1、第五章 机械零件轧制第一节机械零件轧制技术的特点、类型与产品748什么是机械零件轧制技术?机械零件轧制技术是指用轧制工艺方法，成形机械零件或金属制品的技术。与传统的冶金轧制工艺不同，机械零件轧制技术轧制出来的是形状不同的零件。例如汽车变速箱中的阶梯轴，人造卫星上的鼻锥等；而传统轧制工艺一般轧制的是等截面材。如型材、板材、管材等。传统的机械零件生产方法是将这些材料，例如圆材锻造成阶梯轴，或者板料冲压成鼻锥。所以机械零件轧制是冶金轧制技术的发展与深度加工。机械零件轧制与普通轧制由于都属于连续辊压成形，故都属于轧制范畴。但机械零件轧制与普通轧制无论在轧辊形状、机器的结构、成形方式上都有很大差别，故人
2、们又把机械零件轧制称为特殊轧制，其轧机称为特殊轧机。749机械零件轧制的优点有哪些?传统的机械零件大多用普通轧制方法轧制出的型材作原料，经机械加工成零件的。为了提高性能并节约材料，大多经锻造成形，然后再经切削、磨削等精加工方法成形最终形状的零件。机械零件轧制与锻造成形零件都属于塑性成形。但成形方式不同，锻造(模锻) 为断续整体成形，机械零件轧制为连续局部塑性成形。由于成形方式不同，两者相比，机械零件轧制具有以下一系列突出优点：(1)载荷大幅度下降。由于将整体成形改变为局部成形，模具与工件的接触面积大幅度减小，故工作载荷随之大幅度下降，一般只有模锻的十几分之一到几十分之一。结果是设备体积小很多，
3、模具寿命高很多。(2)生产效率显著提高。由于将往复断续成形改变为回转连续成形，生产效率显著提高，一般高出 310 倍。(3)生产环境显著改善。由于锻造为整体断续打击成形，并且要经多个工步模腔成形零件，工人多在噪声大于 100dB 条件中工作，环境恶劣。机械零件轧制是在局部连续滚压中成形零件，进出料都能自动完成，工人在噪声小于 60dB 条件中工作，与锻造相比生产环境显著改善。(4)节约材料显著。由于轧制的零件比锻造零件尺寸精度高，又没有模锻时的飞边等，材料利用率平均可以提高 20左右，节约材料显著。轧制机械零件与锻造零件比较，也存在缺点，如通用性差，需要专门的设备与模具，并且多数模具的设计、制
4、造与生产工艺调整比较复杂等。综上所述，机械零件轧制特别适合大批量零件的生产，如汽车、轴承等的零件，以及难以用锻造方法生产的特大型零件，如压力容器上的封头等。这些零件用轧制方法生产，具有既大幅度降低成本，又显著提高零件的质量与精度等优点。750机械零件轧制的类型有哪些?不同形状与结构的零件，在不同工艺、模具与轧机上轧制成形，其基本类型有以下几种：(1)辊锻。主要轧制长度上变截面的杆类零件，如汽车前梁；(2)齿轮轧制。主要轧制齿轮、链轮类零件；(3)螺纹轧制。主要轧制带各种牙形的螺纹类零件；(4)楔横轧。主要轧制阶梯轴类零件，如汽车变速箱中的轴；(5)螺旋孔型斜轧。主要轧制球柱一类零件，如轴承钢球
5、；(6)仿形斜轧。主要轧制长轴类零件，如火车轴；(7)麻花钻头轧制。主要轧制麻花钻头零件；(8)碾环。主要轧制环形类零件，如轴承座圈：(9)摆碾。主要轧制盘形类零件，如齿轮坯；(10)旋压。主要轧制筒形类零件，如容器封头；(11)旋转锻造。主要生产轴类零件，汽车直拉杆。751齿轮是怎么轧出来的?如图 5-1 所示，带齿形的两个轧辊 1 与圆形轧件 2 对辊中，实现局部连续成形，轧制成齿轮。这种横轧的变形主要在径向进行，轴向变形很小并受到限制。横轧齿轮的应用范围包括：直齿、斜齿及人字圆柱齿轮；直齿、斜齿及螺旋圆锥齿轮，还可以轧制链轮等。横轧齿轮又分为热轧与冷轧：热轧多用于精度不高的大模数齿轮，冷
