楔橫軋技術應用與研究

魏烈軍

（山東匯鋒傳動股份有限公司，山東 萊蕪 271103）

楔橫軋技術應用與研究

魏烈軍

（山東匯鋒傳動股份有限公司，山東 萊蕪 271103）

楔橫軋作為一種精密成形工藝，廣泛應用于各種臺階軸類件的生產。但由于其成形機理較為復雜，該工藝仍然存在一些常見缺陷，如表面缺陷、中心疏松等。本文對工藝缺陷進行了分析研究，并采取措施改進。楔橫軋工藝是軸類件毛坯生產的理想的工藝，值得推廣應用。

楔橫軋工藝；缺陷；改進；工藝優勢

楔橫軋工藝是一項少無切削精密軋制技術。它以連續、局部小變形量的成形方式，在臺階軸和回轉體軸類零件制造方面深具優勢，具有生產效率高、節約材料、勞動條件好等優點。其工作原理如圖1所示，將加熱后的棒材送入兩個同向旋轉的帶有楔性凸起的模具中間，棒材在模具的帶動下，作與模具反向的回轉運動，同時材料發生徑向壓縮和軸向延伸，從而軋制成形各種階梯軸類零件。

應用楔橫軋技術可完成各種軸類零件軋制。其中臺階形狀為直角臺階、斜臺階、圓弧臺階和窄凹檔臺階等。既可以是單臺階也可以是組合臺階，軋輥每旋轉一周生產兩件或多件產品。其技術工藝流程為：圓鋼→棒料→中頻感應加熱→軋制→熱精整校直→超聲波探傷→等溫正火→拋丸→冷校直→檢驗→毛坯入庫。其生產產品如圖2所示。

圖1 楔橫軋原理圖

圖2 楔橫軋產品圖

1 楔橫軋工藝優勢

楔橫軋工藝與常規鍛造工藝相比，在成形方式上有較大不同：常規鍛造工藝為斷續整體成形；楔橫軋為連續局部成形。因此，楔橫軋既能生產軸類零件，也能給模鍛工藝提供精度高的預制坯，為模鍛進行高精度材料分配，實現軋鍛結合，進行小飛邊和無飛邊的精密模鍛，節約大量原材料。楔橫軋工藝以其連續、局部的成形方式，在階梯軸和回轉體軸類件的制造方面顯示出特殊的優勢：①生產效率高。楔橫軋工藝軋制軸類零件的速度是每分鐘6～10件。②產品質量好。楔橫軋產品由于金屬纖維保持連續，內在組織晶粒細化、均勻，綜合機械性能可提高20%左右。③節省原材料。由于楔橫軋成形軸類零件是精密軋制，加工余量小，單邊加工余量1～1.5mm，并且非配合面可實現不加工，因此材料利用率較傳統鍛造工藝高10%～20%。另外，楔橫軋可為精密鍛造提供毛坯。且充分利用軋制產品余熱進行等溫正火熱處理，節約大量電能。④設備投資少，模具壽命長。楔橫軋是局部變形，工作載荷小，因此設備重量輕，體積小，投資省。由于加工沖擊小，模具服役時間長，一次使用壽命可達10萬件以上，容易實現自動化生產，適合大批量生產。⑤工作環境好，勞動條件得到改善。軋制過程是一個短時間的連續性小變形，無沖擊，低噪聲，符合現代制造業的環保要求。

2 楔橫軋工藝缺陷

由于楔橫軋工藝成形機理較為復雜，該工藝仍然存在一些常見問題，如表面缺陷、中心疏松等。表面缺陷主要包括軋件不旋轉（搓料）、螺旋壓痕、彎曲變形、表面縮頸等，使鍛件質量難以保證，合格率下降，造成原材料浪費。為了解決這些工藝缺陷，通過計算機模擬和部分試驗相結合的方法，得出模具設計工藝參數與軋件直徑尺寸變化對缺陷產生的影響規律，得出了實際的解決方法。下面對這些缺陷進行逐一分析。

