采用軋輥滾軋外螺紋專利技術分析

馬 琳

（國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

螺紋件(絲杠、蝸桿、螺桿)是機械制造業(yè)中的關鍵傳動聯(lián)接零部件，其制造工藝水平和產品質量，直接影響各類機械的總成質量。滾壓螺紋是一種無屑加工方法，其實質是利用某些材料在冷態(tài)下的可塑性來進行加工，使工件在滾壓工具壓力的作用下產生塑性變形，滾制出相應的螺紋。它不切斷金屬的纖維使金屬塑性變形而形成螺紋，是一種優(yōu)質、高效、低成本的先進的少無切削加工方法，尤其對高生產率以及高機械性能要求的精密螺紋零件，這種加工方法顯示出極大的優(yōu)越性，因此螺紋冷滾壓加工得到廣泛應用。其中，軋輥滾壓加工為兩個以上的帶螺紋牙形的軋輥安裝在相互平行的軸上，工件在軋輥帶動下旋轉，表面受徑向擠壓形成螺紋，可以滾壓出各種各樣的螺紋、蝸桿、齒輪、螺桿、雙頭螺柱、定位螺釘?shù)纫约翱招募猛咀顝V，廣泛用于加工高強度、高精度及形狀復雜的螺紋[1]。

1 數(shù)據(jù)庫的選擇和檢索

為了研究采用軋輥滾軋外螺紋專利技術在國內外的發(fā)展情況，對該領域的中國專利申請數(shù)據(jù)和全球專利申請數(shù)據(jù)進行檢索并統(tǒng)計分析，中文數(shù)據(jù)庫選擇CPRSABS，外文數(shù)據(jù)庫選擇DWPI和SIPOABS來獲得進行統(tǒng)計分析的專利樣本，在具體檢索過程中，首先使用準確的二點組分類號B21H3/04（用成型輥加工）進行檢索；鑒于采用軋輥滾軋外螺紋的專利技術起步較早，僅檢索該二點組分類號會導致漏檢，因此，筆者對大組B21H3/00（制造螺旋形物體或具有部分螺旋形的物體）和一點組B21H3/02（外螺紋）均進行了檢索。

2 采用軋輥滾軋外螺紋專利技術國外申請狀況

采用軋輥滾軋外螺紋國外專利申請趨勢大致可以分為四個時期：

（1）萌芽期早在1869年，專利US93256A便公開了一種行星式的外螺紋滾軋機，在1937年之前，國外一直都有采用軋輥滾軋外螺紋的專利申請，但在技術發(fā)展的萌芽期，總體申請量較少。在此時期內，專利申請量在美國最為集中，一枝獨秀，其申請量占這一時期總量的54%，其次是德國占24%，可見，由于美國和德國的工業(yè)化發(fā)展較早，其相應的螺紋滾軋技術也較發(fā)達，對滾軋外螺紋的研究也處于領先地位。

（2）平穩(wěn)增長期在1938～1968年之間，關于采用軋輥滾軋外螺紋的專利申請增長較快，在20世紀50年代出現(xiàn)了一個小高峰，在這一平穩(wěn)增長期，德國的申請量迎頭趕上，與美國一道占據(jù)了總申請量的半壁江山，在此期間還出現(xiàn)了一些蘇聯(lián)的申請。

（3）快速增長期在1969～1990年之間，關于采用軋輥滾軋外螺紋的申請數(shù)量如雨后春筍一般快速增長，可謂是該技術發(fā)展的黃金時期。這主要是由于在該時期，一些發(fā)達國家的工業(yè)技術非常發(fā)達，同時其他后起的國家的技術力量也相當雄厚，很多國家對采用軋輥滾軋外螺紋的改進和研究也日趨增多。這段時期內，美國和德國的申請量急劇減少，但兩國還是在持續(xù)進行申請，保持穩(wěn)步發(fā)展的狀態(tài)，可見這兩個國家的采用軋輥滾軋外螺紋技術已經發(fā)展的相當成熟。相比之下，經濟處于迅速發(fā)展期的日本和蘇聯(lián)兩個國家成為了該領域的專利申請巨頭，其中，蘇聯(lián)的申請量占該時期申請總量的36.94%，日本的申請量占該時期申請總量的32.88%。

（4）成熟期采用軋輥滾軋外螺紋專利申請量從1991年以后有所減少，但申請量依然不少，相關技術的發(fā)展也到了成熟期，在此期間，人們對外螺紋軋輥的輥形進行了多方面的嘗試和進一步地優(yōu)化，同時也注重了對滾軋過程的控制和滾軋參數(shù)的優(yōu)化，注重提高滾軋精度和滾軋效率的研究，以及采用滾軋方法生產多種產品。在這一時期以日本專利的申請居多，占總申請量的39.31%，德國和美國仍然持續(xù)了對采用軋輥滾軋外螺紋的專利申請，蘇聯(lián)/俄羅斯的申請量已經急劇下降，另外，出現(xiàn)了一些韓國的專利申請。

