錯(cuò)位環(huán)軋工藝

江紹成，錢(qián)東升

（1.中車(chē)集團(tuán)成都機(jī)車(chē)車(chē)輛公司，四川 成都 610051；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

錯(cuò)位環(huán)軋工藝

江紹成1，錢(qián)東升2

（1.中車(chē)集團(tuán)成都機(jī)車(chē)車(chē)輛公司，四川 成都 610051；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

錯(cuò)位環(huán)軋工藝是在環(huán)件外周的適當(dāng)位置安置兩個(gè)輾壓輪，同時(shí)在環(huán)件內(nèi)孔的兩輾壓輪與環(huán)件接觸處之間的近中部位置錯(cuò)位安置一個(gè)芯輥，外周的大輾壓輪由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，它帶動(dòng)環(huán)件、芯輥和小輾壓輪旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成環(huán)軋，外周的兩個(gè)輾壓輪和內(nèi)孔中的芯輥，在徑向發(fā)生相向連續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，保持內(nèi)外三個(gè)軋輥的錯(cuò)位狀態(tài)，在此狀態(tài)下，它們的徑向壓力難以穿透環(huán)件的壁厚，環(huán)件壁厚處于未鍛透的狀態(tài)，在軋制過(guò)程中，環(huán)件的斷面面積變化不大，在咬入條件滿足時(shí)，環(huán)件外周及內(nèi)孔表面的局部連續(xù)受壓，迫使環(huán)件外周表層金屬發(fā)生軸向流動(dòng)變形，去充填模具型腔，形成與模具型腔相對(duì)應(yīng)的較復(fù)雜的斷面形狀。

環(huán)軋工藝；錯(cuò)位環(huán)軋；三輥橫軋；復(fù)合環(huán)軋；斷面面積

錯(cuò)位環(huán)軋工藝是一種旋轉(zhuǎn)鍛造工藝，是普通輾環(huán)（擴(kuò)孔）[1]和多點(diǎn)徑向輾環(huán)（三輥橫軋）[2]工藝的發(fā)展，適用于輾擴(kuò)比不同且斷面形狀復(fù)雜的環(huán)件的成形。

普通輾環(huán)（擴(kuò)孔）是一種歷史悠久的旋轉(zhuǎn)鍛造工藝，廣泛應(yīng)用于軸承內(nèi)外環(huán)、輪圈、鐵路輪箍等環(huán)件的塑性成形[1]，它可在普通立式輾環(huán)機(jī)和普通臥式輾環(huán)機(jī)上完成。其由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的主輾壓輪與被動(dòng)帶轉(zhuǎn)的芯輥形成一對(duì)對(duì)位軋輥，對(duì)套在芯輥上的環(huán)件毛坯進(jìn)行周而復(fù)始的循環(huán)軋制，環(huán)件內(nèi)外徑擴(kuò)大、壁厚減薄而逐步成形，該機(jī)芯輥右側(cè)的推力輪靠住環(huán)件使軋制過(guò)程平穩(wěn)，芯輥?zhàn)髠?cè)的信號(hào)輪控制環(huán)件外徑尺寸。適用于外形較簡(jiǎn)單、擴(kuò)孔比比較大的環(huán)件生產(chǎn)。對(duì)外形復(fù)雜且輾擴(kuò)比又小的環(huán)件（尤其是外形有深凹槽的環(huán)件，如雙邊法蘭、雙聯(lián)齒輪和雙邊支重輪、各類(lèi)球閥的連接體等），普通輾環(huán)工藝無(wú)能為力，為此多點(diǎn)徑向輾環(huán)工藝（近年又被稱(chēng)為三輥橫軋或復(fù)合環(huán)軋工藝[3]）應(yīng)運(yùn)而生，它在環(huán)件內(nèi)徑擴(kuò)大到外周與三個(gè)輾壓輪均接觸到后，在環(huán)件徑向剛度足夠的前提下，繼續(xù)施壓，在限制環(huán)件內(nèi)徑擴(kuò)大的同時(shí)，對(duì)環(huán)件外周的金屬進(jìn)行旋轉(zhuǎn)反擠壓，使其充滿模具型腔，此時(shí)芯輥已不參與環(huán)軋過(guò)程，該工藝可使輾擴(kuò)比很小且外形復(fù)雜的環(huán)件成形。多點(diǎn)徑向輾環(huán)工藝?yán)枚喙δ茌毉h(huán)機(jī)可生產(chǎn)這類(lèi)特殊環(huán)件和普通環(huán)件，擴(kuò)大了普通輾環(huán)機(jī)的功能。其存在的問(wèn)題有：要求環(huán)件徑向剛度較大，不適用于孔大壁薄的環(huán)件；因芯輥未參與環(huán)軋過(guò)程，環(huán)件內(nèi)孔形狀不佳，須留較大加工余量。

