CN116000219A - 盲孔轴板式楔横轧成形工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，提供了一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺及装置，所述装置包括两个芯棒、两个板式楔横轧模具、芯棒驱动单元和模具驱动单元；两个所述板式楔横轧模具布置在实心圆棒料的径向两侧；两个所述芯棒具有轴向进给运动和随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料的轴向两侧。所述工艺包括：下料、设计或选择芯棒及轧辊、实心圆棒料加热到设定变形温度、实心圆棒料被所述装置轧制成两侧带孔的盲孔轴零件。本发明具有楔横轧的成形高效率、成形精度高的特点，尤其是板式楔横轧结构适合大断面收缩率轧制或者带切刀成对轧制，在新能源汽车盲孔轴、桶形件、军品弹壳及石油射孔弹等领域具有应用前景。

Description

盲孔轴板式楔横轧成形工艺及装置

技术领域

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，特别涉及一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺及装置。

背景技术

结构轻量化成为本领域发展方向，是节能减排的重要途径。轴类零件是设备常用基础零件，其承载扭矩的工作特点决定了芯部材料的作用效果较小，故在保证结构整体刚度的基础上空心化结构是轻量化的有效方式，可以在保证服役性能前提下显著降低部件重量。

相较于实心轴类零件，盲孔轴具有以下优势：(1)节材减重，减少材料消耗，减轻轴的重量；(2)空心轴转动惯量小，可提高快速转动的响应性能；(3)方便放置探头，便于日常无损检测。因此，越来越多的轴类件发展成为盲孔空心结构，盲孔在实际生产中得到了广泛运用，例如：新能源电机轴、军品导弹壳体、射孔弹弹壳、空心发动机气门盲孔轴、核电设备传动轴、风电传动主轴、叶片连接轮毂等。相关数据表明，若汽车整车运动部件减重10％，可节油14％左右，随着盲孔轴在交通运输行业的应用逐渐增加，盲孔轴成形制造技术具有广阔的应用前景。

目前，盲孔轴类零件的成形工艺主要是利用车削加工内孔，该工艺材料利用率低，尤其是对于长轴深孔加工成本较高，且不能得到均匀的金属流线，生产效率低、材料利用率低、毛坯余量大。

楔横轧工艺是一种回转类零件成形工艺，与传统的锻造工艺、挤压工艺和机械加工工艺生产轴类零件比较，具有生产效率与材料利用率高、产品成形质量稳定、组织性能良好等优点。其中，在现在的两辊式、三辊式和板式楔横轧工艺中，板式楔横轧因为模具加工简单、不需要导板装置，具有其独特的工艺特性，尤其适合与大断面收缩率或带切断的楔横轧工艺中。迄今为止，虽然楔横轧工艺在实心轴类件零件以及复杂形状零件预制坯领域取得了广泛应用，但是现有楔横轧工艺仅能成形实心轴类零件或者通孔轴类零件，暂无法成形盲孔类零件，限制了楔横轧工艺在轻量化领域的应用范围。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有的存在的问题，提出了本发明一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺及装置，对现在板式楔横轧技术进行升级与发展，充分利用板式楔横轧无需导板、且适合大断面收缩率轧制的优势，充分利用楔横轧的两侧端面凹心缺陷，在传统板式楔横轧技术上两侧添加芯棒，通过控制两个芯棒的形状和运动，对楔横轧的内孔形状与尺寸进行精确控制，从而楔横轧高效精密成形盲孔轴类零件。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺，包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算盲孔轴零件体积得到实心圆棒料的下料尺寸；

S2、根据盲孔轴零件的外表面尺寸选择或设计两个板式楔横轧模具，根据盲孔轴零件内孔几何尺寸选择或设计两个芯棒的外形尺寸；

S3、将所述实心圆棒料加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料置于两个板式楔横轧模具之间，两个所述芯棒分别置于所述实心圆棒料的两端并分别与两端面接触；所述芯棒的轴线与实心圆棒料的轴线重合；

S5、轧制：两个板式楔横轧模具作相向等速的直线运动，两个所述芯棒作轴向进给运动和随动旋转运动，实心圆棒料在所述板式楔横轧模具和所述芯棒的共同作用下被轧制成形，得到两侧带孔的盲孔轴零件。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中，两个所述板式楔横轧模具用于成形盲孔轴的外形尺寸，两个所述芯棒用于成形盲孔轴的内孔几何尺寸；实心圆棒料在两个所述板式楔横轧模具的作用下径向压缩而轴向延展，得到盲孔轴外形尺寸，同时，实心圆棒料在两个所述芯棒的进给运动作用下，形成盲孔轴的内孔几何尺寸。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述芯棒的端面为垂直端面、球头端面、锥形端面或弧形端面；所述芯棒的杆部为等径圆柱杆、变径台阶杆或变径锥形杆；两个所述芯棒相同或不同。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述板式楔横轧模具为单次楔入模具，或多次楔入模具。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述板式楔横轧模具为带切刀模具。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S4中，所述变形温度为600℃-1400℃，对应于热轧；或所述变形温度为室温，对应于冷轧。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S5中，两个所述芯棒的轴向进给运动具体为：两个所述芯棒同时沿轴向相向进给运动；或一个所述芯棒沿轴向进给运动，另一个所述芯棒保持固定不动；或两个所述芯棒均保持固定不动，实心圆棒料在径向压缩而轴向延展的过程中形成盲孔轴内孔。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述实心圆棒料的材质为钢材、铝合金、钛合金或镁合金。

