 5 0 , - 4 02 8 3 2 。5 9 。 3 0 。 7w ：3 6 0 l 7 喔：6 00 6 。 萨面2 此轧制段总模角( p 7 = ( p 7 孵 ( p 7e = 2 8 3 。+ 6 0 0 6 。= 8 8 3 6 。( | ) 7 = ( p 7 + ( p 7 = 2 83 。+ 6 0 0 6 。= 8 8 3 6 。 一笙三至塑堂! l 丝垦堕业 v ，的矗右两端是直角台阶。而在模其展宽段，轧件将形成螺旋状斜台阶。要把这样的形 状轧制成直角台阶，需要川截齐曲面将模具展宽段按要求逐渐过渡到精整段。根据体积不变 原则，截齐曲面的设计原则是：在轧齐过程中的任意位置，内台阶还未轧齐的空心圆锥体的 ( 忽略螺旋体部分) 体积恒等 轴颁处需要延伸的体积。换句话说，在没有其他部位体积参 与下，使内台阶处的空心网锥体原地转化为轴颈处的圆柱体。 根据文献给出的截齐曲线计算公式，计算f _ ；该段模具的左右两个截齐曲线i 参数表。具体 公式为： x ：。t 。口f ；( i ：而+ ( i 二。而一 + x 。 y = c t g z ：。+ 再+ 可一而 热p = 熹a = 掣拶止卯( 一彳) s = ( q - r o 蛔+ 一疗妊印+ c t g a 每哪一右)kzj5 r i 黜鼬。= 壶b 叫引 x 轴投影长度：s t - - 垒二童 t g a 已知轧制截齐前原坯料半径r k ，轧制截齐后轧件半径r o ，成形角口和展宽角卢， 以x o 为参数，步长设为1 ，x o = 1 ，2 ，3 ，s 。 编一计算机程序，输出x ，y , z ，s l 及s o 。 对于截齐曲线1 其r o = 1 4 2 ，r k = 2 8 7 ，口= 2 5 。，芦= 7 5 。输入计算机，则其输出结果为： 截齐曲线i 坐标参数表 p l e a s ei n p u tr o ，r k ，a ，b 1 4 2 ，2 8 7 ，2 5 ，7 5 s o = 4 2 5 6 0 1 d s 0 2 5 62 4 4 3 8 x n x y z x x o 0 0 7 3 6 5 5 3 6 1 0 0 7 3 6 2 2 1 6 20 0 7 35 2 1 1 3 5 5 9 4 6 8 lo 5 5 1 6 2 0 1 0 5 4 32 5 7 0 0 1 42 0 0 0 0 1 4 6 6 6 3 l 151 3 2 6 2 7 3 6 5 5 3 6 7 2 6 2 2 1 6 7 1 5 2 1 1 3 3 ( 1 ( ) 4 ( 1 0 51 1 【) 6 ( 0 70 0 8 ( ) o q ( ) ( ) ) 0 0 1 1 ( ) o 1 ：0 0 】3o o 1 40 0 150 0 】60 0 170 0 180 0 19o o 2 00 0 2 1 ( ) o 2 2o o 2 30 0 2 40 0 二50 0 2 6 ( ) o 2 7 ( 】o 1 80 0 2 9 + 0 0 3 00 0 j 10 0 3 l10 7 jj 5 0 7 310 6 9 4 7 27 8 9 4 7 7 23 9 5 5 3 7 19 2 2 9 8 7 l3 6 9 6 5 7 07 3 3 4 0 7 00 1 2 0 5 6 92 0 3 4 6 6 83 0 5 4 7 6 73 1 5 9