一种钢芯搓尖成形装置及成形方法

技术领域

本发明涉及搓型加工领域，具体涉及一种钢芯搓尖成形装置及成形方法。

背景技术

搓型加工通过旋转工件并施加压力来改变其形状，相较于一些复杂的金属加工方法，如铣削、车削等，搓型加工操作更加简便，加工效率也更高。这种工艺方法在生产实践中得到了广泛应用，尤其是在螺纹、纹理等成型加工方面，可以在短时间内完成大量生产任务，特别适用于批量生产。

搓型加工的应用领域也在不断扩展，例如，在汽车制造、航空航天等领域中，各类几何形状的金属工件越来越多地被采用，需要搓型加工技术的不断改进和完善来满足其需求；目前先进的搓型加工设备也在逐步引入自动化、数字化和智能化等技术，进一步提高加工精度和效率，以满足现代制造业的更高要求；然而，传统搓型加工的刀具只能满足螺纹、纹理等简单构造的成形，对于具有复杂几何结构的工件，比如带有锥形尖端和平滑过渡的柱状结构，搓型加工的局限性比较明显，工件不便进行定位加工，尤其是采用传统机床加工时，搓型用的刀具难以进行匹配设计，由于坯料的延展性，直接搓尖后会导致工件轴向长度难以控制，需要进行二次切除，由于刀具的限制，难以对这类工件进行搓型加工，采用铣削、车削等加工方式又难以满足加工效率的需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种钢芯搓尖成形装置及成形方法，设计带有工作面的动刀和定刀，通过定刀和动刀的组合得到搓型腔，通过往复运动驱动动刀相对于定刀移动，使得坯料在搓型腔内搓动成型，得到所需带有锥形尖端和平滑过渡的柱状结构，提高加工效率。

本发明的第一目的是提供一种钢芯搓尖成形装置，采用以下方案：

包括：

搓尖刀具，包括平行分布且相对布置的定刀和动刀，定刀的工作面与动刀工作面之间形成容纳坯料的搓型腔，搓型腔沿动刀移动方向依次划分为入料区、整形区和成型区，入料区横截面形状与坯料的纵向截面形状一致，整形区设有用于切断坯料端头的渐变切口，成型区横截面形状与目标工件的纵向截面形状一致；

上料机构，包括送料板，送料板与定刀一端之间设有送料区，送料区与入料区相连通；

驱动组件，第一输出端驱动动刀相对于定刀往复移动，第二输出端驱动送料板相对于送料区往复移动，以推送坯料至入料区。

进一步地，所述上料机构还包括上料盘，上料盘出口通过送料管接入送料区，送料板位于送料区一侧，在驱动组件作用下送料板一端能够进入送料区内。

进一步地，所述驱动组件的第二输出端通过凸轮机构连接送料板，凸轮机构包括端面凸轮和摆杆，端面凸轮连接于第二输出端，摆杆一端抵接端面凸轮，另一端连接送料板。

进一步地，所述驱动组件的第一输出端通过偏心连杆机构驱动动刀，偏心连杆结构包括驱动轮和连杆，驱动轮连接于第一输出端，连杆一端偏心铰接于驱动轮端面，另一端作用于动刀。

进一步地，所述搓尖刀具安装于机架，机架上滑动安装有滑块，动刀通过动刀座安装于滑块，滑块接受第一输出端的驱动作用以带动动刀，定刀通过定刀座安装于机架；定刀座和动刀座位于搓型腔底部的区域形成定位底面，抵接工件的平面一端，保持搓型过程中工件轴线与定位底面垂直。

进一步地，所述定刀接触坯料的工作面依次为入料面、整形面和成型面，动刀上设有与定刀上对应的入料面、整形面和成型面，动刀的入料面与定刀的入料面相对时形成入料区，动刀的整形面与定刀的整形面相对时形成整形区，动刀的成型面与定刀的成型面相对时形成成型区。

