阶梯轴先进制造技术——楔横轧（上）

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

阶梯轴先进制造技术
——楔横轧（上）

文/张军改·河北东安精工股份有限公司

传统的阶梯轴成形工艺为车削和锻造，这些工艺存在着低效、高耗的缺点。随着国民经济的迅速发展，尤其是汽车业的高速发展，轴类件的需求与日俱增，传统制造业已不能满足汽车高质量、大批量的发展需求，迫切需要一种高效、节材的工艺取代传统工艺。楔横轧是一种高效清洁的轴类零件近净成形技术，是先进成形制造科学与技术的重要组成部分，弥补了传统工艺技术的缺陷，是当今国际上竞相研究、21世纪积极采用的技术，被列为国家重点推广的新技术之一，完全符合将我国建设成资源节约型和环境友好型社会的要求。是当前广泛推广的阶梯轴制坯先进技术。

楔横轧工作原理

楔横轧是将棒材加热后送入两个同向旋转的带有楔形突起的模具中间，在模具带动下做反向的回转运动，同时材料发生径向压缩变形和轴向延伸变形，从而形成阶梯轴类零件，如图1所示。

图1 楔横轧工艺

楔横轧工艺特点

图2、图3为生产单重16.18kg的中间轴使用车削、锻造、楔横轧三种工艺的加工过程及毛坯图，楔横轧与切削和锻造相比具有如下特点：

图2 三种工艺流程

图3 三种工艺下料和成品

⑴工艺简单、所需设备少、生产效率高。楔横轧轧辊每旋转一周仅需7～12s，可以同时成形两件甚至更多件产品。单件重量为16.18kg的中间轴，采用楔横轧工艺生产，只需一台轧机，一次能轧制两件，用时7～12s；用普通车削工艺，需多次装夹，多次换刀，一件大约需要15h；若用数控车床，需多台车床、多把刀具、多次装夹，每件大约需要60min；用普通锻造，需经拔长、预锻和成形才能锻造成带连皮的毛坯，不含加热时间大约需要1min左右；车削、锻造、楔横轧三种工艺参数见表1，由表1可以看出，楔横轧效率比车削和锻造分别高360～5400倍和6倍。

表1 三种工艺对比

⑵加工余量小、材料利用率高。

车削是用圆棒段直接车成需要的阶梯轴形状，如图2a所示，除最大台阶外，其余部位加工余量都很大，材料利用率很低，仅为41.5%，一多半材料作为废料扔掉；锻造因需解决出模、折叠、充不满等问题，必须设置内、外圆角和拔模斜度，加工余量大，毛坯外形与成品差异大（见图4），材料利用率为64.8%；楔横轧通过两辊滚动成形，不需要拔模斜度，内外圆角也很小，其毛坯外形与成品基本一致，加工余量很小（见图5），属近净成形工艺，材料利用率可达70.3%；加工一件前文所述的中间轴产品，三种工艺下料和材料利用率见表2，楔横轧比车削和锻造分别节材18.57kg和4.56kg。

⑶金属流线好。

楔横轧和锻造一样，都是塑性成形，遵循体积不变原理，加工时金属随变形而流动，金属流线连续，产品机械性能好；车削为去除材料工艺，加工时会将金属流线切断，降低产品的机械性能。

图4 锻件外形

图5 楔横轧外形

表2 生产一件中间轴产品各工艺用料比较

⑷噪声小。

楔横轧靠两辊转动成形，成形时部分工件接触模具，无冲击力，噪声小；锻造为瞬时、断续施力，冲击力大，噪声大。

⑸无污染。

楔横轧轧制时，需要用水对模具进行冷却，冷却水可实现循环利用，不存在污染；锻造需用石墨等物质对模具进行冷却和润滑，石墨遇到高温模具后，将形成石墨雾漂浮到空气中，不仅被人体吸收，而且污染空气和环境。

⑹模具修理方便、寿命长。

楔横轧轧制过程属于渐进、连续、静压、局部塑性变形，无冲击，所需变形力小，摩擦力小，模具磨损小，使用寿命长；锻压模具受冲击力大，磨损严重，寿命短，楔横轧模具比锻造模具寿命长10倍左右。楔横轧可通过轧辊旋转修理模具的不同位置，操作方便；锻造模具修理时，因上下模间距小，工人需要在狭小空间中仰视操作，非常不便。

⑺操作简单，易于实现自动化和批量生产。

楔横轧生产效率高，模具寿命长，易于实现自动化和批量生产。

以上列举的是楔横轧与其他成形工艺相比的优点，同时，楔横轧也存在一些缺点，如模具费用高，轧制时容易产生中心疏松和中空。

楔横轧工艺在我国的技术改进与发展应用

20世纪60年代初，前捷克斯洛伐克发明了楔横轧技术并将其应用于生产，随后发展到英、美等国家，但由于楔横轧技术的特殊性与复杂性，直到20世纪末才只有少数国家全面掌握该技术。

我国楔横轧技术起步不晚，重庆大学、东北大学、吉林大学、北京机电研究所、北京科技大学等单位在楔横轧研究方面均取得了不同的成果，但大多未能实现工业批量生产。北京钢铁学院（现北京科技大学）于1979年研制成功楔横轧五金工具并应用于工业生产，收到显著的经济与技术效果。因楔横轧技术存在着扩大原材料疏松等级等缺陷，而一直未能被广泛应用于质量要求高、批量要求大、形状复杂、安全性能要求严格的汽车行业。为此，北京科技大学等高等院校和河北东安等企业进行产学研研究，对楔横轧工艺技术进行了持续技术改进。

心部疏松和孔洞得到有效控制

心部疏松和孔洞是楔横轧产品容易出现的主要缺陷之一，它会削弱工件的材料强度，并最终导致零件失效。虽然人们在生产中已经有一些办法改变疏松等级，但仍不能有效控制，一直是制约楔横轧工艺发展的主要障碍，也正因为此，楔横轧工艺一直不能被快速应用到重点领域和重要零件生产中。为解决这一难题，北京科技大学对其进行了应力应变研究，找到了最大横向拉应力、横截面上最大剪应变、最大剪应力及负的静水压力是导致轧件心部破坏的主要因素。选择合适的工艺参数，可控制心部疏松和孔洞。这一理论在河北东安公司实际生产中得到了验证，并在生产实际中进一步摸索，找到了成形角与断面收缩率之间的关系，打破了模具成形角不得大于32°的传统观念，疏松和中空问题得到有效控制。图6为技术改进前后内部质量对比。

图6 不同成形角的产品内部质量对比

突破了一次楔横轧成形最大断面收缩率75%的瓶颈

大断面收缩率轴类零件是指成形前后横截面面积缩减率大于75%的轴类零件。过去行业内公认一次楔横轧成形轴类件断面收缩率不得大于75%，大于此值，轴件将会被拉细甚至拉断，见图7，只能通过二次楔横轧成形断面收缩率大于75%的轴类件，但二次楔横轧成形因其体积分配问题使模具加工困难，生产稳定性差，容易产生中空疏松和弯曲等缺陷，为此，北京科技大学通过对超大断面收缩率轧件进行一次楔横轧成形和二次楔横轧成形有限元数值模拟分析与实轧试验对比，成功完成了一次楔横轧成形断面收缩率达到81%轴件的批量轧制生产；河北东安公司也在此基础上，通过无数次生产实践，将一次楔横轧成形断面收缩率提高到87%。图8为技术改进前后断面收缩率对比图。

图7 参数选择不合理拉细、拉断

图8 改进前后断面收缩率对比

《阶梯轴先进制造技术—楔横轧（下）》见2016年第9期