1 錯(cuò)位環(huán)軋?jiān)?/h2>

錯(cuò)位環(huán)軋工藝提供了一種新的環(huán)軋工藝，它能克服多點(diǎn)徑向輾環(huán)（三輥橫軋）工藝的不足，擴(kuò)大應(yīng)用范圍并提高環(huán)件質(zhì)量。適用環(huán)件尺寸范圍大和不同輾壓比或外形復(fù)雜的環(huán)件。

一百多年來(lái)，普通環(huán)軋工藝與鋼材軋制工藝兩者工作原理本質(zhì)上是相同的。鋼材軋制如圖1所示，1、3為一對(duì)對(duì)位軋輥，2為軋制工件。鋼材在通過(guò)一對(duì)或若干對(duì)上下對(duì)位反向旋轉(zhuǎn)的軋輥的型槽時(shí)，局部受壓，在滿足咬入條件和鍛透條件時(shí)，發(fā)生斷面減小、軸線伸長(zhǎng)的塑性變形。普通環(huán)軋如圖2所示，它的一對(duì)對(duì)位軋輥，一個(gè)是主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的大軋輥4（稱(chēng)主輾壓輪）位于環(huán)件5的外周，另一個(gè)被動(dòng)旋轉(zhuǎn)的小軋輥6（稱(chēng)芯輥）位于環(huán)件5的內(nèi)孔中，環(huán)件5的壁厚局部上內(nèi)外受壓。在滿足咬入條件和鍛透條件時(shí)，環(huán)件5在被帶轉(zhuǎn)過(guò)程中，周而復(fù)始進(jìn)入該對(duì)逐步靠近的軋輥，環(huán)件壁厚逐步減小的同時(shí)，內(nèi)、外徑擴(kuò)大至要求形狀尺寸時(shí)完成環(huán)軋過(guò)程。

圖1 鋼材軋制工藝工作原理

圖2 普通環(huán)軋（擴(kuò)孔）工藝工作原理

多點(diǎn)徑向輾環(huán)工藝（三輥橫軋）的工作原理如圖3所示，它是在環(huán)件外周大致均布設(shè)置一大兩小三個(gè)輾壓輪，其中一個(gè)大輾壓輪4主動(dòng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)環(huán)件5及兩個(gè)小輾壓輪7和8轉(zhuǎn)動(dòng)，三輥橫軋時(shí)環(huán)件5的內(nèi)孔中可不設(shè)置芯輥，此時(shí)三個(gè)輾壓輪徑向相向進(jìn)給時(shí)，環(huán)件5的外周表面三處局部受壓，在環(huán)件5的徑向剛度足夠大（環(huán)件不會(huì)壓扁）的前提下，因環(huán)件5的壁厚兩側(cè)沒(méi)有對(duì)位之軋輥，環(huán)件不會(huì)發(fā)生鍛透狀態(tài)下的擴(kuò)孔變形，環(huán)件的平均直徑變化不大，只要環(huán)件外周咬入條件滿足，模具形狀使環(huán)件外周表層金屬連續(xù)發(fā)生充滿模具型腔的金屬流動(dòng)，使環(huán)件外周較復(fù)雜的斷面形狀成形。但三輥橫軋時(shí)內(nèi)孔表面處于拉應(yīng)力狀態(tài)（與無(wú)縫鋼管軋制類(lèi)同），又沒(méi)有芯輥參與環(huán)軋，其內(nèi)孔表面形狀和尺寸不易控制。在一部輾環(huán)機(jī)上可以方便地將三輥橫軋工藝和普通環(huán)軋（擴(kuò)孔）工藝結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成復(fù)合環(huán)軋工藝，它能使輾擴(kuò)比不同的較復(fù)雜斷面的環(huán)件成形。

