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1、 单向连续板式楔横轧机 摘要：在我们上一篇论文（见：中国科学E辑：技术科学，2009, 52(11)：31173221）我们设计了板压滚动楔横轧精成形机（楔横轧）。这种机器具有辊式楔横轧机刚度好、占地面积小和板式楔横轧机模具加工简单、成形精度高的优点，同时摒弃了辊式楔横轧机模具加工复杂、成形精度差和板式楔横轧机刚度差、占地面积大的缺点。由于该机在轧制时上下轧板往复相对滑动，因此必须克服惯性，能量损耗大。并且当轧制大型工件时，占地面积也大。为了解决上述问题，本文提出了单向连续板式楔横轧机。该机的轧板无需往复滑动，因此其能量利用率和生产效率高，而且具有自动清除氧化皮的优点，特别是它解决了大型轴类件
2、轧制成形的技术难题。 楔横轧成形工艺是国内外近几十年来发展起来的金属连续局部塑性成形技术，在冶金加工领域中，它是由等截面轧制向变截面轧制的发展；在机械加工领域中，它是由分段整体塑性成形向整体连续局部塑性成形的发展。楔横轧具有材料利用率、能量利用率和生产效率高且无冲击噪声和易实现自动化的优点。楔横轧成形工艺主要应用于阶梯轴类件的成形，在现代近净成形和绿色加工技术中占有一定地位，并且取得了较好的经济效益和社会效益。1 楔横轧机的发展 现有普遍应用的楔横轧机主要为辊式楔横轧机和板式楔横轧机两种。辊式楔横轧机的刚度好，但由于扇形的横轧模具机加工难度较大，而且成形件是靠进料板进给，因此，辊式楔横轧机成形
3、工件的质量、精度和稳定性都较差。板式楔横轧机由于模具加工制造容易，可以整体淬火，所以轧制精度高、稳定性好, 但是板式楔横轧机的刚度较差。为此, 笔者将两者的优点综合于一体, 同时摒弃了两者的缺点, 设计了“板压滚动塑性精成形机”, 已获得发明专利,并发表了相应的论文。由于该机在轧制过程中上下轧板往复滑动, 必须克服机械惯性, 故能量损耗大,而且加工稳定性差。 此外, 对于轧制大型工件而言,轧板的长度大, 不但增大了占地面积, 而且增加了不稳定性。为了解决这些问题, 本文提出了“单向连续板式楔横轧机”(以下简称单向楔横轧机)的设计, 而且相应的核心技术已申报中国发明专利。2 单向楔横轧机整机设计
4、 参阅图1 及图2，整机主要由动力和传动系统、主机部分及单向连续传动装置组成。单向连续传动装置由上下两部分组成，它们关于工作平面对称布置。转向轮在主机架两侧左右对称布置，转向轮轮轴通过轴承安装在轴承座内，轴承座安装在转向轮轴承架内，转向轮轴承架固定在地基上，在轴承座的下面设有楔形调整块，用来调节转向轮的高度。张紧轮的轮轴通过轴承安装在轴承座内，轴承座安装在张紧轮轴承架内，并与轴承架滑动配合。上张紧轮轴承架固定在支撑架上,支撑架固定在地基上。在轴承座下面设有张紧弹簧,使上传动链处于张紧状态。下张紧轮轴承架位于地基下方,下传动链在下张紧轮、下张紧轮轴承座和轮轴的重力作用下处于张紧状态。上下压辊对称
5、地安装在左右主机架的轴承中,在上下压辊的左右两侧对称地设有齿圈,在左右主机架和左右辅助机架的内侧对称地固定装有水平导轨槽,导轨槽内侧垂直方向上装有侧向限位滚轮,传动链与导轨槽滑动配合。上下传动链上对称固设有滑动压板,滑动压板上反对称地固设有分段式轧板,上压辊与上滑动压板压力接触,下压辊与下滑动压板压力接触。 图1 整机结构图1 主机架； 2 上张紧装置支撑架；3 传动链； 4 张紧轮轴承架； 5 张紧轮； 6 张紧轮轮轴； 7 拉杆； 8 压辊；9 齿圈； 10 滑动压板；11 分段式轧板； 12 传动链节； 13 工件； 14 水平导轨槽； 15 侧向限位滚轮； 16 底座； 17 地基；1
6、8 万向节； 19 张紧轮轴承座； 20 张紧弹簧；21 转向轮； 22 转向轮轴承座； 23 楔形调整块；24 转向轮轴承架； 25 辅助机架2.1 动力和传动系统 动力和传动系统如图2 所示，主要由电动机、齿轮、离合器和制动器组成。由电动机输出的动力，经小皮带轮借助皮带传至大皮带轮(兼作飞轮)， 再通过齿轮副5，6 和7，8 传至齿轮11，并经转向齿轮12，带动齿轮13 同向转动，齿轮13，11 的传动轴分别通过万向节与上下压辊主轴相连。在工作时离合器合上，制动器打开时，动力便同时输至上下压辊的主轴；制动系统由离合器和制动器组成，制动时，打开离合器，闭合制动器。启动时，打开制动器，闭合离合
7、器。图2 动力及传动系统1 电动机； 2 小皮带轮；3 皮带； 4 大皮带轮； 5 小齿轮；6 大齿轮；7,8 齿轮副； 9 离合器；10 制动器；11,12 与12,13 齿轮副2.2 主机关键结构单向连续传动装置是主机实现单向连续平稳运行的关键，主机其它关键结构参阅文献5和6，此处不再赘述。 单向连续传动装置简图如图3 所示，其主要是传动链、转向轮、张紧轮及水平导轨槽等组成。传动链是单向连续传动装置的传动件，上下压辊两侧的齿圈分别与上下传动链啮合，从而带动上下轧板相向运动。传动链是由多根链节通过铰接组成的闭合环链，可以保证传动链的单向连续运转，这就避免了齿圈与单根直齿条啮合必须往复运转存在
