三輥螺旋孔型軋機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)與試驗(yàn)研究

曾時(shí)金，朱 旭

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 順德528311)

三輥螺旋孔型軋機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)與試驗(yàn)研究

曾時(shí)金，朱 旭

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 順德528311)

介紹了新型三輥螺旋孔型軋機(jī)的結(jié)構(gòu)，該軋機(jī)由軋輥裝置、機(jī)架、軋輥壓下裝置、相位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、軸向調(diào)節(jié)裝置及送進(jìn)角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，三輥螺旋孔型軋機(jī)具有單機(jī)生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于軸承套圈坯料等環(huán)形件的批量生產(chǎn)。

螺旋軋制;孔型斜軋;軸承套圈坯料

1 前言

螺旋孔型軋制屬于斜軋技術(shù)，其基本原理是將斜軋機(jī)的軋輥加工出螺旋狀的溝槽或突起，其斷面可以是半圓形、梯形或其他形狀，從而使變形區(qū)形成螺旋狀的孔型。在軋制過(guò)程中，軋輥使軋件螺旋前進(jìn)，金屬逐漸充滿孔型，進(jìn)而得到所需形狀的零件。

20世紀(jì)50年代，前蘇聯(lián)、日本、美國(guó)等國(guó)家采用螺旋孔型軋制技術(shù)高效率地生產(chǎn)鋼球、絲桿等產(chǎn)品(包括冷、熱軋和空、實(shí)心零件)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始利用該技術(shù)生產(chǎn)球磨機(jī)鋼球。20世紀(jì)70年代開始開發(fā)了單孔型工藝、深淺孔型工藝、多頭孔型軋制工藝以及相應(yīng)的設(shè)備和軋輥，使該項(xiàng)技術(shù)得到較快的發(fā)展。

螺旋孔型斜軋與常規(guī)成形工藝——鍛造相比，有以下優(yōu)勢(shì):單機(jī)生產(chǎn)率高，可提高5～20倍;材料利用率高;勞動(dòng)條件改善;模具壽命長(zhǎng);設(shè)備投資少;生產(chǎn)成本低［1］。

該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)主要用于鋼球生產(chǎn)，有資料顯示，該項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于銅球、鋁球、球頭吊環(huán)、防滑釘?shù)然剞D(zhuǎn)體零件的生產(chǎn)［2］。

上述設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品屬于實(shí)心體類零件，所采用的設(shè)備一般為二輥式斜軋機(jī)，而對(duì)于環(huán)形件，管類件的生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)外很少應(yīng)用孔型斜軋技術(shù)。目前，已有一些研究資料顯示，適當(dāng)規(guī)格的環(huán)形件和管類件也可以采用孔型斜軋技術(shù)。比如，軸承的內(nèi)外套圈就非常適合采用該技術(shù)進(jìn)行大批量的生產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，軸承內(nèi)外套圈采用該技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，但是，二輥式斜軋機(jī)不適合類似于軸承內(nèi)外套圈的環(huán)形件的生產(chǎn)，因?yàn)閭?cè)導(dǎo)板的摩擦力會(huì)使環(huán)形件嚴(yán)重變形。所以，要使用孔型斜軋技術(shù)來(lái)生產(chǎn)環(huán)形件，就必須開發(fā)三輥斜軋?jiān)O(shè)備，去掉側(cè)導(dǎo)板。

無(wú)論是二輥式或三輥式斜軋機(jī)，都是利用輥型的變化來(lái)生產(chǎn)不同形式的產(chǎn)品。二輥式斜軋機(jī)類似于穿孔機(jī)，與穿孔機(jī)最大的區(qū)別就是軋輥的輥型不同。目前，國(guó)內(nèi)的螺旋孔型斜軋?jiān)O(shè)備主要以二輥為主，三輥孔型斜軋?jiān)O(shè)備與工藝在國(guó)內(nèi)很少見(jiàn)。主要有以下幾點(diǎn)原因:一是軋制空間限制了小規(guī)格的環(huán)形件的生產(chǎn);二是模具設(shè)計(jì)與制造復(fù)雜;三是工藝調(diào)整難度大。

然而，三輥螺旋孔型斜軋機(jī)具有二輥孔型斜軋機(jī)無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。其主要原因是三輥螺旋孔型斜軋機(jī)不需要側(cè)導(dǎo)板，減少了因側(cè)導(dǎo)板與軋件的摩擦而產(chǎn)生的能量損耗。同時(shí)，三輥孔型軋機(jī)增加了軋件的軋制道次，可使變形量和產(chǎn)品質(zhì)量都得到大幅提高。

2 三輥螺旋孔型軋機(jī)總體結(jié)構(gòu)

