CN1056792C - 楔横轧台阶轴轧齐楔形模具 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种楔横轧加工台阶轴为轧齐内倾角(θ)所用的楔形模具。在用单元法求台阶轴空间螺旋体金属转移体积所得轧齐截止曲线有五种分布。为了解决计算曲线起点在楔型体外，提出用替代楔型的设计方法。现有技术仅考虑展宽段转移体积，对起点在楔型体外，则凭经验，靠修型。本发明提出的展宽段轧齐截止曲线适用于α≤θ≤90°的任意内倾角。此模具可广泛用于加工变速箱轴、凸轮轴和电机轴等毛坯轧制。

Description

楔横轧台阶轴轧齐楔形模具

本发明是一种采用楔横轧新工艺加工台阶轴所使用的楔型模具。适用于加工直角和小于直角的内倾角台阶轴，如变速箱轴、凸轮轴、电机轴等毛坯。

在楔横轧台阶轴过程中，台阶端面是一个空间螺旋体面，为了使台阶轴更接近成品的最终形状和尺寸，将螺旋面轧齐是一个关键。现有的楔横轧台阶轴楔形模具，为了解决轧齐问题，根据楔形展宽段加工所形成的空间螺旋体的转移体积来确定楔型轧齐截止曲线的始点和形状，若始点跨入模型的楔入段或在楔入段起点之前的楔体之外，则截止曲线的始点和形状首先凭经验初定，后用调试修整，这样的办法既费时又不准确。

本发明的目的在于克服上述不足，提供计算的截止曲线始点在楔入段和超出楔体外的楔型结构，更好地达到消除空间螺旋面的目的。

本发明的目的是这样实现的：楔型模具由辊体1和附着于上的一对或多对楔型2构成。台阶轴坯料3置于两个楔型之间(见图1)。楔型分为楔入段Y_W、展宽段Y_S、精整段Y_f，变形的楔具有成形角α、展宽角β和楔高h，轧齐截止曲线4，始点为H，其长度为Y_H(见图2)，截止曲面5(由截止曲线向楔型展开面一纸面所作的垂直面，见图3)其特征是：

③X_O＜X_W，计算ΔX’＞X_O，计算的H’点在楔型体外；

④X_O＞X_W，计算ΔX’＞X_O，计算的H’点在楔型体外；

(II)楔型截止曲线的形状：采用原用楔型计算的ΔX’＞X_O，其起点H’落在楔型体外，则需要设计替代楔型，用逼近法计算转移金属体积所得的ΔX＜X_O，即起点H落在楔型楔入段内后，截止曲线(4)的形状与权利要求1中(II)的确定方法相同。

4、控权利要求3所述轧齐楔型模具，其特征是在第③种和第④种分布时，采用Y＝KX³的曲线代替截止曲线(4)。

5、一种楔横轧台阶轴轧齐楔形模具，由辊体(1)和附着于上的一对或多对模型(2)组成，模型含有楔入段(Y_W)、展宽段(Y_S)、精整段(Y_f)，变形的模具有成形角(α)和展宽角(β)，为轧齐设计的截止曲面(5)在展开平面上为截止曲线(4)，起点为(H)，长度(Y_H)，其特征是：

(I)采用单元法求空间螺旋体金属转移体积来计算所确定的截止曲线始点H和提前量ΔX有如下分布：

⑤X_O＞X_W，ΔX＜x_O，H点在开展段Y_S内；

(II)楔型截止曲线的形状：按上述⑤分布，计算出需要转移的金属体积，通过求始点H的提前量ΔX，利用X＝X_O-ΔX和Y＝Y_a-(ΔX+Δrctgα)ctgβ，Z＝Δr，求出始点座标，再通过改变楔高h确定截止曲线上对应的各点的座标，联接各点，即为轧齐截止曲线(4)，其提前量ΔX如下确定： $\mathrm{\ΔX}=-(\mathrm{ctg\θ}-\mathrm{ctg\α})\left\{\right[(r^3-r_O^3)/3r_O^2-(r-r_O)+(\mathrm{\π}/2)\mathrm{tg}$ $\mathrm{\β}[(r^3-r_O^3)/3r_O^2+(r^2-r_O^2)/2r_O]\}$

式中符号与说明书相同。(IV)起点H在第③和第④种分布时，可近似用Y＝KX³图形曲线代替截止曲线4。

在台阶轴加工精度要求不高时，采用(III)和(IV)可以简化楔型设计和制作。

本发明提供的轧齐楔形模具，在设计轧齐楔型时，考虑了楔入段和展宽段需要转移的金属体积，从而改变目前仅以展宽段的计算或外推的方法来设计楔型，靠修型调试来解决轧齐。这样的楔形模具已用在凸轮轴毛坯轧制上。本发明用于截止曲线在展宽段时，被加工的台阶轴内倾角θ不仅用于直角，且适用于α＜θ≤90°范围。