另一方面，本发明还提供了一种盲孔轴板式楔横轧成形装置，包括两个芯棒、两个板式楔横轧模具、芯棒驱动单元和模具驱动单元；

两个所述板式楔横轧模具，布置在实心圆棒料的径向两侧，具有相向等速的直线运动，用于在轧制过程中对实心圆棒料进行轧制并形成盲孔轴零件的外形尺寸；

两个所述芯棒，具有轴向进给运动和随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料的轴向两侧，用于在轧制过程中形成盲孔轴零件的内孔几何尺寸；

所述芯棒驱动单元和所述模具驱动单元，分别用于控制所述芯棒的进给运动及所述板式楔横轧模具的相向直线运动。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，两个所述芯棒的几何形状相同或不同，两个所述板式楔横轧的几何形状相同。

本发明的有益效果为：

1、采用板式楔横轧模具提高轧制摩擦力、降低轧件椭圆度，扩大了轧制工艺窗口。

2、采用芯棒控制凹心缺陷处金属流动，从原理上无料头损耗，显著提高材料利用率，与传统车削成形盲孔轴工艺相比，节省材料达到90％以上。

3、相较于切削，可以保持金属流线不被切断且呈空间双螺旋结构，材料性能好，实验表明：相较于传统工艺，采用本发明工艺，零件的平均晶粒尺寸可以减少50％以上。

4、盲孔轴的空心杆部材料由轧辊与芯棒内外协同轧制，与传统车削成形盲孔轴工艺相比，材料性能显著得到改善，疲劳强度提高20％以上，抗压强度提高20％以上。

5、具有板式楔横轧的成形高效率、成形精度高、无需导板结构等优点，尤其适合大断面收缩率轧制或者带切刀成对轧制，在新能源汽车盲孔轴、桶形件、军品弹壳及石油射孔弹等领域具有应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为所示为实施例一种盲孔轴板式楔横轧成形装置的结构示意图。

图2所示为实施例一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺的原理示意图。

图3所示为实施例中板式楔横轧成形过程示意图：(a)轧制初始阶段；(b)轧制中间阶段；(c)轧制完成阶段。

图4所示为实施例中两个芯棒的几何尺寸示意图：a)两个芯棒几何尺寸相同；(b)两个芯棒几何尺寸不相同；

图5所示为实施例中两个芯棒的轴向运动状态示意图：(a)两个芯棒均运动；(b)两个芯棒均固定；(c)一个芯棒运动一个芯棒固定。

图6所示为实施例中两个芯棒的端面结构示意图。

图7所示为实施例中两个芯棒的杆部结构示意图。

图8所示为实施例中两个板式楔横轧模具的结构展开示意图。

图9所示为传统楔横轧空心轴内壁结构(缺陷)与本发明实施例所制备盲孔轴内壁结构对比示意图。

图10所示为本发明实施例所制备盲孔轴晶粒尺寸的细化过程示意图。

图中：1.第一模具；2.第二模具；3.第一芯棒；4.第二芯棒；5.实心圆棒料(轧件、盲孔轴)；1a.垂直端面芯棒；1b.球头端面芯棒；1c.锥形端面芯棒；1d.弧形端面芯棒；2a.圆柱杆等径芯棒；2b.台阶杆变径芯；2c.锥形杆变径芯棒；3a.多次楔入模具；3b.带切刀模具；X_X-X为轧件轴线、芯棒轴线；V₁为第一模具直线速度；V₂为第二模具直线速度；V₃为第一芯棒轴向进给速度；V₄为第二芯棒轴向进给速度。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

如图1、图2、图3所示，本发明实施例一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺，所述工艺包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算盲孔轴零件体积得到实心圆棒料5的下料尺寸；

S2、根据盲孔轴零件的外表面尺寸选择或设计两个板式楔横轧模具1、2，根据盲孔轴零件内孔几何尺寸选择或设计两个芯棒3、4的外形尺寸；

S3、将所述实心圆棒料5加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料5置于两个板式楔横轧模具1、2之间，两个所述芯棒3、4分别置于所述实心圆棒料5的两端并分别与两端面接触；所述芯棒3、4的轴线与实心圆棒料5的轴线重合；