进一步地，所述整形区的横截面形状的上半部分为沙漏状，下半部分为矩形状，整形面上设置有凸起，定刀和动刀上的凸起共同形成渐变切口，以切断坯料的一端。

进一步地，所述成型区的横截面上半部分为锥形状，下半部分为矩形状，成型面横截面轨迹与目标工件的母线轨迹一致。

本发明的第二目的是提供一种如第一目的所述的钢芯搓尖成形装置的成形方法，包括：

待加工坯料投放至送料区，送料板推送坯料至入料区；

坯料在滚动状态下进入搓型腔，并在搓型腔内依次通过入料区、整形区、成型区、出料区；

动刀相对于定刀前进，坯料在整形区内头部逐渐搓细后分离得到去头尖钉，去头尖钉在成型区内头部逐渐搓型得到工件；

工件从定刀末端的出料区排出，动刀相对于定刀后退复位，重复坯料的投放。

进一步地，成形加工时，对搓尖刀具和坯料进行冷却。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

（1）针对目前复杂几何形状的工件不便进行搓型加工的问题，设计带有工作面的动刀和定刀，通过定刀和动刀的组合得到搓型腔，通过往复运动驱动动刀相对于定刀移动，使得坯料在搓型腔内搓动成型，得到所需带有锥形尖端和平滑过渡的柱状结构，提高加工效率。

（2）采用碳素工具钢材料制作产品，搓尖刀具材料选用进口高硬度高耐磨性含钴粉末高速钢SP60材料，在搓尖刀具的工作面平滑过渡，减少工件的瞬时变形量，增加变形过程，选用大行程设备，增加成形刀有效长度，使获取的工件能够满足精度需求。

（3）动刀座和定刀座共同形成搓型腔的定位底面，对坯料、光钉、去头尖钉和工件的底端进行抵接定位；在处于抵接状态时，能够保持处于不同加工状态的坯料、光钉、去头尖钉和工件的轴线与定位底面垂直，保持姿态，保证搓型质量。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1和2中偏心连杆机构、动刀和定刀的示意图。

图2为本发明实施例1和2中偏心连杆机构连接动刀的示意图。

图3为本发明实施例1和2中定刀的工作面对应入料区、整形区、成型区和出料区的示意图。

图4为本发明实施例1和2中动刀的工作面对应入料区、整形区、成型区和出料区的示意图。

图5为本发明实施例1和2中动刀和定刀组合后的端面示意图。

图6为本发明实施例1和2中入料区对应的横截面形状的示意图。

图7为本发明实施例1和2中位于入料区内的坯料的示意图。

图8为本发明实施例1和2中整形区对应的横截面形状的示意图。

图9为本发明实施例1和2中位于整形区内的坯料的示意图。

图10为本发明实施例1和2中成型区对应的横截面形状的示意图。

图11为本发明实施例1和2中位于成型区内的去头尖钉的示意图。

其中，1.机架，2.定刀座，3.动刀座，4.送料板，5.定刀，6.动刀，7.滑块，8.送料区，9.坯料，10.偏心连杆机构，11.入料区，12.整形区，13.成型区，14.出料区，15.去头尖钉，16.工件。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图11所示，给出一种钢芯搓尖成形装置。

针对目前复杂几何形状的工件16不便进行搓型加工的问题，本实施例中提供一种钢芯搓尖成形装置，下面，结合附图对其进行详细说明。

参见图1，钢芯搓尖成形装置包括机架1和安装于机架1的搓尖刀具、驱动组件、上料机构，其中，搓尖刀具包括相配合定刀5和动刀6，定刀5相对于机架1位置固定，动刀6与定刀5并行且相对布置，其之间形成加工区，且动刀6能够相对于定刀5的长度方向往复运动，使坯料9在加工区内移动进行搓尖成形；驱动组件带动动刀6相对于定刀5往复移动，上料机构位于加工区的上游，设有连通加工区的送料区8，能够将待加工的坯料9推送到加工区内。

上料机构包括上料盘和送料板4，上料盘出口通过送料管接入送料区8，送料板4位于送料区8一侧，在驱动组件作用下一端能够进入送料区8内，从而将送料区8内的坯料9推送到加工区；能够在驱动组件作用下撤出送料区8，从而使送料管内的下一待加工坯料9落料至送料区8。

上料盘采用振动盘，送料管可以采用中空挠性管，将上料盘的出口与送料区8相连通；上料盘输出的坯料9不断进入送料管内，沿送料管移动至送料区8，在送料区8留有坯料9后，送料管内的坯料9不再落料，坯料9在送料管内依次累积，并逐步投放至送料区8输送至加工区中，实现坯料9的连续供应。