下面结合附图进一步描述

图1楔型模具立体图

图2楔型的平面展开图(两对楔型)

图3图2A-A，B-B，C-C，D-D，E-E剖面图

图4台阶轴加工过程形状图(对应上述剖面的状况)

图5单个楔型始点H位置分布图(第①种分布)

图6单个楔型始点H位置分布图(第②种分布)

图7单个楔型始点H位置分布图(第③种分布)

图8单个楔型始点H位置分布图(第④种分布)

图9单个楔型始点H位置分布图(第⑤种分布)

图10(a)(b)截止曲线位置和形状图(第①种分布)

图11(a)(b)截止曲线位置和形状图(第②种分布)

图12(a)(b)截止曲线位置和形状图(第③种分布)

图13(a)(b)截止曲线位置和形状图(第④种分布)

见图2、3，成形面6与截止曲面5的交线为截止曲线4。A-A剖面楔入高h_A，C-C剖面楔入高h_C。图中第一对楔截止曲线起点H在展开段Y_S内；第二对楔截止曲线起点H在楔入段Y_W内。

见图4，d为台阶轴3的毛坯直径，do为轴颈直径，7为空间螺旋面，X_O为对应一个楔型加工的台阶轴凹挡宽度。θ为台阶轴内倾角，Δr为坯料楔入深度。

下面举例说明截止曲线五种不同始点H位置和形状：(下述上限法是不考虑楔入段(或展宽段)后变形过渡区的转移金属量。下限法要考虑此金属量)

(1)第①种分布：见图5，图10(a)(b)。

ΔX(上限法)＝a·(1/πdo²)·tgαtg²β[Y_W ³-(Y_W-Y_O)³]  (1)

ΔX(下限法)＝a·(1/πdo²)·tgαtg²β[Y_W ³-(Y_W-Y_O)³

             +b·Y_O ³]                                      (2)

式中2和b——分别为相应部位的楔型形状系数

      Y_O——对应X_O的楔型展开长度

举例：已知：d＝55.94，do＝36.61  X_O＝13.22

      设α＝28°  β＝7°30′

计算Δr＝(d-do)/2＝9.67   Y_O＝X_Octgβ＝100.42

    X_W＝Δr·ctgα＝18.19 Y_W＝X_Wctgβ＝138.16

由公式(2)求出H点提前量ΔX＝9.02

确定H点三坐标：X₁＝13.22-9.02＝4.20

               Y＝238.58-206.68＝31.9

               Z＝Δr＝9.67

确定出截止曲线A各点空间三座标值列于表1，作出曲线见图10-(b)表1

编    号	1(H点)	2	3	4	5	6	7	8	9(N点)
										沿楔高方向座标值Z	9.67	9	8	7.03	6.00	5.00	3.00	1.00	0
X	4.20	5.00	5.83	8.78	10.00	10.98	12.42	13.13	13.22
										Y	31.90	52.11	79.99	104.42	128.39	150.12	189.56	233.61	238.58

同理，用公式(1)求出的曲线4见图10-(a)。轧件精度要求不高时，可采用直线替代曲线4。

(2)第②种分布，见图6、图1(a)(b)。X_O＞X_W，计算ΔX′＜X_O，

计算采用原有楔型，H点在Y_W内。

ΔX(上限法)＝a·(1/πdo²)·tgαtg²β[Y_W ³+C·Y_W ³Y_S]          (3)

ΔX(下限法)＝a·(1/πdo²)·tgαtg²β[Y_W ³+C·Y_W ²Y_S+b·Y_W ³]   (4)

式中：C——为相应部分形状系数

举例：已知：d＝61.02. do＝35.29. X_O＝27.66

      设α＝30°    β＝8°30′

计算Δr＝(d-do)/2＝12.87.

    X_W＝Δr·Ctgα＝22.29

    Y_W＝X_W·Ctgβ＝149.15  Y_O＝X_O·Ctgβ＝185.07

用公式(3)，求出ΔX＝21.90

X＝27.66-21.90＝5.76，Y＝334.22-295.68＝38.54

Z＝Δr＝12.87

截止曲线上各点的三座标值，列于表2，作出截止曲线4为图11(a)。表2

编    号	1(H点)	2	3	4	5	6	7	8	9(N点)
										沿楔高方向座标值Z	12.87	11.00	10.00	9.00	7.00	5.00	3.00	1.00	0
X	5.76	14.7	17.63	20.09	23.75	26.00	27.19	27.62	27.66
										Y	38.54	120.22	151.22	179.27	226.94	265.17	296.31	322.36	334.22