6、轧多用于精度高的小模数齿轮，也有先采用热粗轧后冷精轧的。752螺纹零件是怎么轧出来的?螺纹轧制又称螺纹滚压，如图 5-2 所示。两个带螺纹的轧辊，以相同的方向旋转，带动圆形轧件旋转，其中一个轧辊径向进给，将轧件轧成螺纹。这种横轧的变形主要在径向进行。螺纹横轧广泛应用于冷轧直径为 320mm 的紧固件的螺纹，其精度可达 7 级，螺纹表面的粗糙度 Ra 可达 04m。753仿形斜轧的工作原理是什么?仿形斜轧零件成形的工作原理如图 5-3 所示。3 个带锥形的轧辊 1 带动圆形轧件 2 旋转，由于轧辊轴心线与轧件轴线交叉，故轧件除旋转外还向前运动。3 个轧辊借助于仿形板 3 改变轧辊距离轧件的径向位
7、置，实现变截面轴的轧制。仿形斜轧的变形主要是径向压缩、轴向延伸。它主要用于长径比大的轴类零件的生产，如纺织锭杆、医疗器械、火车轴等。754麻花钻头是怎么轧出来的?麻花钻头斜轧的运动原理如图 5-4 所示。4 个带扇形板的轧辊(1 ，2)，其轴心线与轧件3 的轴心线交叉，4 个轧辊同时旋转并带动轧件作旋转前进运动。轧辊 1 为钻沟扇形板，轧辊 2 为钻刃扇形板，通过 4 个扇形板将圆形轧件轧制成麻花钻头。其变形主要为径向压缩轴向延伸。这种方法主要用于热轧直径为 313mm 的钻头。755什么是旋转锻造?旋转锻造又称径向锻造，是长轴类轧件成形工艺。其工作原理如图 5-5 所示，工件径向对称布置两个
8、以上的锤头，它以高频率的径向往复运动打击工件，工件作旋转与轴向移动，在锤头的打击下工件实现径向压缩、长度延伸变形。旋转锻造广泛应用于汽车、拖拉机、机床、机车等各种机器的台阶轴生产，包括直角台阶与带锥度的轴类件；带台阶的空心轴及内壁异形材；各种气瓶、炮弹壳的收口等。旋转锻造由于是打击成形，不同于轧制连续成形，但它又不同于传统的锻造成形，它打击的次数非常多，而每次打击的面很类似轧制，所以人们还是把它归于轧制成形中。第二节辊锻756什么是辊锻?辊锻是将轧制工艺引入锻造领域形成的一种锻造新工艺，属于回转成形范畴。其原理为：两个轧辊轴线平行，其旋转方向相反，毛坯在安装于轧辊上的扇形模具带动下，做垂直于轧
9、辊轴线的直线运动，毛坯在模具的作用下截面积和高度减小，横向略有增加，长度延伸达到零件成形(图 5-6)。其变形特点为连续局部小变形。它与锻造相比其特点为：(1)所需工作负荷小。由于其变形特点为连续局部小变形，总的工作负荷减小。(2)生产效率高。多型槽辊锻的生产率与模锻相当，单型槽一次辊锻的生产率约为锤上模锻的 510 倍。(3)材料利用率高。辊锻的材料利用率一般在 80以上。(4)产品质量好。辊锻件的内在质量优良，力学性能好，疲劳寿命高。(5)劳动条件好。辊锻时无冲击，噪声小，易于实现机械化和自动化。757辊锻可以用来做什么?辊锻分为制坯辊锻与成形辊锻。制坯辊锻主要用于模锻制坯，即在辊锻机上按
10、锻件形状尺寸进行金属预分配(制坯 )，然后在曲柄压力机或摩擦压力机等设备上模锻成形。组成的生产线既可提高生产率，又可提高材料利用率，如汽车曲轴、前梁等锻件的生产。成形辊锻视锻件成形程度分为终成形辊锻、部分成形辊锻和初成形辊锻。截面形状简单的锻件，如垦锄、钢叉、汽车变截面弹簧等多用终成形辊锻或部分成形辊锻生产。截面形状比较复杂、厚度差比较大的锻件，如连杆、汽车前梁等多采用初成形辊锻(图 5-7)，辊锻后再在小吨位模锻设备上整形。758辊锻变形区在哪里?由于辊锻的变形特点为连续局部小变形，所以并不是整个辊锻工件同时在变形，而只是辊锻模直接压缩作用下的一部分区域在变形。所以直接承受辊锻模压缩作用而产
