階梯軸先進制造技術
——楔橫軋（上）

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

階梯軸先進制造技術
——楔橫軋（上）

文/張軍改·河北東安精工股份有限公司

傳統的階梯軸成形工藝為車削和鍛造，這些工藝存在著低效、高耗的缺點。隨著國民經濟的迅速發展，尤其是汽車業的高速發展，軸類件的需求與日俱增，傳統制造業已不能滿足汽車高質量、大批量的發展需求，迫切需要一種高效、節材的工藝取代傳統工藝。楔橫軋是一種高效清潔的軸類零件近凈成形技術，是先進成形制造科學與技術的重要組成部分，彌補了傳統工藝技術的缺陷，是當今國際上競相研究、21世紀積極采用的技術，被列為國家重點推廣的新技術之一，完全符合將我國建設成資源節約型和環境友好型社會的要求。是當前廣泛推廣的階梯軸制坯先進技術。

楔橫軋工作原理

楔橫軋是將棒材加熱后送入兩個同向旋轉的帶有楔形突起的模具中間，在模具帶動下做反向的回轉運動，同時材料發生徑向壓縮變形和軸向延伸變形，從而形成階梯軸類零件，如圖1所示。

圖1 楔橫軋工藝

楔橫軋工藝特點

圖2、圖3為生產單重16.18kg的中間軸使用車削、鍛造、楔橫軋三種工藝的加工過程及毛坯圖，楔橫軋與切削和鍛造相比具有如下特點：

圖2 三種工藝流程

圖3 三種工藝下料和成品

⑴工藝簡單、所需設備少、生產效率高。楔橫軋軋輥每旋轉一周僅需7～12s，可以同時成形兩件甚至更多件產品。單件重量為16.18kg的中間軸，采用楔橫軋工藝生產，只需一臺軋機，一次能軋制兩件，用時7～12s；用普通車削工藝，需多次裝夾，多次換刀，一件大約需要15h；若用數控車床，需多臺車床、多把刀具、多次裝夾，每件大約需要60min；用普通鍛造，需經拔長、預鍛和成形才能鍛造成帶連皮的毛坯，不含加熱時間大約需要1min左右；車削、鍛造、楔橫軋三種工藝參數見表1，由表1可以看出，楔橫軋效率比車削和鍛造分別高360～5400倍和6倍。

表1 三種工藝對比

⑵加工余量小、材料利用率高。

車削是用圓棒段直接車成需要的階梯軸形狀，如圖2a所示，除最大臺階外，其余部位加工余量都很大，材料利用率很低，僅為41.5%，一多半材料作為廢料扔掉；鍛造因需解決出模、折疊、充不滿等問題，必須設置內、外圓角和拔模斜度，加工余量大，毛坯外形與成品差異大（見圖4），材料利用率為64.8%；楔橫軋通過兩輥滾動成形，不需要拔模斜度，內外圓角也很小，其毛坯外形與成品基本一致，加工余量很小（見圖5），屬近凈成形工藝，材料利用率可達70.3%；加工一件前文所述的中間軸產品，三種工藝下料和材料利用率見表2，楔橫軋比車削和鍛造分別節材18.57kg和4.56kg。

⑶金屬流線好。

楔橫軋和鍛造一樣，都是塑性成形，遵循體積不變原理，加工時金屬隨變形而流動，金屬流線連續，產品機械性能好；車削為去除材料工藝，加工時會將金屬流線切斷，降低產品的機械性能。

圖4 鍛件外形

圖5 楔橫軋外形

表2 生產一件中間軸產品各工藝用料比較

⑷噪聲小。

楔橫軋靠兩輥轉動成形，成形時部分工件接觸模具，無沖擊力，噪聲小；鍛造為瞬時、斷續施力，沖擊力大，噪聲大。

⑸無污染。

楔橫軋軋制時，需要用水對模具進行冷卻，冷卻水可實現循環利用，不存在污染；鍛造需用石墨等物質對模具進行冷卻和潤滑，石墨遇到高溫模具后，將形成石墨霧漂浮到空氣中，不僅被人體吸收，而且污染空氣和環境。

