一种倾斜式精密楔横轧成形装置

技术领域

本发明涉及金属塑性成形装备技术领域，特别涉及一种倾斜式精密楔横轧成形装置。

背景技术

楔横轧作为一种高效的金属塑性成形工艺，被公认为是当今先进制造技术的重要组成部分。楔横轧广泛应用于汽车、火车车轴、内燃机等轴类零件毛坯的生产，因其具有生产效率高、节约金属材料、生产成本低等诸多优点，现已被市场广泛采用。

传统楔横轧机出料方式大多采用气缸推动、电推缸推动等，经楔横轧成形后的轧件需在外力作用下才能掉出。若成形温度较高时，轧件成形后仍保持较高温度，导致推动装置工作环境恶劣，且需要一套独立的驱动装置为出料提供动力，成本高、工作环境恶劣、对设备要求较高，难以提高生产效率，因此急需一种可满足快速出料，生产效率高的楔横轧机。

发明内容

本发明的目的是至少克服现有楔横轧机出料效率慢、成本高的不足，提供了一种倾斜式精密楔横轧成形装置，可通过轧机底座的设置的倾斜角度，利用自身重力，在完成楔横轧成形后轧件脱离模具的瞬间，通过滑轨快速掉出轧机，可实现轧制精度高、出料迅速、且无需额外动力装置、节约成本、生产效率高等目标。

本发明采用如下技术方案：

一种倾斜式精密楔横轧成形装置，包括机架单元、轴系单元、辊距调整单元、导板进料单元、同步单元、驱动单元、底座和其中倾斜单元；

所述机架单元，包括左机架和右机架，用于安装所述轴系单元、辊距调整单元、同步单元，并承受轧制力；所述左机架和右机架均能绕机架转轴转动；

所述轴系单元，用于安装轧辊、楔横轧模具及所述驱动单元；

所述辊距调整单元，用于驱动轧辊沿坯料径向直线运动以调整辊距；

所述导板进料单元，用于将坯料送入轧辊，防止轧制过程中坯料摆动；

所述同步单元，用于所述左机架和右机架同步反向对中开合；

所述驱动单元，用于驱动所述轴系单元，带动轧辊绕轴线旋转运动，提供轧制转矩；

所述机架单元安装在所述底座上；

所述起重倾斜单元，用于起重所述底座进而提供所述装置所需倾斜角度。

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，所述左机架和右机架均为承载式机架，均加工有相应凹槽用于安装其他单元；所述左机架和右机架的上部均设置辊距调整单元转动副安装孔，中部均设置轴系单元安装槽，下部均设置转轴安装孔；所述左机架和右机架通过机架转轴安装在所述底座上。所述机架能绕所述机架转轴旋转运动。

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，所述同步单元包括两个凸圆块、两个凹圆槽；所述凸圆块与凹圆槽啮合转动时，（通过螺栓）带动左机架、右机架绕机架转轴等速反向同步开合运动。

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，所述凸圆块参与啮合部位为突出半圆，所述凹圆槽参与啮合部位为凹入半圆，凹入半圆的外侧连接平直段；凸圆块和凹圆槽啮合转动过程中始终配合紧密，缝隙极小，所述凸圆块与所述凹圆槽中心距始终保持不变，进而保证所述左机架转轴、右机架转轴转动过程中中心距不变。避免了传统齿轮啮合间隙大、轧制精度不高的问题；所述凹凸圆同步单元配合紧密，几乎无缝隙，可将轧制精度从0.5mm-1mm提升到0.05mm-0.2mm。

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，所述轴系单元包括左轴系和右轴系；所述左轴系和右轴系均包括主轴、入料端轴承座、出料端轴承座、调节垫圈、预紧弹簧；

所述主轴上安装楔横轧模具；所述调节垫圈同轴安装在楔横轧模具两侧；所述主轴由所述入料端轴承座、所述出料端轴承座共同支撑；所述入料端轴承座和所述出料端轴承座通过螺栓固定安装在机架中部的轴系安装槽内；所述左轴系、右轴系的出料端轴承座之间设置预紧弹簧，所述预紧弹簧轴线与坯料轴线垂直。可通过加工不同厚度的调节垫圈来保证所述左、右楔横轧模具轴向方向对中。