3 中國專利申請狀況

國內的采用軋輥滾軋外螺紋的專利申請起步較晚，大致可以分為兩個時期，第一時期為1985～2009年，第二時期為2010年至今。在第一時期內，一方面中國專利關于采用軋輥滾軋外螺紋的數(shù)量較國外專利在量的方面要少很多；另一方面，中國專利申請數(shù)量隨年份增長不明顯。這主要是由于一方面，從中國當時的國情來看，改革開放之后，中國經濟剛開始增長，人們剛開始注重科技和研發(fā)；另一方面，中國的專利制度也才剛剛建立，很多人并沒有意識到知識產權的重要性，極少申請專利。在第二時期內，中國專利申請趨勢呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，勢如破竹，這段時間，隨著中國加入世貿組織，各行各業(yè)都發(fā)展迅猛，采用軋輥滾軋外螺紋也不例外。

4 采用軋輥滾軋外螺紋專利技術發(fā)展分析

4.1 單輥結構

采用單輥結構進行滾軋外螺紋的專利申請量較少，主要是由于其結構較為單一，所應用的范圍受到限制。1938年，美國的UNKE HERMAN A最早申請了相關專利US2182906A，使用了單輥對管材的外螺紋進行加工，將管材套在芯軸上，輥子圍繞芯軸轉動。1950年的專利申請DE913886C中提出在單輥滾軋外螺紋時，使用軸線交錯的螺旋齒進行滾壓。1981年的專利申請JPS58101040A也對單輥滾軋管材外螺紋進行了研究，與US2182906A不同的是，其將軋輥設置在齒輪內，通過與齒輪嚙合實現(xiàn)軋輥的旋轉，結構較為新穎，成形精度也有所提高，并且，其軋輥采用了軋輪的形式，沿工件軸向逐漸滾壓螺紋。隨后，在20世紀90年代，單輥滾軋引入了類似于旋壓的理念，軋輥可看做一個外圍有螺紋的旋壓輪，在1993年的專利申請US5417095A中，軋輥的角度可通過腰形槽進行調節(jié)，在1994年的專利申請JPH07256375A中，其通過單輥滾軋的方法直接對皮帶輪的軸向輪槽進行加工，與旋壓方法的原理非常接近。

4.2 二輥結構

1912年申請的專利GB191225234A中公開了一種二輥的螺紋滾軋裝置，其采用切向的進給方式。1914年申請的專利US1188461A公開的二輥螺紋滾軋機采用了軸向進給的方式。1920年申請的專利US1359572A公開的二輥螺紋滾軋機采用了徑向進給的方式，其一個輥軸固定，另一個輥軸可滑動地安裝，從而實現(xiàn)徑向進給。1938年申請的專利GB499277A中，首次提出了一種螺紋軋輥頭結構，其能夠在自動車床上進行螺紋加工，一般用于加工短螺紋。1972年的專利申請BE786267A1中提出了一種新的結構，其在普通二輥滾軋的基礎上，將四個軋輥均布在一個軋輥四周，形成四組二輥滾軋機構，這種組合式的結構大大提高了生產效率。1979年的專利申請JPS55112145A中，其利用送料盤對多個螺栓加工件進行連續(xù)旋轉送料，當送至二輥滾軋裝置處時進行螺紋滾軋，也大大提高了生產效率。1984年的專利申請US4571972A中通過將兩個軋輥分別分為不同的幾段，并對工件進行軸向進給的滾壓，從而成形復合螺紋。1988年的專利申請EP0296594A2中，其采用傳感器對軋輥的位置定位，從而提高滾軋精度。此后，出現(xiàn)了大批日本專利申請，借助先進的技術對二輥滾軋進行自動控制，大大提高了滾軋精度和滾軋效率，1997年的專利申請JPH10296370A中，其利用傳感器對工件在成形時的位移進行檢測，從而能夠有效避免工件的軸向彎曲；1999年的專利申請JP2001001096A通過電阻加熱裝置對工件進行加熱，從而提高工件強度和成形性能。進入21世紀，有一部分日本申請對二輥滾軋的輥形進行了較為詳細的研究，通過設計合理的輥形，使得滾軋成形過程更加順暢，精度更高，2001年的專利申請JP2003033841A中，將軋輥的輥形進行分段設計，螺紋沿母線方向分為三段，一段為切入部分，一段為正常成形的校準部分，一段為退刀部分，采用該輥形的軋輥生產效率高、精度高，光潔度好，并可加工任意長度的螺紋；2008年的專利申請JP2008119753A中，將軋輥的輥面分為幾段，每一段的螺紋均不同，通過兩個軋輥的相互配合可以在一個轉動周期內生產出具有不同螺紋形狀的多個工件，生產效率大大提高。