2.1 外表缺陷

2.1.1 軋件不旋轉（搓料）

（1）成形角與展寬角設計不合適。若成形角設計過大，則軋件旋轉變差，造成搓料，如圖3所示。因此，應合理設計成形角。

圖3 搓料缺陷

（2）摩擦力不足。理論和實踐均表明摩擦力是影響軋件旋轉的重要條件，在實際生產中，為增加模具和軋件的摩擦力，通常在模具楔面每隔3mm打出深為0.8mm的刻痕，必要時可以加密，這樣可以增大摩擦，使軋件更好地旋轉。

（3）棒料溫度不合適。棒料溫度與搓料也有一定關系，楔橫軋工藝棒料溫度一般控制在1050±50℃，料溫過高或過低，都容易導致悶車。為此，料溫應嚴格控制，在實際生產中，通常采用測溫分選的方法來控制溫度，避免搓料現象。

2.2.2 軋件表面螺旋壓痕

如果楔形面與楔頂過渡圓角較小，料在流動過程中受阻，軋件發生附加軸向變形，毛坯表面會出現螺旋壓痕，影響毛坯質量，如圖4所示。

圖4 螺旋壓痕

在實際生產中，大部分是通過增大過渡圓角來解決螺旋壓痕。根據經驗發現，過渡圓角R的大小與斷面收縮率有關，設計和制造模具時，通過表1查詢選擇合適的過渡圓角，可預防螺旋壓痕的產生。

表1 過渡圓角與斷面收縮率的關系

2.2.3 軋件彎曲變形

實際生產中，導致產品彎曲變形的因素大致有以下幾點：

（1）相位不對。正常情況下，上下模具同步，各點的受力均勻，軋件就不會出現彎曲變形。如果相位不同步，各點的受力不均勻，軋件便會出現U形彎曲，如圖5所示。解決辦法是調整軋機的相位，將其控制在2mm以內即可。

圖5 軋件彎曲

（2）嚴重刮料。軋件緊靠一側導板刮料嚴重時，會導致軋件扭曲、變形。其原因一是導板間隙不合適，二是相位不對導致。導板間隙一般為棒料直徑的8～10%；相位控制在2mm以內。

（3）各接觸面受力不均勻。產品在軋制過程中難免會出現彎曲，特別是變形較大的產品，更容易出現彎曲，因而在模具設計時設計一個精整段，其主要作用就是起到精整和校直作用，在各點受力均勻的前提下，產品直線度是好的。但是模具由于受加工和維修等因素的影響，往往各點受力不均勻，這時精整段就起不到良好的作用，軋件便會存在彎曲變形。這時應將模具某些部位采取脫空等方法來平衡各點受力情況，消除軋件彎曲。

（4）模具的卸載段太短。模具卸載段太短時軋件在出模瞬間受力過大，導致軋件彎曲變形。此時可將卸載段加長，使出模順利。

2.2.4 表面縮頸

（1）模具楔入面過高，軋制時在軋件表面會留有楔尖壓痕，產生縮頸，如圖6所示。為此，降低各楔入面楔尖高度即可解決。

圖6 表面凹坑

（2）工藝參數的影響。①斷面收縮率。楔橫軋一次的斷面收縮率一般應小于75%，否則容易產生軋件不旋轉、螺旋縮頸甚至拉斷。當斷面收縮率＞75%時，模具需要二次起楔。②成形角α。成形角α對軋件的旋轉條件、縮松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著影響，成形角α越大，旋轉條件越差，容易形成縮頸。成形角α應在18°≤α≤34°范圍內選擇。③展寬角β。展寬角β與成形角α一樣，是楔橫軋模具設計中最重要、最基本的參數。展寬角β對軋件的旋轉條件、縮松條件、縮頸條件以及軋制壓力與力矩都有顯著影響，展寬角β越大，旋轉條件越差，容易形成縮頸。展寬角β應在4°≤β≤12°范圍內選擇。