本文所介紹的三輥螺旋孔型軋機(jī)是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、整機(jī)加工范圍廣且調(diào)節(jié)較方便的三輥式斜軋機(jī)。

根據(jù)螺旋孔型軋制工藝的要求，在軋制過(guò)程中，需要:

(1)對(duì)軋制的送進(jìn)角進(jìn)行調(diào)整;

(2)對(duì)軋輥的螺旋孔型進(jìn)行對(duì)齊;

(3)對(duì)軋輥的壓下軋制空間進(jìn)行調(diào)整;

(4)對(duì)軋輥的螺旋孔型相位進(jìn)行調(diào)整。

基于上述需求，我們開發(fā)設(shè)計(jì)了一臺(tái)三輥螺旋孔型軋機(jī)，如圖1所示。

圖1 三輥螺旋孔型軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of three-roll screw rollingmill

該三輥螺旋孔型軋機(jī)為實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體類坯料軋制的連續(xù)高效生產(chǎn)而設(shè)計(jì)，相比單件軋制或鍛造可以大幅提高材料的利用率，縮短工藝流程。可實(shí)現(xiàn)從管狀坯料到環(huán)形零件的一次加工成型，大量節(jié)省了管坯原材料的損耗，材料利用率提高到90%以上，同時(shí)，也大幅提高了生產(chǎn)效率。三輥螺旋孔型軋機(jī)是專為大批量環(huán)形類零件的生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的，因此，該種軋機(jī)一般用于專用的生產(chǎn)線上。該三輥螺旋孔型軋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 螺旋孔型軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of screw rollingmill

該三輥螺旋孔型軋機(jī)，包括軋輥裝置，框式機(jī)架，壓下調(diào)節(jié)系統(tǒng)，軸向調(diào)節(jié)裝置，送進(jìn)角調(diào)節(jié)裝置，相位角調(diào)節(jié)裝置，主傳動(dòng)系統(tǒng)，芯棒、送料裝置和出料裝置。螺旋孔型軋機(jī)的三個(gè)軋輥在與軋制線垂直的平面上，在圓周方向上呈120°均布。由于軋輥軋制時(shí)孔型調(diào)整的需要，所以該設(shè)備設(shè)有對(duì)軋輥軸向位置，軋輥送進(jìn)角，軋輥高度位置，軋輥相位角等相關(guān)量的調(diào)整裝置。

該三輥螺旋孔型軋機(jī)的主機(jī)采用了模塊化設(shè)計(jì)，分為以下8個(gè)模塊:

(1)軋輥裝置。軋輥裝置的核心部件是軋輥，其直徑與長(zhǎng)度決定了軋輥裝置的尺寸與結(jié)構(gòu)。

(2)軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置。軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置的主要作用是軸向調(diào)節(jié)軋輥的位置，以便于對(duì)準(zhǔn)孔型。

(3)壓下調(diào)節(jié)裝置。壓下調(diào)節(jié)裝置采用的絲杠壓下調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

(4)送進(jìn)角調(diào)節(jié)及轉(zhuǎn)筒鎖緊裝置。送進(jìn)角調(diào)整范圍0°～10°，手動(dòng)調(diào)整;鎖緊轉(zhuǎn)筒，防止其在軋輥工作過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

(5)相位角調(diào)節(jié)裝置。主要作用是調(diào)節(jié)軋輥孔型相位，防止軋制過(guò)程中的“亂扣”現(xiàn)象。調(diào)節(jié)方式采用手動(dòng)調(diào)節(jié)。

(6)主體機(jī)架、機(jī)座。機(jī)架為組合結(jié)構(gòu)，由前后兩塊鑄造牌坊構(gòu)成，中間用拉桿和套筒固定。機(jī)座用地腳螺栓固定于地面。

(7)軋件導(dǎo)入、導(dǎo)出裝置。用于軋件的導(dǎo)入、導(dǎo)出，前后臺(tái)的中心高度定位。固定于機(jī)架上。

(8)冷卻、潤(rùn)滑系統(tǒng)。用于軋制過(guò)程中冷卻軋輥，潤(rùn)滑軋輥的系統(tǒng)。

3 三輥螺旋孔型軋機(jī)的主要結(jié)構(gòu)

3.1 壓下調(diào)節(jié)系統(tǒng)

如圖3所示。通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲桿軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，使得壓下螺母3與轉(zhuǎn)筒1一起上升與下降。從而達(dá)到調(diào)節(jié)軋輥壓下量，及高度位置的調(diào)整。其中調(diào)整螺母2用于調(diào)整壓下螺母與絲杠軸之間的間隙。壓蓋5通過(guò)螺栓安裝于機(jī)架上，承受軋制壓力。

圖3 壓下調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of screwdown adjusting system