S5、轧制：两个板式楔横轧模具1、2作相向等速的直线运动，两个所述芯棒3、4作轴向进给运动和随动旋转运动，实心圆棒料5在所述板式楔横轧模具1、2和所述芯棒3、4的共同作用下被轧制成形，得到两侧带孔的盲孔轴零件。

在一个具体实施例中，如图1-图3，两个芯棒为第一芯棒3、第二芯棒4，分别布置在轧件5(轧制前为实心圆棒料，轧制过程中为轧件，轧制完成为盲孔轴，下同)的轴向两侧，具有轴向进给运动V₃、V₄和随动旋转运动，轧制过程中所述两个芯棒3、4与轧件5端面内孔接触，用于控制轧件5端面内孔几何尺寸。

在一个具体实施例中，如图1-图3，两个板式楔横轧模具分别为第一模具1和第二模具2，均为平板状，对应地布置在轧件5的径向两侧，对应地具有相向等速的直线速度V₁、V₂，轧制过程中所述第一模具1、第二模具2使得变形区金属被径向压缩而轴向延伸，从而成形轧件5外表面的几何尺寸。

如图1-图3所示，将实心圆棒料放置在所述第一模具1、第二模具2、第一芯棒3、第二芯棒4共同构成的空间内，将实心圆棒料5楔横轧成形为盲孔轴5。

如图4所示，第一芯棒3轴线X-X、第二芯棒4轴线X-X均与轧件3轴线X-X互相重合，两个芯棒3、4的几何尺寸可以相同(图4中a)，也可以互相不同(图4中b)。

如图5所示，两个芯棒3、4的轴向进给速度V₃、V₄可以为两个均有运动(图5中a)、或两个均固定(图5中b)、或一个运动一个固定(图5中c)。

芯棒3、4可采用多种形式。在一个具体实施例中，如图6所示，芯棒3、4可以为垂直端面芯棒1a、球头端面芯棒1b、锥形端面芯棒1c、弧形端面芯棒1d。如图7所示，芯棒3、4可以为圆柱杆等径芯棒2a、台阶杆变径芯棒2b、锥形杆变径芯棒2c。

在一个具体实施例中，如图1、图2、图3所示，所述第一模具1、第二模具2对应地布置在轧件5的径向两侧。所述第一模具1、第二模具2的几何尺寸相同，用于提高轧制过程的稳定性。

如图8所示，所述第一模具1、第二模具2可以是多次楔入模具3a，用于提高轧制断面收缩率。所述第一模具1、第二模具2可以是带切刀模具3b，用于一次轧制成形两个零件。

如图1、图2所示，本发明实施例一种盲孔轴板式楔横轧成形装置，包括两个芯棒(第一芯棒3、第二芯棒4)、两个板式楔横轧模具(第一模具1、第二模具2)、芯棒驱动单元和模具驱动单元；

两个所述板式楔横轧模具1、2，布置在实心圆棒料5的径向两侧，具有相向等速的直线运动，用于在轧制过程中对实心圆棒料5进行轧制并形成盲孔轴零件的外形尺寸；；

两个所述芯棒3、4，具有轴向进给运动和随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料5的轴向两侧，用于在轧制过程中形成盲孔轴零件的内孔几何尺寸；

所述芯棒驱动单元和所述模具驱动单元，分别用于控制所述芯棒3、4的进给运动及所述板式楔横轧模具1、2的相向等速直线运动。

根据实际需要，两个所述芯棒3、4的几何形状相同或不同，两个所述板式楔横轧模具1、2的几何形状一般应相同，以提高轧制过程中的稳定性。

在一个具体实施例中，两个直径均为30mm的第一芯棒3、第二芯棒4布置在轧件5轴向端面两侧，对应地以轴向进给速度V3、V4和随动旋转，从而将直径100mm、厚度170mm的实心圆棒料5轧制成形得到外径为90mm、内径30mm、盲孔璧厚为25mm的盲孔轴5。

本发明的成形原理为：

如图1-3所示，根据盲孔轴6体积得到实心圆棒料6的体积。将加热到轧制温度的实心圆棒料5转移到由两个芯棒3、4，两个模具1、2组成的盲孔轴板式楔横轧成形装置内。轧制过程中，两个芯棒3、4均具有轴向速度V₃、V₄和随动旋转，两个模具1、2具有相向等速直线运动V₁、V₂。由两个芯棒3、4与轧件5端面内孔接触从而控制轧件5端面内孔几何尺寸，由两个模具1、2使变形区金属径向压缩而轴向延伸从而控制轧件5外表面几何尺寸，从而采用实心圆棒料5板式楔横轧成形盲孔轴零件。