驱动组件包括动力源和传动机构，动力源通过传动机构输出动力，本实施例中，动力源可以采用电动机，传动机构可以采用皮带轮传动和齿轮传动组合。

具体的，电动机通过小皮带轮驱动大皮带轮转动，大皮带轮经第一传动轴接入齿轮箱输入端，齿轮箱通过第二传动轴输出，第二传动轴一侧连接有偏心连杆机构10，偏心连杆机构10的输出端作为驱动组件的第一输出端，以驱动动刀6往复运动；第二传动轴另一侧连接有端面凸轮，端面凸轮抵接有摆杆，摆杆作为驱动组件的第二输出端，摆杆连接送料板4以驱动送料板4相对于加工区往复运动。

电动机上的小皮带轮经传动三角带带动大皮带轮，电动机的连接板与机架1连接，连接板上可以设置长圆孔，电动机通过螺栓配合长圆孔连接于连接板，通过调整螺栓位置可以改变小皮带轮与大皮带轮之间的间距，从而改变传动三角带的松紧。

大皮带轮固定在第一传动轴左端，第一传动轴通过轴承安装在齿轮箱上，齿轮箱中有第一传动轴和第二传动轴，两根轴上分别通过键连接两个传动齿轮；大皮带轮带动第一传动轴转动，第一传动轴上齿轮带动第二传动轴上齿轮转动，第二传动轴上齿轮又带动第二传动轴转动，第二传动轴右侧设置有偏心连杆机构10的偏心轮，偏心轮带动滑块7往复运动。

动刀6和送料板4由同一第二传动轴驱动，使其工作周期相匹配，动刀6配合定刀5的搓尖成形动作和送料板4的推送坯料9的工作相匹配，按照设定周期，在动刀6回撤至初始位置时，送料板4推送坯料9至工作区，在动刀6配合定刀5搓尖成形过程中，送料板4撤出送料区8，预留下一坯料9的落料位置。

如图2所示，偏心连杆机构10包括驱动轮和连杆，驱动轮安装于第二传动轴，驱动轮上固定有圆柱轴，连杆一端通过滚动轴承转动连接于驱动轮上的圆柱轴，并使该滚动轴承的转动轴线与第二传动轴轴线偏心布置，连杆另一端驱动动刀6，从而将第二传动轴和驱动轮的回转运动转化为动刀6的往复运动，满足搓尖成形的动作需求。

对于送料板4的驱动，第二传动轴左侧设置有端面凸轮，端面凸轮与第二传动轴左侧通过键连接后随第二传动轴转动，端面凸轮在旋转时，端面凸轮高点推动摆杆上端的滚轮。

摆杆中间用圆柱轴与机架1铰接，摆杆两端均设有固定圆柱轴，摆杆上端圆柱轴上安装有滚轮与端面凸轮滚动接触，摆杆下端圆柱轴上铰接推杆的铰接环，摆杆的下端偏里的位置设有强力复位弹簧，推杆的另一端用螺纹固定送料板4的下端，推杆长度可以调整。

端面凸轮在旋转时，端面凸轮高点推动摆杆上端的滚轮，滚轮经圆柱轴作用推动摆杆以摆杆中间圆柱轴为中心外移，摆杆的下端以摆杆中间圆柱轴为中心内移，推动推杆向后移动，推杆推动送料板4后移。

端面凸轮在旋转过高点后，摆杆在强力复位弹簧的推动下外移，通过推杆拉动送料板4前移，实现柔性送料，送料板4把坯料9推入搓尖刀具中为搓尖成形做准备。

具体的，在机架1上设置送料板座来控制送料板4的动作路径，送料板4沿送料板座前后移动，在弹簧力的推动下往前移动时，把坯料9推入搓尖刀具中，动刀6在偏心连杆机构10带动下往前运动完成钢芯搓尖成形任务，回程为空程。

在机架1上布置能够按照设定轨迹滑动的滑块7，滑块7上安装动刀座3，通过连接件将搓尖刀具的动刀6安装在动刀座3上，驱动机构的一路输出通过偏心连杆机构10驱动动刀6，可以将偏心连杆机构10的输出端连接于滑块7，从而驱动滑块7按照设定轨迹滑动，该设定轨迹与搓尖刀具加工坯料9的动作路径相同。