圖3 多點(diǎn)徑向輾環(huán)（三輥橫軋）工藝原理

錯(cuò)位環(huán)軋工藝如圖4所示，它在環(huán)件5外周的適當(dāng)位置上（＞90°至＜160°方位），安置一大一小兩個(gè)輾壓輪，在環(huán)件5的內(nèi)孔中，在兩個(gè)輾壓輪與環(huán)件接觸處之間的近中部位置，錯(cuò)位安置一個(gè)芯輥6，外周的大輾壓輪4由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，它帶動(dòng)環(huán)件5、芯輥6和小輾壓輪7旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成環(huán)軋，外周的兩個(gè)輾壓輪4、7和內(nèi)孔中的芯輥6，在徑向發(fā)生相向連續(xù)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，保持內(nèi)外三個(gè)軋輥的錯(cuò)位狀態(tài)。它們的徑向壓力難以穿透環(huán)件5的壁厚，環(huán)件壁厚處于未鍛透狀態(tài)，導(dǎo)致環(huán)件5的斷面面積難以減小，環(huán)件的平均直徑變化不大，在咬入條件滿足時(shí)，環(huán)件外周及內(nèi)孔表面的局部連續(xù)受壓，可發(fā)生環(huán)件外周表層金屬流動(dòng)的變形，去充填模具型腔，形成與模具型腔相對(duì)應(yīng)的較復(fù)雜的斷面形狀。錯(cuò)位的芯輥6始終參與環(huán)軋過(guò)程，環(huán)件5的內(nèi)孔的形狀和尺寸可以得到較好控制。錯(cuò)位環(huán)軋和普通環(huán)軋（擴(kuò)孔）工藝相結(jié)合的辦法是錯(cuò)位環(huán)軋結(jié)束后，可將小輾壓輪7后退，大輾壓輪4（或芯輥6）繼續(xù)徑向進(jìn)給，它們構(gòu)成一對(duì)對(duì)位軋輥，成為普通擴(kuò)孔過(guò)程，如圖5所示，它們構(gòu)成可加工不同輾擴(kuò)比的復(fù)雜斷面環(huán)件的復(fù)合環(huán)軋工藝。

圖4 錯(cuò)位環(huán)軋工藝工作原理

圖5 復(fù)合環(huán)軋工藝過(guò)程

2 錯(cuò)位環(huán)軋的應(yīng)用

錯(cuò)位環(huán)軋的工作原理應(yīng)用到H等型材軋制中，可以設(shè)計(jì)制造軋輥對(duì)位和錯(cuò)位相結(jié)合的H等型材軋制生產(chǎn)線，如圖6所示，9為兩對(duì)對(duì)位軋輥，10為4個(gè)錯(cuò)位軋輥，2為軋制工件（H型材）。因在錯(cuò)位軋制時(shí)，H型材變形顯著而橫斷面積變化不大，軸線長(zhǎng)度伸長(zhǎng)較小，它將可能會(huì)提高型材軋制效率，縮短型材軋制生產(chǎn)線的長(zhǎng)度，減少設(shè)備數(shù)量和臺(tái)位，從而降低型材生產(chǎn)成本。

圖6 軋輥對(duì)位和錯(cuò)位相結(jié)合的型材生產(chǎn)線

基于錯(cuò)位環(huán)軋技術(shù)的先進(jìn)性，根據(jù)其工作原理可設(shè)計(jì)制造新型多功能立式和臥式徑軸雙向輾環(huán)機(jī)，提高環(huán)軋件的制造精度和生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

圖7是錯(cuò)位環(huán)軋與普通環(huán)軋相結(jié)合的徑軸雙向立式多功能輾環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。11是床身，12是主輾壓輪下壓油缸，13是滑塊導(dǎo)軌，14為安裝主輾壓輪之滑塊，15為主輾壓輪，16為環(huán)件，17為裝有芯輥的下支承部件，18為小輾壓輪，19為安裝小輾壓輪之杠桿，20為小輾壓輪的施壓油缸，其壓力和主輾壓輪施壓油缸相同，21是軸向輾壓部件，22是驅(qū)動(dòng)錐形輾壓輪之油馬達(dá)，23為輾壓環(huán)件端面的一對(duì)錐型輾壓輪，24為控制環(huán)件尺寸的信號(hào)輪部件，25為床身之底座。

