CN100531946C - 凸轮轴的辊式楔横轧精密成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种凸轮轴的辊式楔横轧成形方法，属于金属塑性成形技术领域。成形方法为两个带有楔型模具的辊式模具做同方向回转运动，加热的金属圆形棒料在模具成形面斜楔侧壁及模具辊型曲面顶面作用下，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形为包括凸轮在内的凸轮轴；凸轮成形过程分为楔入轧制成形、展宽轧制成形以及精整成形三个阶段，与之对应的模具楔分为楔入段、展宽段和精整段；成形凸轮所对应的模具辊型曲面，是轧制过程中凸轮与模具顶面所作相对共扼运动所确定的共扼包络面。优点在于：生产效率高，材料利用率高，生产成本低，尺寸精度高，产品质量好，实现了凸轮轴的精密成形。

Description

凸轮轴的辊式楔横轧精密成形方法
技术领域：
本发明属于金属塑性成形技术领域，特别提供了一种凸轮轴的辊式楔横轧成形方法。
技术背景：
楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，它的工作原理为：两个带有楔形模具的辊式模具，以相同方向做旋转运动，带动圆形轧件反向旋转，轧件在楔形孔型的作用下，轧制成形各种阶梯轴。它的主要变形是径向压缩轴向延伸。该技术主要用于生产批量大的轴类零件，包括：汽车、拖拉机、摩托车、内燃机、五金工具、建筑机械等轴类零件。该技术具有高效、节材、低耗等特点，是节材节能的先进生产技术。凸轮轴广泛应用于火车、汽车、拖拉机、摩托车等交通运输机械工业，但传统的楔横轧工艺只能生产各种同心回转体轴类零件，无法成形凸轮轴等非回转体轴类零件。本发明解决了传统楔横轧工艺的难题，实现了包括凸轮部分直接一次轧制成形的凸轮轴楔横轧工艺生产，扩大了楔横轧技术的使用范围，提高材料利用率，降低成本，实现了楔横轧近净轧制成形轧技术的使用范围，提高材料利用率，降低成本，实现了楔横轧近净轧制成形。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种凸轮轴的辊式楔横轧成形方法，以高效率、低能耗、高节材率的塑性成形方法实现包括凸轮部分直接一次轧制成形的凸轮轴(毛坯)楔横轧生产工艺(参见图1)。
本发明的构成为：两个带有楔型模具的辊式模具做相同方向回转运动，加热的金属圆形棒料在模具斜楔侧壁及顶面作用下做回转运动，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形包括凸轮在内的凸轮轴。
凸轮成形过程分为楔入轧制成形、展宽轧制成形以及精整成形三个阶段。与之对应的模具楔分为楔入段、展宽段和精整段(参见图2)。
成形凸轮轴段所对应的模具楔工作面由模具成形面和模具辊型曲面(顶面)组成(参见图2)。与传统成形回转体轴类零件方法不同，成形凸轮所对应的模具顶面不是圆弧形辊型曲面，其辊型曲面是轧制过程中凸轮与模具顶面的相对共扼运动所确定的共扼包络面。
设定凸轮方程为
Figure C200610112651D00041
则当轧件轧制滚动半径rk为一定值时，其辊型曲面方程可写为：
Figure C200610112651D00042
式中：
Figure C200610112651D00043
Figure C200610112651D00044
对于二辊式楔横轧有上、下(或左、右)两个模具构成，式中γ＝0时上式为一个模具楔型的辊型曲面，γ＝π时上式为另一个模具楔型的辊型曲面。两个模具楔顶面形状一样，但相位相差半个周期。
对于三辊式楔横轧有三个模具构成，式中γ＝0时上式为一个模具楔型的辊型曲面，γ＝2π/3、γ＝4π/3时上式为另两个模具楔型的辊型曲面。三个模具楔顶面形状一样，但相位相差三分之一个周期。
模具成形面横截断面形状有多种型式：单成形角(参见图3)、双成形角(参见图4)、多成形角、弧形成形面(参见图5)等。对于单成形角、2～10个变化角度的成形角，其成形角度值α取值在16°～60°范围内；弧形成形面其切线与轴线夹角α取值在0°～90°范围内。展宽角β取值在1°～12°范围内，展宽角是指模具楔展开线与模具楔展开长度方向的夹角，参见图9所示。
本发明所述的凸轮轴的楔横轧成形方法适用于二辊式楔横轧或三辊式楔横轧。
本发明所述的凸轮轴是指内燃机凸轮轴，包括单缸和多缸凸轮轴，凸轮轴包含1～24个凸轮。
本发明的优点在于：
与锻造成形方式相比本发明具有如下优点：
1)生产效率高3～10倍；
2)工作载荷不到10％，使设备重量大幅度下降，模具寿命大幅度提高；
3)成形零件精度高，没有飞边，节材率20％以上，可实现少无切削与零件精确成形；
4)成形的零件纤维流线连续，并可实现形变处理，零件质量好；
5)工作时无冲击少噪音，易于实现自动化生产、属于清洁生产等。
与传统楔横轧方法相比本发明具有如下优点：
1)扩大楔横轧工艺应用范围，实现非回转体的楔横轧零件的生产；
2)提高材料利用率。由于可以直接轧制出包括凸轮在内的凸轮轴，轧件尺寸更接近最终产品尺寸，实现近净成形；
3)降低机械加工费用。由于轧件尺寸更接近最终产品尺寸，机加工量显著减少，甚至直接磨削即可，明显降低机械加工费用。
4)产品质量好，由于凸轮轴是轧制成形，凸轮表层组织致密，纤维组织连续，故机械性能得到提高。
附图说明：
图1为凸轮轴示意图。
图2为本发明的成形凸轮的辊式楔横轧楔型图，其中，1为模具楔辊型曲面，3为模具楔成形面。
图3为本发明的单成形角示意图。
图4为本发明的多成形角示意图。
图5为本发明的弧形成形面示意图。
图6为本发明的示例凸轮轮廓图。
图7为本发明成形凸轮的模具辊型曲面轮廓图，其中，2为凸轮运动轨迹图。
图8为本发明成形的凸轮轴示例。
图9为成形凸轮轴的辊式楔横轧模具孔型展开图。
具体实施方式
图9所示的是辊式楔横轧成形示例凸轮轴(图8)的模具孔型展开图。坯料置于两模具之间，模具运动带动坯料旋转，坯料在模具作用下，径向压缩轴向延伸，坯料逐渐成形为阶梯轴。
成形凸轮的模具辊型曲面实例：
设凸轮方程为
Figure C200610112651D00061
其中：r0＝12.12mm，r1＝16.16mm，r2＝4.04mm
式中各参数意义参见图6。
辊型曲面的具体计算结果如下表(轮廓图参见图7)
 