8、的问题，而且是提高成形精度、避免机械惯性所造成的不稳定性、提高能量利用率和生产效率的关键组成部件。在轧制过程中，转向轮轴承座固定不动，而张紧轮轴承座可在垂直方向上上下滑动。图3 单向连续传动装置简图 1 传动链； 2,4 转向轮； 3 水平导轨槽； 5 滚珠轴承； 6 张紧轮 传动链节连接图如图4 所示。传动链节上固设有齿条节，齿条节一侧设有水平导板，另一侧设有滑动压板固定板。两根传动链节之间通过销轴铰接。 在销轴两端分别安装有滚珠轴承， 传动链在运行过程中，滚珠轴承与转向轮、张紧轮滚动接触，当传动链节绕过转向轮进入水平工作面方向时， 水平导板进入水平导轨槽内，在导轨槽约束下带动轧板水平滑动，
9、 从而保证了轧制成形时传动链水平传送的平稳性。 图4 传动链节连接图1 齿条节；2 水平导板；3 滚珠轴承；4 销轴； 5 滑动压板固定板2.3 楔横轧成形过程 参阅图1 及图2，启开制动系统，动力通过万向节传给上下压辊，上下压辊慢速同向旋转，借助齿圈齿条啮合带动闭合传动链沿着水平导轨槽、转向轮及张紧轮单向运转，从而带动上下分段式轧板相向慢速移动。与此同时，坯料由坯料定位槽自动进入上下轧板的平板模具型腔中，在上下压辊对上下分段式平板模具的压力下使工件楔横轧成形。轧制过程结束后，工件及轧制过程中所产生的氧化皮随传动链运行到转向轮处时自动脱落。在传动链单次运行周期中，可以根据分段轧板的组合情况设置
10、多次轧制成形，从而进一步提高生产效率。若需停机，将制动系统合上即可。再次运行时，启开制动系统即可。3 讨论与结论3.1 讨论单向楔横轧机是在辊压板式复合楔横轧精成形机的基础上，根据楔横轧分段成形的特点，采用单向连续传动装置代替原有的滑动压板框架结构，使得轧制过程能够单向连续进行，从而简化了传动系统，提高了生产效率及成形工件的精度，而且减少了能量的损失，特别是解决了大型阶梯轴类件轧制成形这一技术难题。其创新性主要体现在以下几个方面。 1) 该机成形刚度好，模具加工简单。该机的分段式轧板分别固定在上下传动链节上，通过传动链节上齿条与压辊上齿圈啮合传动，带动分段式轧板在水平方向上运行，上下压辊分别通
11、过上下轧板作用于上下平板轧模，工件的轴线与上下压辊的轴线始终在同一垂直面内，成形的反作用力分别作用在上下压辊上，从而保证了设备的成形刚度。此外，由于平板模具为分段式，易于机加工。 2) 单向连续传动装置带动上下分段式轧板单向连续运动，从而避免了辊压板式复合楔横轧精成形机中齿圈和齿条往复啮合偏差而产生的不稳定性，保证了设备的成形精度，提高了生产效率，简化了传动系统，节约了能量。 3) 在工作过程中，上下传动链带动上下分段式轧板单向连续运动，轧制过程中产生的氧化皮能够自动脱落，从而实现了氧化皮的自动清除。4) 设备成形零件的尺寸范围大，可以轧制大型阶梯轴类零件。由于现有的板式楔横轧机和辊式楔横轧机
12、自身条件的限制，故一直以来大型阶梯轴类件都是采用锻造生产， 存在生产效率低、耗材多、成本高、污染重等缺点。而单向楔横轧机由于将辊式楔横轧机和板式楔横轧机的优点结合起来，整机成形刚度好、精度高，而且整机占地面积较小，可以轧制大型阶梯轴类零件。3.2 结论通过以上对单向楔横轧机创新性分析，可知该机与现有的楔横轧机相比，具有整机成形刚度好、成形精度高、传动系统简单、生产效率高、占地面积较小和氧化皮容易清理等优点，并解决了大型阶梯轴类件轧制成形的技术难题。它可以代替大型阶梯轴类零件传统的锻造生产方式，适合于轧制诸如火车轴、重型机械的传动轴等大型阶梯轴类零件。参考文献1 宋玉泉. 连续局部塑性成形的发展
13、前景. 中国机械工程, 2000, 11(1-2): 6572 胡正寰. 楔横轧技术的现状与展望. 锻压技术, 1995, 5: 2573 胡正寰, 张康生, 王宝雨, 等. 楔横轧理论与应用. 北京: 冶金工业出版社, 19964 宋玉泉, 郝滨海. 板压滚动塑性精成形机. 中国发明专利, ZL 95 1 09500.5, 2000-10-285 宋玉泉, 李志刚, 王明辉, 等. 辊压板式复合楔横轧精成形机. 中国科学E 辑: 技术科 学, 2009, 39(10): 163116346 宋玉泉, 李志刚, 王明辉, 等. 可调板式楔横轧机. 中国机械工程, 2007, 18(1): 17 宋玉泉, 王明辉. 连续辊压板式楔横轧机. 中国发明专利ZL200910067376.3,2009-08-05