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，所述预紧弹簧提供的预紧压力F1满足0.1F

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，所述辊距调整单元包括拉杆、柱面垫圈、锁紧螺母、刻度盘、压力传感器；

所述柱面垫圈分别安装在所述左机架、右机架上部对应的辊距调整单元凹槽内；所述拉杆一端设置键槽，保证所述拉杆与机架无相对转动；所述锁紧螺母安装在位于右机架外侧的所述拉杆尾部，保证通过拧紧所述锁紧螺母可保证轧制过程中左机架和右机架无张开跳动；所述刻度盘安装在所述锁紧螺母上，保证通过旋转到对应刻度来实现精确调节轧辊间距；所述压力传感器安装在所述柱面垫圈与所述右机架之间，通过测量轧制过程中所受到的挤压力来实时反馈瞬时轧制力。

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，相对转动角度β满足0≤β≤12°。

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，所述导板进料单元包括进料架、导板、出料架；所述进料架、导板、出料架均通过螺栓固定安装在所述底座上；所述进料架设置有导料轨道，保证所述坯料顺畅进入到与楔横轧模具相对应的准确位置。

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，所述起重倾斜单元安装在轧机底座下方，通过所述起重单元为所述底座提供相应倾斜角度α，α满足15°≤α≤35°。

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，坯料为φ10-φ70轴类零件，用于冷精密楔横轧或热精密楔横轧；冷轧温度为室温，热轧温度为700°C-1200°C。

所述装置可满足每分钟成形15-25件的生产效率。

本发明的有益效果为：

1.可利用轧件自身重量，在楔横轧成形结束，轧件脱离模具的瞬间利用自身重力作用沿轨道滑出轧机，出料迅速，且无需额外动力装置，成本低、生产效率较高。

2.采用承载式机架，将装有整体式模具的左、右轴系、辊距调整单元直接嵌入安装在机架内，传力路线短、轧机整体刚度大，可实现精密楔横轧制。

3.采用整体式模具且可实现快速换辊，整体式模具较分片式模具热处理后仍可保证较高精度，且采用卧式轴系单元布置方式避免了立式轧机下辊难以更换的问题，可实现快速换辊，显著提高生产效率。

4.采用凹凸圆同步单元，极大程度地减小了啮合转动过程中产生的间隙问题，可保证两机架同步对中开合，保证了调整轧辊间距时轧制中心线不发生偏移。

5.左右轴系单元之间安装预紧弹簧，为楔横轧过程中提供必要的预紧力，保证楔横轧精度较高。

6.旋转带刻度的锁紧螺母可直接调整轧辊间距，安装调试简单。

7.通过安装在机架内部的压力传感器可实时获取楔横轧过程中的径向轧制力，为研究楔横轧成形过程中轧制力变化情况，深入分析轧制机理提供了实验平台。

附图说明

图1A所示为本发明实施例一种倾斜式精密楔横轧成形装置的结构示意图。

图1 B所示为实施例一种倾斜式精密楔横轧成形装置的侧视图示意。

图2所示为实施例中承载式机架示意图。

图3所示为实施例中整体式楔横轧模具示意图。

图4所示为实施例中凹凸圆同步单元示意图。

图5所示为实施例中凹凸圆同步单元与传统齿轮啮合对比图。

图6所示为实施例中预紧弹簧预紧力示意图。

图7所示为在轴系之间添加预紧弹簧，通过压缩预紧弹簧来提供足够的预紧力，轧制力与轧机整体跳动变形量的关系图。

图中:1.机架单元；2.整体式模具；3.柱面垫圈；4.轴系单元；5.辊距调整单元；6.导板进料单元；7.同步单元；8.底座；9-起重倾斜单元；A.辊距调整单元安装槽；B.轴系单元安装槽；C.同步单元安装槽；D.转轴安装孔。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

下述实施例中，为叙述方便，两机架表述为左机架、右机架；两轴系表述为左轴系、右轴系；两模具表述为左模具、右模具。需要说明的是，此处的左右区分，只是相对位置的区分，也可以用上下来区分。不应以实施例的内容作为保护范围的限定。