通過以上分析可以看出，斷面收縮率越大，成形角α和展寬角β都應選擇越小值，否則產生縮頸的幾率就越大。三者關系如表2、表3所示。

表2 斷面收縮率與成形角的關系

表3 斷面收縮率與展寬角的關系

（3）楔頂尖角處圓弧R太小。當楔頂尖角處圓弧R太小時，金屬軸向排料流暢，容易形成縮頸。解決辦法是增大圓弧R，但不宜過大，否則產生疏松。

2.3 中心疏松

實際生產中，造成產品中心疏松的原因有材料加熱溫度不合適、模具工藝參數設定不合理、模具磨損、原材料自身疏松等。

2.3.1 棒材溫度誤差

棒材經中頻感應加熱爐加熱，溫度控制在1050± 50℃，溫度過高或偏低都能造成中心疏松。如圖7所示。

采取措施：棒材加熱，有時間繼電器控制推料頻次，測溫裝置紅外線探頭對準棒材顯示溫度，并將數據傳遞到溫度控制儀，超出溫控儀設置的溫度值將自動報警并分選。

圖7 中心疏松

2.3.2 工藝參數設定誤差

（1）斷面收縮率ψ。當斷面收縮率ψ＜35%時，若工藝參數選擇不合理，易產生疏松。因為ψ過小時，金屬只產生表面變形，軸向沒有或基本沒有變形，多余的金屬在模具中間反復揉搓，中心產生拉引力和反復剪應力使中心破壞導致疏松。對于小的斷面收縮率ψ，為避免心部疏松，應選擇較小的展寬角β和較大的成形角α。

（2）成形角α。成形角α較小時，也容易產生疏松，因為斜楔給毛坯的軸向拉力小，軸向變形小，易造成較大的橫向變形，形成較大的心部拉應力。成形角在以下范圍內選擇：18°≤α≤34°。

（3）展寬角β。展寬角β過小時，相當于徑向壓下量過小與同一位置拉壓次數增加，容易產生橫向變形及心部的較大拉應力，產生疏松；當展寬角過大時（特別是ψ較小時），毛坯表面金屬不容易搟出去，這部分多余金屬在孔型頂面反復揉搓下，毛坯心部產生較大的拉力，產生疏松。展寬角在以下范圍內選擇：4°≤β≤12°。

采取措施：斷面收縮率與成形角、展寬角的關系，同樣按表2、表3所列范圍選擇。

2.3.3 模具磨損

模具磨損嚴重時，各個型槽入料會增多，多余的金屬在模具中間反復揉搓，中心產生拉引力和反復剪應力使中心破壞導致疏松。

采取措施：焊補磨損嚴重的部位。

2.3.4 原材料疏松

原材料的疏松等級直接影響產品疏松等級，當原材料偏析、中心疏松≥3級時，在軋制時疏松等級會進一步擴大，直接造成產品疏松。

采取措施：采購原材料時，圓鋼偏析、中心疏松要控制在≤3級以內，并且進行低倍組織檢驗和超聲波探傷檢驗。

3 結束語

通過對以上軋件缺陷的成因進行分析和總結，可以針對性地實施模具設計、加工和維修，及時找到并消除缺陷，使產品質量得到控制及改善，降低產品廢品率。

[1] 胡正寰，張康生，王寶雨，等．楔橫軋零件成形技術與模擬仿真[M].北京：冶金工業出版社，2005．

[2]胡正寰，張康生，杜惠蘋.楔橫軋內直角臺階精確軋齊曲線的研究[J].機械工程，2008，（12）.

Defects analysis and improvement for the cross wedge rolling process

WEI Liejun
（Shandong Huifeng Transmission Co.,Ltd.,Laiwu 271103,Shandong China）

The defects of the cross wedge rolling process have been analyzed and studied carefully in the text.The improving measures have been adopted.It is believed that the cross wedge rolling process is ideal for the production of shaft blank,which is worthy of application and popularization.

Cross wedge rolling;Defects of cross wedge rolling process;Advantages of cross wedge rolling process

TG335.19

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.01.024

1672-0121（2017）01-0095-04

2016-08-26；

2016-11-15

魏烈軍（1972-），男，工程師，總經理，從事機械制造工作。E-mail：hfzc_jsb@163.com