4.3 三輥結構

相對于二輥滾軋外螺紋而言，三輥滾軋的效率必然要更高一些，早在1904年，便已經出現(xiàn)了采用三個軋輥滾軋外螺紋的專利申請FR4010E，隨即在1928年和1937年先后出現(xiàn)了徑向進給方式的三輥滾軋和軸向進給方式的三輥滾軋；1931年的專利GB388099A中首次將多個軋輥組合在一起形成多個三輥組，這種結構使得螺栓在成形時受到更大的壓力，能夠有效避免螺栓的側向偏移，一種結構是在一個直徑較小的軋輥四周設置四個直徑較大的軋輥，這種結構能夠同時滾軋四個螺栓，將中間軋輥的直徑設置為較小是因為需要考慮到螺栓的均勻分布，另外一種結構是在中間軋輥四周布置六個軋輥，這種結構能夠同時滾軋六個螺栓，由于六個螺栓能夠均勻分布，因此這些軋輥的直徑都相等；在1943年有一個典型專利申請GB567700A，該專利的三個軋輥布置在一個空心環(huán)內，該空心環(huán)內部為偏心結構，由此，三個軋輥在偏心環(huán)內轉動時能夠實現(xiàn)軋輥徑向的移動，這種結構使得軋輥結構簡單小巧，能夠用于小型設備中，這也是最初產生的軋輥頭；隨后在1948年的專利CH271702A中介紹了一種設計較為成熟的軋輥頭，工件在三個軋輥之間沿軸向進給，同時三個軋輥還能在偏心結構中沿徑向少量位移，從而便于軋輥壓住工件和退出工件，該專利中軋輥安裝有滾珠軸承，軋輥的轉動更為順暢；1974年的專利SU484926A2中，在三輥軋輥頭的其中一個軋輥上設置了一個鎖止銷，從而對該軋輥進行定位，提高成形精度；1974年的專利DE2438937A1進一步對軋輥頭進行改進；2000年的專利JP2001276948A通過設置傳感器能夠實時感應輥軸的角度位置信號，從而任意確定輥子開始轉動的位置以及轉動停止位置，提高成形精度，將現(xiàn)代科技應用到三輥滾軋中來。

4.4 多輥結構

隨著工業(yè)生產復雜程度的提高，在二輥滾軋和三輥滾軋的基礎上相繼出現(xiàn)了不同輥數(shù)的多輥滾軋，最早在1926年的專利FR630246A中出現(xiàn)了四輥滾軋，四個軋輥均勻布置，工件從軋輥中間沿軸向進給，1952年的專利DE1002276B也采用了四輥滾軋，不同的是，其采用的是徑向進給的結構，四個軋輥兩兩配對，其中一對軋輥設置在滑塊上，能夠相對于另一對固定設置的軋輥移動，實現(xiàn)徑向進給；2015年的專利CN204685929A提出了一種新的軋輥頭，機頭主體中間部位為調整套安裝座，加工倉的四周加工有四個滾絲刀架，四個刀架安裝孔14內固定有四個滾絲刀架，滾絲刀架3包括一個U型安裝座31，U型安裝座31的頂部為弧形設計，U型安裝座31內固定有滾絲牙輪33，滾絲牙輪33通過在其中心處插入一根淬火圓軸34將其安裝在U型安裝座上，四個滾絲牙輪33直徑依次減小1/4，原理同螺旋狀彈簧，在加工倉內形成了一個螺旋升角結構，滾壓螺紋時，滾絲牙輪33分四次依次滾壓，順勢爬升，這種結構特點為滾壓省力，對牙輪傷害小，延長牙輪壽命。1963年的專利DE1225136B設計了一種五輥滾軋結構，其使用手柄進行手動操作；1997年的專利JPH10244340A將軋輥輥數(shù)增加到了七個，提高了生產效率。不過，在軋輥個數(shù)增多使生產效率提高的同時，也不能忽略其結構的復雜程度的提高，這使得設備維修、設備使用成本等增加。

5 結語

從國外采用軋輥滾軋外螺紋的專利技術發(fā)展來看，該技術領域的技術已經趨于成熟，國內該技術領域的發(fā)展起步較晚，技術水平較低，對于國內的申請人來說，想要繞開國外公司的專利壁壘，開辟新的途徑較為困難。由于國外的相應技術發(fā)展已經非常成熟，因此，國內申請人一方面應當多借鑒國外的各種先進技術，另一方面應在國外技術的基礎上加強自主研發(fā)，設計出更合理的螺紋牙形、軋輥輥形，設計出適合復雜工件加工的軋輥裝置，同時提高裝置的自動化程度，由小批量小作坊生產向大批量生產轉化，提高生產效率和滾軋精度。