11、生变形的这一部分金属体积所占有的空间称为变形区(图 5-8)。759辊锻变形区的基本参数有哪些?辊锻变形区的基本参数有：变形区的入口高度 h0、变形区的出口高度 h1、变形区长度l、变形区接触弧长度和咬入角 。它们之间的基本关系是：变形区入口高度 h0=hl+D(1 一cos)绝对压下量h=D(1 一 cos)变形区长度24hlR咬人角 sinl当 角很小时有 hR760什么叫自然咬入?只依靠辊锻模的摩擦力实现曳人坯料的方式称为自然咬人。如图 5-9 所示，轧辊作用在坯料上的力为径向力 N 和摩擦力 T，它们在水平方向的分力分别为 Nx 和 Tx。摩擦力的水平分力起曳人作用，径向力的水平分力起
12、阻止曳人作用。所以只要摩擦力的水平分力大于径向力的水平分力就可实现自然咬人，即：TxNx或 tan式中：接触摩擦系数。一旦咬入成功，随着坯料不断曳人，变形区向轧辊中心连线方向扩展。由于径向力作用点大体在变形区中部，所以此时的咬人角也向轧辊中心连线方向靠近，即咬人角变小，这意味着刚开始接触时的咬人条件最苛刻。一旦曳入成功，在其他条件不变时稳定咬入条件随之有所降低。761辊锻送料方式有几种?辊锻送料方式有两种。一种是顺向送料，即顺着轧辊转向从轧机一侧轧入，从另一侧轧出。另一种是逆向送料，即逆着轧辊转向从轧机一侧轧入并从同一侧轧出，辊锻中多用这种方式送料。762如何实现强制咬入?自然咬人受最大咬人角
13、限制，每道次压下量不大。为了减少辊锻道次，增大压下量，在实践中多采用强制咬人措施。一种强制咬人措施是中间咬人，它是利用辊锻模的凸起部分直接压入坯料中间实现开始咬人。在咬人瞬间，这种方法不受摩擦条件限制，其咬人角可以很大。但为了防止咬入后继续辊锻时发生打滑，最大咬人角限制为自然咬人角的 1315 倍。一般自然咬入角不大于 25，而在中间咬人时最大咬人角可以增大到 3237 。可见采用中间咬人措施后咬人条件大为改善。另一种强制咬人措施是强迫咬人。当毛料和辊锻模的前壁均已有一定斜度时，水平阻力帆远大于水平拉力瓦，不可能实现自然咬人。此时也不易采用中间咬人，否则会破坏毛料前壁已有的轮廓形状，影响辊锻过
14、程的充满成形。在这种情况下必须采取强迫咬入方式，由送料机给毛坯一定的推力，使其前壁顶靠在模具凸出部位的前壁上并随模具的旋转向前移动，直至被咬入时为止。采用这样的送料方式，可以保证毛坯在准确的位置上被咬入。763什么是前后滑?坯料被辊锻时，在高度上受到压缩，横向有所增加，纵向有大的延伸。在纵向延伸时，变形区内的金属不是以与辊锻模相同的速度匀速流动，而是向着变形区的入口和出口两个方向流动。在变形区内一个与模具圆周速度水平分量相同的断面，称为中性面或临界面，其位置偏向出口一侧。在临界面靠出口一侧，金属流动速度大于锻模圆周速度的水平分量，这就是前滑。在临界面靠入口一侧，金属流动速度小于锻模圆周速度的水
15、平分量，这就是后滑。坯料的延伸是由坯料对锻辊的相对滑动形成的。与坯料延伸的同时必然伴随有前后滑。发生前滑后工件长度要比辊锻模具型槽周长长，因此前滑对辊锻后工件的纵向长度有影响。要想获得满意的长度尺寸，必须掌握好辊锻时的前滑量。764影响前滑的因素有哪些?在辊锻中，金属的前滑与多种工艺因素有关。主要的因素是：(1)变形程度对金属前滑的影响。变形程度越大，辊锻变形区瞬间压缩的金属就越多，金属的延伸量就会相应增加。延伸量越大，前后滑的金属越多。一般情况下前滑量随变形程度增加而增加。(2)摩擦系数的影响。实践表明，前滑随着摩擦系数的减少而减少。(3)工具及坯料对前滑的影响。在辊锻中，工具及坯料的截面形