⑹模具修理方便、壽命長。

楔橫軋軋制過程屬于漸進、連續、靜壓、局部塑性變形，無沖擊，所需變形力小，摩擦力小，模具磨損小，使用壽命長；鍛壓模具受沖擊力大，磨損嚴重，壽命短，楔橫軋模具比鍛造模具壽命長10倍左右。楔橫軋可通過軋輥旋轉修理模具的不同位置，操作方便；鍛造模具修理時，因上下模間距小，工人需要在狹小空間中仰視操作，非常不便。

⑺操作簡單，易于實現自動化和批量生產。

楔橫軋生產效率高，模具壽命長，易于實現自動化和批量生產。

以上列舉的是楔橫軋與其他成形工藝相比的優點，同時，楔橫軋也存在一些缺點，如模具費用高，軋制時容易產生中心疏松和中空。

楔橫軋工藝在我國的技術改進與發展應用

20世紀60年代初，前捷克斯洛伐克發明了楔橫軋技術并將其應用于生產，隨后發展到英、美等國家，但由于楔橫軋技術的特殊性與復雜性，直到20世紀末才只有少數國家全面掌握該技術。

我國楔橫軋技術起步不晚，重慶大學、東北大學、吉林大學、北京機電研究所、北京科技大學等單位在楔橫軋研究方面均取得了不同的成果，但大多未能實現工業批量生產。北京鋼鐵學院（現北京科技大學）于1979年研制成功楔橫軋五金工具并應用于工業生產，收到顯著的經濟與技術效果。因楔橫軋技術存在著擴大原材料疏松等級等缺陷，而一直未能被廣泛應用于質量要求高、批量要求大、形狀復雜、安全性能要求嚴格的汽車行業。為此，北京科技大學等高等院校和河北東安等企業進行產學研研究，對楔橫軋工藝技術進行了持續技術改進。

心部疏松和孔洞得到有效控制

心部疏松和孔洞是楔橫軋產品容易出現的主要缺陷之一，它會削弱工件的材料強度，并最終導致零件失效。雖然人們在生產中已經有一些辦法改變疏松等級，但仍不能有效控制，一直是制約楔橫軋工藝發展的主要障礙，也正因為此，楔橫軋工藝一直不能被快速應用到重點領域和重要零件生產中。為解決這一難題，北京科技大學對其進行了應力應變研究，找到了最大橫向拉應力、橫截面上最大剪應變、最大剪應力及負的靜水壓力是導致軋件心部破壞的主要因素。選擇合適的工藝參數，可控制心部疏松和孔洞。這一理論在河北東安公司實際生產中得到了驗證，并在生產實際中進一步摸索，找到了成形角與斷面收縮率之間的關系，打破了模具成形角不得大于32°的傳統觀念，疏松和中空問題得到有效控制。圖6為技術改進前后內部質量對比。

圖6 不同成形角的產品內部質量對比

突破了一次楔橫軋成形最大斷面收縮率75%的瓶頸

大斷面收縮率軸類零件是指成形前后橫截面面積縮減率大于75%的軸類零件。過去行業內公認一次楔橫軋成形軸類件斷面收縮率不得大于75%，大于此值，軸件將會被拉細甚至拉斷，見圖7，只能通過二次楔橫軋成形斷面收縮率大于75%的軸類件，但二次楔橫軋成形因其體積分配問題使模具加工困難，生產穩定性差，容易產生中空疏松和彎曲等缺陷，為此，北京科技大學通過對超大斷面收縮率軋件進行一次楔橫軋成形和二次楔橫軋成形有限元數值模擬分析與實軋試驗對比，成功完成了一次楔橫軋成形斷面收縮率達到81%軸件的批量軋制生產；河北東安公司也在此基礎上，通過無數次生產實踐，將一次楔橫軋成形斷面收縮率提高到87%。圖8為技術改進前后斷面收縮率對比圖。

圖7 參數選擇不合理拉細、拉斷

圖8 改進前后斷面收縮率對比

《階梯軸先進制造技術—楔橫軋（下）》見2016年第9期