阶梯轴先进制造技术——楔横轧(下)

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(下)

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）》见2016年第7期

楔横轧工艺在我国的技术改进与发展应用

解决窄台阶内直角精确成形问题

在楔横轧工艺设计过程中，轧齐曲线设计是重点也是难点。轧齐曲线的精确程度决定着楔横轧零件的尺寸精度和质量等级，轧齐曲线设计不好，在成形内直角台阶时，将会出现螺旋状，如图9a所示。轧齐曲线的计算公式虽早已研究出来，因其复杂性和不准确性而未能充分发挥作用，一直靠实际生产时多次修理模具而得到精确成形。但是修理模具造成了调试时间长、难度大等问题，为了更好地解决这一问题，北京科技大学采用了大型专业有限元软件DEFORMTM-3D，对楔横轧轧齐过程进行了三维刚塑性有限元模拟，提出了楔横轧内台阶成形过程三阶段理论，找到了窄台阶内直角精确成形的轧齐曲线公式，图9为轧齐曲线改进前后的对比图。

图9 轧齐曲线改进前后对比

表面螺旋痕得到进一步改善

楔横轧轧制过程中经常会在轧件已轧表面产生带倾斜角的螺旋状凹痕缺陷，这种螺旋凹痕轻则会影响产品外观，重则会造成产品报废。北京科技大学通过有限元分析，找到螺旋痕产生的机理及解决办法，目前采用此办法轧制的产品表面粗糙度可达到国家标准中钢质模锻件的精密度，图10为螺旋痕采取措施前后对比图。

图10 螺旋痕采取措施前后对比图

部分产品的材料利用率得到进一步提高

影响楔横轧材料利用率的一个很重要的因素就是产品两端必须留有足够的料头，否则容易使工件两端组织疏松或产生孔洞（涡心），图11为料头较小时产生的端部孔洞（涡心）。为了提高材料利用率，就必须减小料头，但料头过小又会产生端部疏松或孔洞（涡心），为了解决这一矛盾，各大院校和各楔横轧企业经过理论研究和实际运用，实现了部分产品小料头轧制，使材料利用率提高了1%～4%。

图11 因下料长度不足造成的端部孔洞（涡心）

实现了轧制自动化

通过研发楔横轧机变频电机驱动及PLC自动控制系统，实现电机启动式运行，轧制速度可调，轴向送料精确定位，提高了生产效率和产品质量，节省了能源，减轻了工人的劳动强度，实现了楔横轧从加热→传送→进料→轧制→出料等全过程自动化生产与控制，使大型轴类件采用楔横轧工艺得以实现自动化生产，使我国汽车大型轴类件的生产技术摆脱了主要靠车削和锻造加工的低效、高耗能的落后状态。

形成了两个楔横轧行业标准

楔横轧技术应用至今，国内外还没有统一的标准，给楔横轧生产带来困难，为此，北京科技大学、河北东安公司及上海内燃机研究所等单位分别起草了《齿轮轴毛坯楔横轧技术条件》JB/T 11761-2013和《内燃机凸轮轴第2部分：楔横轧毛坯》JB/T 6728.2-2008等齿轮及凸轮楔横轧行业标准，并已颁布；同时起草的《钢质楔横轧件通用技术条件》国家标准已报批，标准号为GB/T 32258-2015，等待正式发布。这些标准的颁布填补了国内楔横轧标准的空白，为该类产品的合同订立和产品交易、特别是产品出口提供了技术支持和统一标准。

国家重点课题

国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”中，将“精密锻轧成套新技术”列为课题之一进行研究；国家科技支撑计划项目“先进近净成形与模具制造技术”中也将“大型轴类件楔横轧近净成形工艺与装备研究”列为子课题进行研究，取得一系列重要成果。通过这些课题的研究工作，楔横轧精确成形件的质量有了大幅度提高。

楔横轧技术推广

经过各大院校和企业共同研制，楔横轧技术得到持续改进，已广泛应用于各类阶梯轴类零件的生产中，成为各类阶梯轴类零件生产的先进工艺，目前我国已成功建成楔横轧生产线200多条，开发并应用于生产的零件品种达500多种，汽车轴类件楔横轧生产线80多条，年产汽车轴类件2100多万件，仅汽车轴类件，年节省优质钢材3万吨，价值1.3亿元，使我国成为世界上用楔横轧工艺生产产品最多的国家之一。随着楔横轧技术的提高，楔横轧专业生产厂迅速兴起，近几年在山东莱芜建成了数十家专业楔横轧生产厂，而且该技术现已普遍应用于轿车轴类件的生产及模锻轴类件的制坯上，大大提高了生产效率和材料利用率。

楔横轧工艺亟待解决的技术难题

随着楔横轧技术的不断完善，楔横轧工艺已被广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、五金工具等零件的制作上，但因其工艺限制，还存在以下亟待解决的问题。

材料利用率需要进一步提高

随着国内外精锻技术的迅速发展，材料利用率不断提高，给楔横轧工艺造成极大冲击，如何减少楔横轧两端的料头，提高材料利用率，已是摆在我们面前的重要难题，一些院校和企业虽在此方面做了很多研究，并把一些研究付诸实践，但是该技术还不够成熟，效果还不理想。

多楔同步轧制成形

多楔同步轧制成形可显著节省辊面长度，减少设备本体尺寸，降低成本，是近净成形技术生产超长大型轴类件的最佳工艺。但多楔同步轧制意味着各个台阶同时成形，任一瞬间都应保持体积分配合理，对于楔入段都是曲面的楔横轧模具来说，做到精确设计是非常不容易的，即便设计成功，在轧制磨损后，修理起来也十分困难，需要反复修理调试方能精确成形，如何找到简单快捷的修理方式，是摆在我们面前的又一难题。

空心轴轧制

随着汽车轻量化的要求，空心件在汽车行业的应用将会获得长足发展，虽然一些高校已经试验成功了空心件的轧制，但其原材料使用了价格昂贵的空心管，轧制时使用了穿棒技术，工艺复杂，占地空间大，如何使用棒料直接成形空心阶梯轴，是需要我们解决的又一课题。

结束语

楔横轧技术具有节能、节材、高效、清洁等显著特点，具有良好的经济和社会效益，符合国家关于建设资源节约型和环境友好型社会的要求，具有广阔的应用发展前景。随着我国经济快速发展和技术进步，未来楔横轧成形技术将向复杂、大型、高精度零件及复合成形零件发展；楔横轧模具制造技术将向组合式、高硬度方向发展；楔横轧材料对象将向有色及难成形材料方向延伸。