为了控制动刀6的运动轨迹，为滑块7设置导轨，导轨固定在机架1上，滑块7滑动布置在导轨上，在导轨的导向作用下往复运动。

在机架1上布置有定刀座2，通过连接件将搓尖刀具的定刀5安装在定刀座2上。定刀座2能够根据需求调整位置，在调整位置后、进行搓尖成形工作前进行固定。送料板4能够相对于送料区8往复移动，向靠近送料区8的方向移动时，把坯料9推入搓尖刀具的工作区内，动刀6随滑块7在偏心连杆机构10带动下向靠近定刀5方向运动，与定刀5共同完成坯料9的搓尖成形过程。

如图3、图4和图5所示，动刀6和定刀5共同搓动坯料9，使坯料9在滚动状态下进入定刀5和动刀6形成的工作区，工作区划分为入料区11、整形区12和成型区13，坯料9以滚动状态依次通过入料区11、整形区12、成型区13和出料区14。结合图6-图11，初始状态下坯料9呈圆柱状，在此过程中，坯料9呈圆柱状→头部逐渐搓细形成光钉→光钉头部搓细后分离得到去头尖钉15→去头尖钉15头部逐渐搓型→工件16逐渐成形→工件16成形→工件16脱离搓尖刀具。

动刀6和定刀5之间的工作区作为搓型腔，其参数设计是钢芯搓尖成形的关键，本实施例中，定刀5和动刀6对应入料区11、整形区12和成型区13的区域是对称方向设计，出料区14位于定刀5端部外，如图3所示，定刀5接触坯料9的工作面从左到右依次为入料面、整形面和成型面；如图4所示，动刀6接触坯料9的工作面从左到右依次为入料面、整形面和成型面。

结合图1和图2，在实际工作时，定刀5接触坯料的工作面与动刀6接触坯料的工作面相对布置，因此，在图1所示状态下，定刀5的工作面从右到左依次为入料面、整形面和成型面，同样的，动刀6的工作面从左到右依次为入料面、整形面和成型面。

本实施例中，在工作面表面用电火花机进行拉毛处理，增加摩擦力。

随着动刀6相对于定刀5的移动，动刀6的入料面与定刀5的入料面相对时在其之间形成入料区11，动刀6的整形面与定刀5的整形面相对时在其之间形成整形区12，动刀6的成型面与定刀5的成型面相对时在其之间形成成型区13；在坯料9经过成型区13后得到工件16，动刀6继续移动，使工件16脱离动刀6和定刀5之间，于出料区14位置脱离搓尖刀具，完成落料。

定刀座2与定刀5底面接触的面为第一定位面，在定刀5安装后，定刀5未覆盖第一定位面的位置作为搓型腔的第一底面；动刀座3与动刀6底面接触的面为第二定位面，在动刀6安装后，动刀6未覆盖第二定位面的位置作为搓型腔的第二底面，第一底面和第二底面共同拼合形成搓型腔的定位底面，对坯料9、光钉、去头尖钉15和工件16的底端进行抵接定位。

在处于抵接状态时，能够保持处于不同加工状态的坯料9、光钉、去头尖钉15和工件16的轴线与定位底面垂直，保持姿态。

不同于螺钉搓螺纹过程中存在齿板和头端进行辅助定位，能够防止搓螺纹过程中的偏移。本实施例中所加工的工件16，在加工时，若不进行姿态控制，容易在搓型腔内发生偏移，导致搓型失败，因此，本实施例中，配置去头尖钉15的尖端朝向斜上方为加工姿态，另一端为平面端，能够抵接定位底面实现定位，避免其偏移。

如图6和图7所示，动刀6和定刀5对正后，入料区11对应的横截面形状设计为坯料9纵向截面形状，该横截面形成呈矩形，便于坯料9顺利进入搓尖刀具内。对应的，定刀5的入料面沿搓尖成形运动方向的长度约为2mm，动刀6的入料面沿搓尖成形运动方向的长度约为25mm。

如图8和图9所示，动刀6和定刀5对正后，整形区12对应的横截面形状设计为坯料9纵向截面形状，该横截面上半部分为沙漏状，下半部分为矩形状；对应至整形面，整形面上设置约45°的渐变切口，沿搓尖成形前进方向逐渐凸起，使得作用于坯料9的切口由大逐渐变小，直至为零，将坯料9从接触切口的位置切断。