如图1A、图1 B所示，本发明实施例一种倾斜式精密楔横轧成形装置，包括机架单元1、整体式模具2、柱面垫圈3、右轴系单元4、辊距调整单元5、导板进料单元6、同步单元7、底座8、起重倾斜单元9。机架单元1通过转轴对称安装在底座8上；导板进料单元6关于中轴线对称安装在底座8上方；左右模具2分别由左右轴系同轴固定；驱动单元同轴安装在轴系单元4上，驱动模具2旋转；辊距调整单元5贯穿安装在轧机机架上方，通过控制机架开合程度来调节模具2间距大小；同步单元7对称安装在轧机机架下方，保证两机架同步开合；起重倾斜单元9安装在底座8下方，通过控制起重高度提供轧机所需倾斜角度。金属坯料通过导板进料单元6到达指定位置，通过辊距调整单元5将轧辊间距调节到指定数值，驱动单元提供轧制动力将金属坯料进行楔横轧制，得到所需产品。

如图1A、图1B所示，机架单元1通过同步单元7及机架转轴安装在轧机底座8上，整体式模具2与轴系单元4同轴连接。装有整体式模具2的轴系单元4通过轴系单元安装槽B固定安装在承载式机架上。左机架与右机架通过辊距调整单元5串联在一起，并且通过轴系单元4间的预紧弹簧提供预紧力，保证楔横轧过程平稳。导板进料单元6保证坯料轴线高度与左轴系、右轴系轴向高度一致。

如图1B所示，轧机主体机构坐落在轧机底座8上，底座8一端抵靠在地面上，另一端被起重倾斜单元9抬起，与地面成相应倾斜角度α布置。α满足15°≤α≤35°。

如图2所示，承载式机架设置有辊距调整单元安装槽A、轴系单元安装槽B、同步单元安装槽C、转轴安装孔D。通过以上设置的凹槽，可将辊距调整单元5、轴系单元4、同步单元7、机架转轴直接固定安装在机架上，楔横轧过程中轧制力直接传递到机架上，保证了楔横轧过程中轧机刚度较高，跳动较小，以实现精密楔横轧制。

如图3所示，此装置采用整体式楔横轧模具2，模具2通过键槽安装到轴系单元4中指定位置，通过调节垫圈厚度保证左、右模具轴向位置相同。

如图4、图5所示，此装置采用凹凸圆同步单元7来保证轧机左机架、右机架同步开合且轧制中心线不发生偏移，始终位于中心对称位置。其中同步凹圆槽中设置平直段，以保证同步凸圆块与同步凹圆槽外啮合转动过程中中心距不发生变化，防止啮合过程中产生间隙导致轧机整体中心线发生偏移，进而影响轧制精度。

如图5所示，传统齿轮啮合转动过程中，二维平面内齿与齿之间均为点接触，应力较为集中，容易引起齿轮点蚀，且间隙较大，造成轧制精度较差。而本发明中采用凹凸圆同步单元7控制机架转动，啮合转动过程中随时保证足够小的无间隙，轧制精度高，可实现精密楔横轧成形。

如图7所示，在轴系之间添加预紧弹簧，通过压缩预紧弹簧来提供足够的预紧力，极大程度上减小了楔横轧成形过程中由于挤压金属造成的反力引起轧机整体跳动变形量，进而实现精密楔横轧制。

本发明达到精密轧制的主要机理分析：

1、凸圆块与凹圆槽啮合转动：可以将缝隙降低到最小。

传统的齿轮啮合，如图5左所示，要想装配顺利，必须要有间隙（如果没有间隙则装配不进去，无法保证两个齿轮的中心距为设定值或直接卡死，无法使用），齿轮装配的间隙通常为0.1-0.15mm，即平直时刻齿间间隙最小；当机架张开到极限位置时，齿轮啮合也达到极限位置，间隙叠加间隙，就会使极限位置间隙达到最大，实际设备使用过程中，极限位置间隙很大，很晃，可达0.2-0.3mm。