16、状对前滑有很大的影响，这主要是因为力学条件发生了改变。一般情况下，有利于限制金属宽展变形的工具和坯料形状均有利于前滑。(4)坯料温度对前滑的影响。坯料加热温度对前滑有影响：温度在 700以下，前滑与温度成正比；温度在 7001200之间，前滑与温度成反比。这主要是温度引起坯料表面氧化层变化，从而引起摩擦系数发生变化。(5)坯料宽度对前滑的影响。当坯料宽度小于某一定值时，前滑随着坯料宽度的增加而增加。当坯料宽度超过某一定值时，其宽度的变化对前滑不再发生影响。(6)辊径对前滑的影响。随着辊径的增加，前滑也增加。765宽展有几种形式?宽展有三种形式。一种是金属在横向流动时没有或不受型槽侧壁限制的宽展
17、，称其为自由宽展。第二种是限制宽展，即金属在凹型槽中轧制时其横向流动受到型槽侧壁的阻碍，使宽展受到限制。还有一种是强迫宽展，它是用模具型槽中凸起部分强制压人坯料使其产生宽展。在生产实践中，强迫宽展和限制宽展是辊锻中的主要宽展形式。766哪些因素影响宽展?影响宽展主要有以下因素：(1)辊锻道次的影响。宽展量随着压下量的增加而增加，在总压下量一定时，减少辊锻道次就是增加压下量，所以减少辊锻道次会导致宽展量增加。(2)模具工作半径的影响。辊锻模具工作半径与宽展量成正比。(3)摩擦系数的影响。摩擦系数越大宽展量越大。(4)坯料宽度的影响。相对宽展量随着坯料宽度的增加而减少。绝对宽展量在坯料宽度达到某一
18、定值前与其成正比，超过此值后成反比。当坯料很宽时对宽展量无影响。767辊锻型槽选择的原则是什么?在选择辊锻型槽时要考虑以下原则：(1)满足锻模对坯料截面几何形状的要求。在选择辊锻模型槽时，从有利于模锻成形出发，往往对毛坯截面的几何形状有一定要求。如要求辊锻毛坯截面为椭圆，可选“椭圆一方”或“椭圆一圆”型槽系，而不宜选用其他型槽系。(2)原始毛坯的几何形状的选择。不同的原始毛坯截面形状对所选型槽系有直接关系。在变形允许条件下，通常多选用价格便宜的圆坯。(3)料在型槽中的稳定性要好。坯料截面轴长比越大，变形量就越大，稳定性也越差。可参见图 5-10 辊锻型槽系方案图。768成形辊锻制坯型槽设计的注
19、意要点是什么?制坯型槽用于分配金属体积，为成形辊锻或预成形辊锻提供毛坯。形状简单、辊锻道次少的锻件，以成形辊锻件图作为设计依据。形状复杂、辊锻道次多的锻件，一般在制坯后要进入预成形辊锻型槽，应以预成形毛坯图作为设计的依据。设计成形辊锻制坯型槽时应注意以下几点：(1)毛坯经制坯进入预成形或成形型槽时，应有较好的对中性和稳定性。(2)经制坯后的毛坯形状和尺寸应有利于在下道次成形时的金属填充性。(3)相邻区段形状和尺寸的差异性。(4)送料的稳定性。769成形辊锻型槽设计的特点是什么?除终成形型槽或初成形型槽分别按热锻件图或热辊锻件图设计外，设计成形辊锻型槽时还应首先考虑热收缩率取值和型槽尺寸确定的特
20、点。热收缩率应按辊锻道次数考虑成形辊锻时的实际温度在 1215范围内选取。除宽度尺寸外，要根据辊锻时的抬辊量和前滑值相应减少型槽的高度和长度。第三节楔横轧770楔横轧轴类零件的原理是什么?楔横轧的工作原理如图 5-11 所示，两个带楔形模具的轧辊，以相同的方向旋转并带动圆形轧件旋转，轧件在楔形孔型的作用下，轧制成各种形状的台阶轴。楔横轧的变形主要是径向压缩轴向延伸。771楔横轧轴类零件的工艺特点是什么?楔横轧是一种高效金属成形工艺。它是冶金轧制技术的发展，因为它将轧制等截面的型材，发展到轧制变截面的轴类零件；它又是机械锻压技术的发展，因为它将整体继续塑性成形发展到局部连续塑性成形，楔横轧是工件