θ(°) R(mm) θ(°) R(mm) θ(°) R(mm)
0 117.88 70 114.180 120 116.007
15 117.88 75 112.862 125 116.629
30 117.88 80 111.239 130 117.104
35 117.835 85 110.159 135 117.454
40 117.694 90 109.840 140 117.694
45 117.454 95 110.159 145 117.835
50 117.104 100 111.239 150 117.88
55 116.629 105 112.862 180 117.88
60 116.007 110 114.180 270 117.88
65 115.206 115 115.206 360 117.88

Claims (3)

1.一种凸轮轴的辊式楔横轧精密成形方法，其特征在于：两个带有楔型模具的辊式模具做同方向回转运动，加热的金属圆形棒料在模具成形面斜楔侧壁及模具辊型曲面顶面作用下，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形为包括凸轮在内的凸轮轴；凸轮成形过程分为楔入轧制成形、展宽轧制成形以及精整成形三个阶段，与之对应的模具楔分为楔入段、展宽段和精整段；成形凸轮所对应的模具辊型曲面，是轧制过程中凸轮与模具顶面所作相对共扼运动所确定的共扼包络面；模具斜楔的成形角为单一固定角度的成形角，或由2～10个变化角度的成形角构成，其成形角取值范围为16°～60°，或为一个切线角度连续变化的圆弧成形角构成；模具斜楔的展宽角取值范围为1°～12°，展宽角是指模具楔展开线与模具楔展开长度方向的夹角。
2.按照权利1所述的方法，其特征在于：所述的凸轮轴包含1～24个凸轮。
3.按照权利1所述的方法，其特征在于：所述的凸轮轴的楔横轧成形方法适用于二辊式楔横轧或三辊式楔横轧。
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基于Delphi的楔横轧模具辅助设计系统. 袁文生等.锻压装备与制造技术，第2005年第6期. 2005
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