本发明所产生的技术效果：

1、由于采用板式楔横轧模具和芯棒协同轧制，使得盲孔轴零件的金属经历剧烈塑性变形，剧烈塑性变形诱导晶粒细化，本工艺晶粒细化达到50％以上(在热轧工艺中，加工温度为900℃-1200℃)，如图10所示；力学性能提高明显，疲劳强度提高20％以上，抗压强度提高20％以上。

2、传统的楔横轧空心轴内孔表面易起皱褶，影响盲孔轴零件的使用性能；本发明工艺可显著改善这一点。如图9所示，图9中a为传统楔横轧空心轴的内孔壁，存在明显皱褶缺陷，图9中b为本发明工艺所得到的内孔壁，表面光滑平整。褶皱的改善同样对零件性能带来有利的影响。

3、本发明无料头损耗，显著提高材料利用率；与传统车削成形盲孔轴工艺相比，材料利用率达到90％以上。

本发明采用两侧芯棒控制端面凹心缺陷以成形两侧带孔盲孔轴，采用板式结构形式无需导板装置、可实现大断面收缩率轧制，具有材料利用率高、内外轧制材料性能好、成形效率高、成形精度高等优点，尤其适合大断面收缩率轧制或者带切刀成对轧制，在新能源汽车盲孔轴、桶形件、军品弹壳及石油射孔弹等领域具有应用前景。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，所述工艺包括：

S1、依据体积守恒原则，通过计算盲孔轴零件体积得到实心圆棒料的下料尺寸；

S2、根据盲孔轴零件的外表面尺寸选择或设计两个板式楔横轧模具，根据盲孔轴零件内孔几何尺寸选择或设计两个芯棒的外形尺寸；

S3、将所述实心圆棒料加热到设定的变形温度；

S4、将所述实心圆棒料置于两个板式楔横轧模具之间，两个所述芯棒分别置于所述实心圆棒料的两端并分别与两端面接触；所述芯棒的轴线与实心圆棒料的轴线重合；

S5、轧制：两个板式楔横轧模具作相向等速的直线运动，两个所述芯棒作轴向进给运动和随动旋转运动，实心圆棒料在所述板式楔横轧模具和所述芯棒的共同作用下被轧制成形，得到两侧带孔的盲孔轴零件。

2.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，步骤S5中，两个所述板式楔横轧模具用于成形盲孔轴的外形尺寸，两个所述芯棒用于成形盲孔轴的内孔几何尺寸；实心圆棒料在两个所述板式楔横轧模具的作用下径向压缩而轴向延展，得到盲孔轴外形尺寸，同时，实心圆棒料在两个所述芯棒的进给运动作用下，形成盲孔轴的内孔几何尺寸。

3.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，步骤S2中，所述芯棒的端面为垂直端面、球头端面、锥形端面或弧形端面；所述芯棒的杆部为等径圆柱杆、变径台阶杆或变径锥形杆；两个所述芯棒相同或不同。

4.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，步骤S2中，所述板式楔横轧模具为单次楔入模具，或多次楔入模具。

5.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，步骤S2中，所述板式楔横轧模具为带切刀模具。

6.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，步骤S4中，所述变形温度为600℃-1400℃，对应于热轧；或所述变形温度为室温，对应于冷轧。

7.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，步骤S5中，两个所述芯棒的轴向进给运动具体为：两个所述芯棒同时沿轴向相向进给运动；或一个所述芯棒沿轴向进给运动，另一个所述芯棒保持固定不动；或两个所述芯棒均保持固定不动，实心圆棒料在径向压缩而轴向延展的过程中形成盲孔轴内孔。

8.如权利要求1所述的盲孔轴板式楔横轧成形工艺，其特征在于，所述实心圆棒料的材质为钢材、铝合金、钛合金或镁合金。

9.一种盲孔轴板式楔横轧成形装置，其特征在于，所述成形装置包括两个芯棒、两个板式楔横轧模具、芯棒驱动单元和模具驱动单元；

两个所述板式楔横轧模具，布置在实心圆棒料的径向两侧，具有相向等速的直线运动，用于在轧制过程中对实心圆棒料进行轧制并形成盲孔轴零件的外形尺寸；

两个所述芯棒，具有轴向进给运动和随动旋转运动，分别布置在实心圆棒料的轴向两侧，用于在轧制过程中形成盲孔轴零件的内孔几何尺寸；

所述芯棒驱动单元和所述模具驱动单元，分别用于控制所述芯棒的进给运动及所述板式楔横轧模具的相向直线运动。

10.如权利要求9所述的盲孔轴板式楔横轧成形装置，其特征在于，两个所述芯棒的几何形状相同或不同，两个所述板式楔横轧的几何形状相同。

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