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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
2、别，故人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
3、备体积小很多，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
4、设计、制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
5、柱一类零件，如轴承钢球； (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
6、多用于精度不高的大模数齿轮，冷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
7、位置，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以上的锤头，它以高频率
8、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，做垂直于轧辊轴线的直线运
9、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，即在辊锻机上按锻件形状尺
10、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生变形的这
11、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)变形区长度咬人角当角很小时有 760什么叫自然咬入? 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
12、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限制，每道次压下量不大。为了减少辊锻道次，增大压下量
13、，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
14、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
15、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