3.2 軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置

如圖4所示。一般軋輥的軸向偏差一般都很小，只需要微調(diào)，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓4，推動(dòng)軋輥?zhàn)?在軋輥托盤1中滑動(dòng)，從而起到調(diào)整軋輥軸向位置的作用。同時(shí)，通過(guò)兩側(cè)的調(diào)節(jié)螺栓同時(shí)鎖緊，軋輥軸向調(diào)節(jié)裝置也有軋輥軸向定位的作用。

圖4 軋輥軸向位置調(diào)節(jié)示意圖Fig.4 Sketch of roller axial position adjustment

3.3 送進(jìn)角調(diào)節(jié)裝置

如圖5所示。通過(guò)手輪1帶動(dòng)絲桿軸2轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)或縮回頂桿3，從而改變轉(zhuǎn)筒4的角度，起到調(diào)節(jié)軋輥送進(jìn)角的作用。同時(shí)鎖緊兩個(gè)絲杠軸還可以起到鎖緊送進(jìn)角的作用。

圖5 軋輥送進(jìn)角調(diào)節(jié)示意圖Fig.5 Sketch of roller feed-angle adjustment

3.4 相位角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

如圖6所示。通過(guò)松開脹套2，任意改變軋輥軸1的初始角度，然后鎖緊脹套2，從而到達(dá)調(diào)節(jié)軋輥相位角的作用。

圖6 相位角調(diào)節(jié)示意圖Fig.6 Sketch of phase-angle adjustment

4 軋輥系空間關(guān)系

三輥軋機(jī)的軋輥布置如圖7所示。其中，軋輥直徑D與芯棒直徑d的關(guān)系如下［4］:

式中，Δ為兩軋輥之間的間隙距離，Δ的最佳取值范圍3 mm＜Δ＜10 mm。

此外，軋輥中心線與芯棒中心線的夾角應(yīng)在0°～10°之間。

軋制過(guò)程中，軋輥與芯棒的間隙為0～1 mm。

圖7 軋輥與軋件空間位置示意圖Fig.7 Sketch for spatial position of rollers and rolled piece

5 三輥螺旋孔型軋機(jī)樣機(jī)制造

在進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研和充分的理論分析與之后，廣東冠邦科技有限公司對(duì)三輥螺旋軋機(jī)進(jìn)行了試制，樣機(jī)如圖8所示。

圖8 三輥螺旋孔型軋機(jī)樣機(jī)實(shí)物圖Fig.8 Picture of prototype of three-roll screw rollingmill

由于條件所限，我們采用了力學(xué)性能與熱軋狀態(tài)下鋼管十分接近的純鋁管進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果比較理想，成功實(shí)現(xiàn)了從無(wú)縫管到環(huán)形件的軋制成型與切斷。圖9為第一次試驗(yàn)的軋件樣品。

圖9 鋁管軋制試件Fig.9 Rolled specimens of aluminium tube

6 結(jié)論

介紹了廣東冠邦科技有限公司最新研發(fā)的三輥螺旋孔型軋機(jī)的構(gòu)成和設(shè)計(jì)思想，同時(shí)介紹了該種類型軋機(jī)的軋輥系空間關(guān)系。通過(guò)制造樣機(jī)、并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了三輥螺旋孔型軋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和孔型設(shè)計(jì)的合理性，也發(fā)現(xiàn)了設(shè)備還存在需要改進(jìn)的細(xì)節(jié)。

本機(jī)可適應(yīng)多種環(huán)形零件的軋制，設(shè)備具有整體設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本低、設(shè)備投資少、工藝調(diào)整難度小、可降低生產(chǎn)成本、改善勞動(dòng)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

［1］秦建平，帥美榮．特種軋制技術(shù) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007．9．

［2］胡正寰，華林．零件軋制成形技術(shù) ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010．2．

［3］張慶生．螺旋孔型斜軋工藝 ［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985．

［4］雙遠(yuǎn)華，梁愛(ài)生．鋼管生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)答 ［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

Design and experimental development of three-roll screw groove rolling m ill

ZENG Shi-jin，ZHU Xu
(Guangdong Tube＆Rod Technology Co．，Ltd．，Shunde 528311，China)

The compositions and the design ideas of a new type three-roll screw rollingmill are described．The mill is composed of roller device，work stand，roller screwdown device，phase-angle adjustingmechanism，axial adjustingmechanism and feed angle adjusting mechanism，etc．The manufacturing and testing process of a prototype are elaborated．Compared with the traditional equipments，ithas high production efficiency andmaterial utilization rate．It is suitable formass production of ring parts like blanks of bearing rings．

helical rolling;skew rolling with spiral groove;blank of bearing ring

TG376.2

A

1001－196X(2012)05－0010－04

2012－07－25;

2012－08－21

曾時(shí)金(1983－)，男，碩士，廣東冠幫科技有限公司工程師。