而本发明的凹凸圆设置，可在加工过程中，将凸圆与凹槽间隙控制的很小，甚至贴死，无缝隙，在平直状态下，不会出现丝毫晃动，或者晃动极小（齿轮啮合平直放置时，稍微扭转齿轮，由于存在装配间隙，会产生晃动，而凹凸圆不会，凸圆与凹槽贴合紧密）。哪怕当凹凸圆处于极限位置时，仍有两处点接触，如图6所示：此两点的接触，限制了凸圆块与凹圆槽之间的晃动，保证了凹凸圆之间不会发生晃动。所以凹凸圆设置极限位置间隙与平直安装位置间隙相同，间隙很小，且不随位置发生变化。齿轮啮合则相反，水平放置时间隙较小，但仍有0.1-0.15mm，极限位置时则间隙变得更大。对于φ10-φ70的中小直径轴类零件楔横轧成形来说，传统齿轮啮合轧制精度为±1.5mm；采用凹凸圆装置所得轧制精度为±0.5mm，轧制精度提升1mm左右。

2、预紧弹簧的作用：

如图7所示，轧机等机械装备，其内部都有一定的装配间隙（装配好之后，部件与部件之间其实是松垮的，存在一定的缝隙，并不是紧紧地绷在一起的）。没有预紧弹簧时，轧件被轧制过程中，轧件受到轧机提供给的轧制力，同时轧机各部件受到轧制反力，轧制反力对两个机架有向外张的趋势，使其张开。但由于机械设备内部存在一定的装配间隙（装配过程决定了各部件之间必然存在一定间隙，不可能是完全绷紧的状态，此间隙来自于机械内部，装配过程决定，无法消除），因此，轧机受到的轧制反力先补偿设备内部的缝隙，造成一定的跳动量，如图7中OA段所示；内部间隙被补偿完毕后，轧制力与轧机变形量呈线性关系，轧制力越大，轧机变形量越大，跳动量越大，如AB段所示。当轧制过程结束时，力迅速消失，机架则又收拢回去，设备内部由于力消失，各部件之间则又松垮回去，如此反复，造成轧制过程轧机跳动量较大，轧出来的零件精度不高。

加了预紧弹簧之后，相当于用压缩预紧弹簧产生的反力来补偿轧机内部各部件之间的装配缝隙。这样，轧机内部各部件之间的装配缝隙被预紧力补偿之后，再放入轧件轧制，则不需要轧制反力补偿设备内部的缝隙了，少了设备内部各部件之间的装配缝隙产生的跳动量之后，整体轧制过程中，轧机跳动量少了一大截，如图7中OCD段所示，轧出来的零件精度高很多。（轧机内部松垮、装配间隙带来的跳动量远大于轧制力造成轧机变形而产生的跳动量；因为轧机刚度很大，轧制力造成的变形其实很小，但是轧制力造成的轧机内部一绷紧、一松垮而产生的跳动量很大）。

对于φ10-φ70的中小直径轴类零件楔横轧成形来说，未加预紧弹簧时，整个轧机内部存在些许松垮，轧制跳动量为0.3-0.5mm左右,；添加预紧弹簧，经预紧力补偿轧机内部松垮之后，轧制跳动量可控制在0.05-0.15mm左右（设备实际百分表测量0.12mm或0.1mm），跳动量明显改善。

对于设备整体来说，凹凸圆设置改善效果：预紧弹簧改善效果=7:3。

本发明的工作原理为：

整体装置采用倾斜式布置，利用金属坯料自重实现自动化进出料，并采用承载式机架、整体式楔横轧模具2、凹凸圆同步单元7、预紧弹簧提高轧机整体高度，减小轧制过程跳动量，进而实现精密楔横轧制。将加热到轧制温度(冷轧为室温、热轧为700°C-1200°C)的直径为φ10-φ70的坯料转移到装置内，由驱动单元提供动力，通过轴系单元4将输入动力分别传递给左右模具2，驱动左右模具2作同向同步的旋转运动，坯料在模具-坯料摩擦力的作用下，在左右楔横轧模具2之间被楔横轧成形。

楔横轧成形完毕的轧件在脱离模具的瞬间，由于轧机具有倾斜角度，在自身重力的作用下，沿出料架滑出轧机。

本发明具有轧制精度高、模具更换方便、自动化程度高等优点，可利用轧件自重实现快速进出料，显著提高生产效率。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。