21、在回转运动中成形的，所以又称它为回转成形，也有称它为特殊锻造的。由于成形的零件都是回转体轴类零件，故又统称它为轴类零件轧制。轧制零件与锻造零件在成形方式上不同，前者与后者比较，具有如下突出优点：(1)工作载荷小。由于是连续局部成形，工作载荷很小。工作载荷只有一般模锻的几分之一到几十分之一。(2)设备重量轻。由于工作载荷小，所以设备重量轻、体积小及投资省。(3)生产率高。一般高几倍到几十倍。(4)产品精度高。产品尺寸精度高、表面粗糙度小，具有显著的节材效果。(5)工作环境好。冲击与噪声都很小，工作环境显著改善。(6)易于实现机械化、自动化生产等。(7)生产成本低。由于生产效率高，节省材料及能源，
22、模具寿命高，以及设备折旧费低等，使产品成本平均下降 30左右。楔横轧技术也有缺点和局限性，一是，工艺及技术复杂不易掌握；二是，模具尺寸大，加工较困难；三是，只能生产轴类零件(但可为非轴类零件制坯) 。772哪些产品适合楔横轧工艺生产?由于楔横轧轴类零件的工艺特点，它适合于批量大的轴类零件。楔横轧工艺主要适用于汽车、拖拉机、摩托车、内燃机等轴类零件毛坯的生产。还可以用它为模锻件提供比其他锻造方法更精确的预制毛坯，例如发动机连杆、五金工具等。已经用于：(1)汽车零件。包括东风、解放、130、212、切诺基、夏利、大发、五十铃、黄河等汽车上的变速箱一轴、二轴、中间轴、后桥主动轴、转向拉杆与球销、双联
23、、四联齿轮、吊耳轴、半轴等；(2)拖拉机零件。包括手扶、小四轮及大拖拉机上的变速箱一、二、三、五轴、半轴等；(3)发动机与油泵零件。包括发动机 l 一 6 缸凸轮轴，油泵二、四、六缸凸轮轴及齿轮泵轴等；(4)其他零件。包括摩托车、自行车、五金工具、电机等机器零件的生产。773楔横轧阶梯轴是怎样轧出的?楔横轧阶梯轴的成形过程在模具设计上，分为五个区段：楔人段、楔人平整段、展宽段、精整段以及剪切段(图 5-12)。下面就每一段的作用与设计计算加以说明：(1)楔入段(A 一 B)。楔人段模具孔型的楔尖高度，按阿基米德螺线，由零(模具基圆)增至楔顶高 h 处。楔入段的作用是实现轧件的咬人与旋转，并将轧
24、件压成由浅人深的 V 形槽，其最深处为r=r 0r1。如图 5-12 中的 II 截面所示。楔顶高 h 与r 关系为：h=r+式中： 轧件外径至轧辊基圆的距离，其数值一般为 032rm。楔人段的长度 L1 用下式进行计算L1=hcotcot楔入段成形角 与展宽角 的选择，主要考虑轧件的旋转条件。为了简化模具的设计与加工，常常让楔入段的成形角 与展宽角 等于展宽段的数值。为了防止楔人段轧件不旋转，除在斜楔面上刻痕外还需要在楔人段开始处的前后基圆面上刻平行于轧辊轴线的刻痕。(2)楔入平整段(BC)。楔人平整段模具孔型形状保持不变，即此段的楔尖高 h 不变，展宽角 =0。楔入平整段的作用是将轧件在整
25、个圆周上全部轧成深度为r 的 V 形环槽，如图 5-12所示的一截面。其目的为改善展宽段开始时的塑性变形。楔人平整段的长度 L2 用下式进行计算：L2dK/2一般取 L2=06d K 即保证在二辊楔横轧机上轧件滚动半圈以上。实践已经证明，在模具设计中取消这一楔人平整段，对轧制过程的稳定与产品的质量均无多大影响。取消楔人平整段，不仅可以减少模具的长度，而且简化了机械加工。楔入平整段与展宽段交接处(图 5-12 的 C 处) ，由于楔人平整段的展宽角 =0，而展宽段的展宽角 为某一角度，若不将模具在此交接处分开是很不好加工的。(3)展宽段(CD)。展宽段模具孔型的楔顶高度不变，但楔顶面与楔底的宽度由窄变宽。展宽段是楔横轧模具完成变形的主要区段，轧件直径压缩，长度延伸这一主要变形是