圖8是錯(cuò)位環(huán)軋與普通環(huán)軋相結(jié)合的徑軸雙向臥式多功能輾環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。26是床身，27為在原地主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的主輾壓輪部件，28為安裝小輾壓輪之杠桿，29是小輾壓輪，30為小輾壓輪進(jìn)給施壓油缸，31為環(huán)件，32為芯輥部件，33為芯輥進(jìn)給施壓油缸，其壓力與小輾壓輪施壓油缸相同，34為輾壓端面的一對(duì)錐形輪，35為驅(qū)動(dòng)錐形輪的油馬達(dá)，36是軸向輾壓部件。

圖7 徑軸雙向立式多功能輾環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 徑軸雙向臥式多功能輾環(huán)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的錯(cuò)位軋環(huán)工藝是一種新的環(huán)件軋制技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可以生產(chǎn)較復(fù)雜斷面形狀的較精準(zhǔn)環(huán)件，減少加工余量，降低原材料耗損和機(jī)加工費(fèi)用，降低零件制造成本。

（2）錯(cuò)位環(huán)軋和普通環(huán)軋（擴(kuò)孔）工藝結(jié)合，可擴(kuò)大環(huán)軋工藝應(yīng)用范圍、提高環(huán)軋效率，降低工藝成本。

（3）與多功能輾環(huán)機(jī)（包括立式和臥式）相比，減少了一個(gè)左側(cè)輾壓輪部件，不僅簡(jiǎn)化了設(shè)備，降低了設(shè)備制造成本，而且為立式多功能輾環(huán)機(jī)設(shè)置軸向端面輾壓部件，提供了足夠的設(shè)計(jì)空間，為徑軸雙向立式多功能輾環(huán)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供了方便。

[1]華 林，黃興高，朱春東.環(huán)件軋制理論和技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2] 江紹成.旋轉(zhuǎn)反擠壓鍛造[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006，41（1）：44-45.

[3]錢(qián)東升，華 林，張志強(qiáng).一種環(huán)件復(fù)合軋制成形新技術(shù)[A].第十二屆全國(guó)塑性工程學(xué)術(shù)年會(huì)第四屆全球華人塑性加工技術(shù)研討會(huì)論文集[C].重慶，2011.

A stagger ring rolling technology

JIANG Shaocheng1,QIAN Dongsheng2
（1.CRRC Chengdu Co.,Ltd.,Chengdu 610051,Sichuan China; 2.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

The stagger ring rolling technology has been introduced.Two rolling rollers have been arranged at suitable positions near ring outer surface,while one mandrel has been put at a stagger position in inner hole near the middle of contacting place between the two wheels and the ring.The external bigger roller is driven by the motor. Then the ring,mandrel and the smaller roller have been rotated passively,of which consists the ring rolling.The two rollers at outer surface and the mandrel in inner hole make continuous feeding movement in radial direction under a stagger status.The radial pressures of them are difficult to penetrate the ring wall thickness,so the ring wall thickness is in not full forging state.During the rolling process,the cross section area of the ring changes not much.When the biting condition has been satisfied,the continuous local pressure has been acted on the ring outer and inner surfaces,which compels the metal in the ring outer area flow in the axial direction to fill the die cavity. As a result,a complex section profile corresponding to the die cavity has been formed.

Ring rolling process;Stagger ring rolling;Three-roll cross rolling;Combined ring rolling;Cross-section area

TG335.19

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.023

1672-0121（2017）01-0092-03

2016-08-24；

2016-10-15

江蘇省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（BE2016009）；JGXM（201607GC01）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT13087）

江紹成（1939-），男，高工，享受?chē)?guó)務(wù)院特貼專(zhuān)家，從事金屬成形非標(biāo)設(shè)備研究設(shè)計(jì)。E-mail：qiands@whut.edu.cn