对应的，定刀5的整形面上设有凸起形成切口，整形面沿搓尖成形运动方向的长度约为30mm；动刀6的整形面上设有凸起形成切口，整形面沿搓尖成形运动方向的长度约为30mm。

如图10和图11所示，动刀6和定刀5对正后，成型区13对应的横截面形状设计为去头尖钉15纵向截面形状，该横截面上半部分为锥形状，下半部分为矩形状；对应至成型面，成型面上部凸起、下部为曲面，成型面横截面轨迹与所需工件16的母线轨迹一致。

需要指出的是，去头尖钉15在成型区13进行加工时，随着在成型区13内的移动，对去头尖钉15进行结构调节，实现镦粗和尖端圆滑处理。

对应的，定刀5和动刀6的成型面沿搓尖成形运动方向的长度约为400mm。

对于出料区14，参照图1中所示姿态，在动刀6右端与定刀5左端相对时，去头尖钉15已经被搓尖成形为工件16的形状，通过动刀6与定刀5继续相对移动，使得工件16处于非同时接触动刀6和定刀5的状态时，工件16无法被搓尖刀具所夹持，从而实现出料，动刀6和定刀5使工件16能够脱离搓尖刀具的位置为出料区14。

动刀6和定刀5中构成搓型腔的工作面，需要用电火花设备进行表面电加工处理，以获取相对粗糙的表面，用于增加工件16搓尖成形时的摩擦力，搓尖成形加工时，搓尖刀具和坯料9需要进行冷却，可以采用煤油作为冷却介质。

采用碳素工具钢材料制作产品，搓尖刀具材料选用进口高硬度高耐磨性含钴粉末高速钢SP60材料，在搓尖刀具的工作面平滑过渡，减少工件16的瞬时变形量，增加变形过程，选用大行程设备，增加成形刀有效长度，使获取的工件16能够满足精度需求。

需要指出的是，在进行机加工时，减少瞬时变形量的目的主要是为了提高工件16的加工精度和表面质量。

瞬时变形量是指工件16在加工过程中由于受到切削力、切削热等因素的影响而产生的变形。这种变形会导致工件16的位置、形状和尺寸发生变化，从而影响加工精度和表面质量。本实施例中，减少瞬时变形量可以减轻工件16的变形程度，使工件16更加接近理想的形状和尺寸，提高工件16的加工精度和表面质量。此外，减少瞬时变形量还可以减轻工件16的应力集中程度，降低工件16在加工后的残余应力，提高工件16的力学性能和耐久性。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图11所示，给出一种钢芯搓尖成形装置的成形方法。

利用如实施例1中钢芯搓尖成形装置，包括以下步骤：

待加工坯料9投放至送料区8，送料板4推送坯料9至入料区11；

坯料9在滚动状态下进入搓型腔，并在搓型腔内依次通过入料区11、整形区12、成型区13、出料区14；

动刀6相对于定刀5前进，坯料9在整形区12内头部逐渐搓细后分离得到去头尖钉15，去头尖钉15在成型区13内头部逐渐搓型得到工件16；

工件16从定刀5末端的出料区14排出，动刀6相对于定刀5后退复位，重复坯料9的投放。

成形加工时，对搓尖刀具和坯料9进行冷却，可以采用煤油作为冷却介质。

在进行搓型加工时，定刀座2与定刀5底面接触的面为第一定位面，在定刀5安装后，定刀5未覆盖第一定位面的位置作为搓型腔的第一底面；动刀座3与动刀6底面接触的面为第二定位面，在动刀6安装后，动刀6未覆盖第二定位面的位置作为搓型腔的第二底面，第一底面和第二底面共同拼合形成搓型腔的定位底面，对坯料9、光钉、去头尖钉15和工件16的底端进行抵接定位。

在处于抵接状态时，能够保持处于不同加工状态的坯料9、光钉、去头尖钉15和工件16的轴线与定位底面垂直，保持姿态。

不同于螺钉搓螺纹过程中存在齿板和头端进行辅助定位，能够防止搓螺纹过程中的偏移。本实施例中所加工的工件16，在加工时，若不进行姿态控制，容易在搓型腔内发生偏移，导致搓型失败，因此，本实施例中，配置去头尖钉15的尖端朝向斜上方为加工姿态，另一端为平面端，能够抵接定位底面实现定位，避免其偏移。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。