同理，用公式(4)计算结果作出曲线见图11(b)。

(3)第③种分布：见图7  图12(a)(b)

采用原有楔型，计算出ΔX′＞X_O。计算始点H′在楔型体外，设计需采用替代楔型计算，H点落在楔入段Y_W内。

ΔX(上限法)＝a·(1/πd_o ²)·tgαtg²β[Y_W ³-(Y_W-Y_H)³]        (5)

ΔX(下限法)＝a·(1/πd_o ²)·tgαtg²β[Y_W ³-(Y_W-Y_H)³+b·Y_O ³

    -e·(X_O-X_H)(Y_O-Y_H)(Δr-δr)Ctgα·Ctg²β]               (6)

式中：X_H和Y_H——分别为计算所采用的替代楔型点H的宽度和展开

                  长度(见图7)

      δ_r——Y_O点沿楔高h方向楔入深度

      e——相应部位楔型形状系数

计算时采用逼近法

举例：已知：d＝55.94，d_o＝27.46，X_O＝12.20

设：α＝28°，β＝7°

计算：Δr＝(d-d_o)/2＝14.24  Y_O＝X_O·Ctgβ＝99.36

      X_W＝Δr·Ctgα＝26.79 Y_W＝X_W·Ctgβ＝218.14

由公式(6)求出H点提前量ΔX＝10.38

确定H点三座标：X＝12.20-10.38＝1.82，

               Y＝317.50-302.68＝14.82  Z＝Δr＝14.24

截止曲线各点三座标列于表3，作出曲线4见图12(b)

表3

编    号	1(H点)	2	3	4	5	6	7	8	9(N点)
										沿楔高方向座标值Z	14.24	14	12	10.00	8.00	6.51	5.00	3.00	0
X	1.82	2.17	4.52	6.51	8.110	9.06	9.8	10.92	12.20
										Y	14.82	21.35	71.13	117.13	161.64	192.20	221.36	261.12	317.50

同理由公式(5)计算作出的曲线见图12(a)

若用近似曲线Y＝kX^a替代时，曲线4上各点列于表3.1表3.1

X	1.02	2.01	3.01	4.01	5.01	7.01	9.01	10.1	11.01	12.01	12.20
												Y	14.82	29.99	96.48	136.01	157.52	166.56	174.96	195.67	236.00	302.41	317.50

表3.1曲线在图形12-(b)上用黑点标出。

(4)第④种分布：见图8，图13(a)(b)

X_O＞X_W，用原有楔型计算，ΔX′＞X_O，H′落在楔型体之外，设计需采用替代楔型(见图8中虚线示出)计算，H点便在Y_W内，替代楔型提前量ΔX：

ΔX(上限法)＝a·(1/πdo²)·tgαtg²β[Y_W ³-(Y_W-Y_H)³

             +C·Y_W ²·Y_S]                                      (7)

ΔX(下限法)＝a·(1/πdo²)·tgαtg²β[Y_W ³-(Y_W-Y_H)³

             +C·Y_W ²Y_S+bY_W ³-e·X_WY_WΔrCtgαCtg²β]       (8)计算时采用逼近法。举例：已知：d＝55.94  do＝27.46  X_O＝35.08设：α＝28      β＝7°计算：Δr＝(d-do)/2＝14.24

  X_W＝Δr·Ctgα＝26.79

  Y_W＝X_W·Ctgβ＝218.14

  Y_O＝X_O·Ctgβ＝285.69用公式(7)，求出H点的提前量ΔX＝29.20。确定H点的三座标：X＝35.08-29.2＝5.86；Y＝503.83-456.11

              ＝47.72；Z＝Δr＝14.24曲线上各点计算值列于表4，作出曲线见图13-(a)

表4

编    号	1(H点)	2	3	4	5	6	7	8	9	10(N点)
											沿楔高方向座标值Z	14.24	14.00	12.00	10.00	8.00	7.12	5.00	3.00	1.00	0
X	5.86	6.73	13.68	19.43	23.95	25.55	32.03	33.81	34.98	35.08
											Y	47.72	58.48	145.72	223.19	290.64	317.15	392.62	407.53	407.7	503.83

图13-(a)中虚线是替代截止曲线4的近似曲线。

用公式(8)求出ΔX＝31.75。

则H点的三座标：X＝35.08-31.75＝3.33；

               Y＝503.83-476.71＝27.12；Z＝Δr＝14.24。

各点计算值列于表5，作出曲线见图13-(b)表5

编    号	1(H点)	2	3	4	5	6	7	8	9	10(N点)
											沿楔高方向座标值Z	14.24	44.00	12.00	10.00	8.00	7.12	5.00	3.00	1.00	0
X	3.33	3.73	8.03	11.50	14.30	15.30	24.62	31.2	34.66	35.08
											Y	27.12	34.87	99.55	158.61	211.37	233.67	342.05	426.27	405.09	503.83

图13-(b)中虚线是近似曲线替代的结果。

(5)第⑤种分布，见图9，X_O＞X_W，且X_W＜X_H＜X_O，起点H在展宽段Y_S内，提前量：

ΔX＝-(Ctgθ-Ctgα){(r³-r_o ³)/3r_o ²-(r-r_o)+

     (π/2)tgβ[(r³-r_{o 3})/3r_o ²+(r²-r_o ²)/2r_o]}    (9)

式中r和r_o——分另为d/2和d_o/2。

利用上式求出ΔX后，起点H座标即可确定，计算方法同前。

Claims (5)

1、一种楔横轧台阶轴轧齐楔形模具，由辊体(1)和附着于上的一对或多对楔型(2)组成，楔型含有楔入段(Y_W)、展宽段(Y_S)、精整段(Y_f)，变形的楔具有成形角(α)和展宽角(β)，为轧齐设计的截止曲面(5)在展开平面上为截止曲线(4)，起点为(H)，长度(Y_H)，其特征是：

(I)采用单元法求空间螺旋体金属转移体积来计算所确定的截止曲线始点H和提前量ΔX有如下两种分布：

①X_O＜X_W，ΔX＜X_O      H点在楔入段Y_W内；

②X_O＞X_W，ΔX＜X_O      H点在楔入段Y_W内；

(II)楔型截止曲线的形状，根据上述①②分布，计算出需要转移的金属体积，通过求始点H的提前量ΔX，利用X＝X_O-ΔX和Y＝Ya-(ΔX+Δrctgα)ctgβ，Z＝Δr求出始点座标，再通过改变楔高h确定截止曲线上对应的各点的座标，联结各点，即为轧齐截止曲线(4)；

式中符号与说明书相同。

2、按权利要求1所述轧齐楔型模具，其特征是在第①种和第②种分布时，采用直线代替截止曲线(4)。

3、一种楔横轧台阶轴轧齐楔形模具，由辊体(1)和附着于上的一对或多对楔型(2)组成，楔型含有楔入段(Y_W)、展宽段(Y_S)、精整段(Y_f)，变形的楔具有成形角(α)和展宽角(β)，为轧齐设计的截止曲面(5)在展开平面上为截止曲线(4)，起点为(H)，长度(Y_H)，其特征是：

(I)采用单元法求空间螺旋体金属转移体积来计算所确定的截止曲线始点H和提前量ΔX，有如下两分布：

③X_O＜X_W，计算ΔX’)X_O，计算的H’点在楔型体外；

④X_O＞X_W，计算ΔX’＞X_O，计算的H’点在楔型体外；

(II)楔型截止曲线的形状：采用原用楔型计算的ΔX’＞X_O，其起点H’落在楔型体外，则需要设计替代楔型，用逼近法计算转移金属体积所得的ΔX＜X_O，即起点H落在楔型楔入段内后，截止曲线(4)的形状与权利要求1中(II)的确定方法相同。

4.按权利要求3所述轧齐楔型模具，其特征是在第③种和第④种分布时，采用Y＝KX³的曲线代替截止曲线(4)。

5、一种楔横轧台阶轴轧齐楔形模具，由辊体(1)和附着于上的一对或多对模型(2)组成，模型含有楔入段(Y_W)、展宽段(Y_S)、精整段(Y_f)，变形的模具有成形角(α)和展宽角(β)，为轧齐设计的截止曲面(5)在展开平面上为截止曲线(4)，起点为(H)，长度(Y_H)，其特征是：

(I)采用单元法求空间螺旋体金属转移体积来计算所确定的截止曲线始点H和提前量ΔX有如下分布：

⑤X_O＞X_W，ΔX＜X_O，H点在开展段Y_S内；

(II)楔型截止曲线的形状：按上述⑤分布，计算出需要转移的金属体积，通过求始点H的提前量ΔX，利用X＝X_O-ΔX和Y＝Y_a-(ΔX+Δrctgα)ctgβ，Z＝Δr，求出始点座标，再通过改变楔高h确定截止曲线上对应的各点的座标，联接各点，即为轧齐截止曲线(4)，其提前量ΔX如下确定： $\mathrm{\ΔX}=-(\mathrm{ctg\θ}-\mathrm{ctg\α})\left\{\right[(r^3-r_O^3)/3r_O^2-(r-r_O)+(\mathrm{\π}/2)\mathrm{tg}$ $\mathrm{\β}[(r^3-r_O^3)/3r_O^2+(r^2-r_O^2)/2r_O]\}$

式中符号与说明书相同。

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