CN113894173A - 空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，提供了一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置及工艺，所述装置包括模具、入料筒、导料筒和三个轧辊；模具内部开设螺旋型腔，用于将直线型空心坯料成形为空心螺旋杆；入料筒用于上料；三个轧辊用于提供挤压成形的轴向压力；导料筒用于改善经轧辊挤压的空心坯料的圆度。所述工艺对空心坯料进行软化处理，对模具、导料筒进行润滑处理；设定轧辊倾斜角度、轧辊间距及扭矩；将坯料穿进入料筒，使其被轧辊咬入，坯料在轧辊驱动下绕自身轴线匀速旋转并匀速向前经导料筒进入模具型腔内，挤压成形得到空心螺旋杆成品。本发明结构简单，易于制造，可连续成形任意长度的空心螺旋杆，成形精度高，具有广阔应用前景。

Description

空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置及工艺

技术领域

本发明涉及金属塑性成形工艺与装备技术领域，特别涉及一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置及工艺。

背景技术

螺旋杆呈空间螺旋杆状结构，其沿轴线方向的每一个垂直截面都是完整的圆形，常用于制造螺杆泵等液体输送设备转子，其与定子相互啮合形成密封腔室推动液体前进，进行液体输送。

现阶段螺旋杆大多采用实心结构，而在同流量与压力下，采用空心螺旋杆制成的转子对设备功率要求低于采用实心螺旋杆制成的转子，同时对定子橡胶的压力也更小，有利于延长螺杆泵使用寿命。

现有技术中，空心螺旋杆的外轮廓通常采用旋风铣削机加工制成，类似于数控车床旋转车削加工；空心螺旋杆内部型腔很难加工，目前有两种方法：一是将空心螺旋杆切开，一分为二，加工内部型腔；二是采用与内部型腔轮廓相同的模具，采用电化学腐蚀的原理，一点一点的将内部材料腐蚀掉。缺陷：成本太高、效率低、耗时太长、材料浪费严重。

传统空心螺旋杆挤压成形受挤压腔室空间限制，只能成形一定长度的空心螺旋杆，因此有必要制定新的空心螺旋杆挤压成形工艺。

发明内容

本发明的目的是至少克服现有技术的不足之一，提供了一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置及工艺，本发明装置结构简单、易于制造，可连续成形任意长度的空心螺旋杆，成形精度较高。

本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，包括模具、入料筒、导料筒和三个轧辊；

所述模具内部开设有螺旋型腔，螺旋型腔与空心螺旋杆外形轮廓一致，用于将直线型空心坯料成形为空心螺旋杆；所述入料筒用于空心坯料的上料；三个所述轧辊用于为空心坯料提供挤压成形的轴向压力；所述导料筒用于改善经所述轧辊挤压的所述空心坯料的圆度；

所述空心坯料穿过所述入料筒，在三个所述轧辊的轧制摩擦力驱动下，经过所述导料筒的整形，再通过所述模具挤压成形为空心螺旋杆。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，三个所述轧辊均设置在所述入料筒和导料筒之间，三个所述轧辊中心点连线构成等边三角形，且三个所述轧辊中心点所在平面与所述空心坯料轴线垂直相交；三个所述轧辊轴线与空心坯料轴线之间的夹角均相同，三个所述轧辊旋转方向相同，转动角速度相同。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述模具、导料筒、入料筒和空心坯料四者的轴线均重合。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述轧辊表面进行滚花处理，以增大摩擦系数。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述轧辊的入料端设置咬入锥角A，咬入锥角A为3°～10°。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述模具的入料端设置有用于保证所述空心坯料顺畅进入模具型腔的导向锥角B。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述导料筒内部设置带有锥度的内圆通孔，改善经所述轧辊挤压的所述空心坯料圆度。

另一方面，本发明还提供了一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形工艺，包括：

S1、对空心坯料进行软化处理，对模具、导料筒进行润滑处理；

S2、设定轧辊的倾斜角度、轧辊间距及轧辊扭矩；轧辊的倾斜角度为轧辊轴线与空心坯料轴线之间的夹角；

S3、将空心坯料穿进入料筒，对空心坯料施加轴向力使其被三个轧辊咬入；空心坯料在三个轧辊驱动下绕自身轴线匀速旋转并匀速向前，经导料筒整形后进入模具型腔内，挤压成形得到空心螺旋杆成品。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中，所述软化处理为对空心坯料进行退火处理，处理后硬度不高于200HV。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述空心坯料的材质为能用于冷塑性成形的金属材料，所述空心坯料的材料包括不锈钢和铜等。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，轧辊间距设定应保证轧辊与空心坯料间具有足够的摩擦力，保证轧辊与空心坯料间不发生相对滑动。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，轧辊的扭矩设定应使金属坯料所承受的应力水平高于其屈服强度，使得空心坯料产生永久塑性变形。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，所述空心螺旋杆相应参数与轧辊倾斜角度满足如下关系式：

式中，α为轧辊倾斜角度，即轧辊轴线与坯料轴线所夹锐角；S为空心螺旋杆螺距；D为空心螺旋杆螺旋线水平投影圆直径。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S2中，三个所述轧辊的间距应使三个所述轧辊所夹内切圆直径小于空心坯料外径。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，轧辊对空心坯料的压下量范围：0.1mm<压下量<0.5mm。

如上所述的任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，空心坯料的最大直径D_max<0.7R，R为轧辊直径。实验证明，当D_max>0.7R时，轧辊难以提供足够大的摩擦轴向压力。

本发明的有益效果为：

1.本发明可连续成形任意长度的空心螺旋杆，摆脱了传统空心螺旋杆挤压成形受挤压腔室空间限制，只能成形一定长度的空心螺旋杆的问题。

2.本发明成型空心螺旋杆速度快、效率更高。

3.本发明中挤压成形所需的挤压力由三个轧辊共同承担，受力状态良好，且结构简单、设备研发难度低，易于实现自动化生产。

4.本发明对于操作人员知识水平和个人技能要求不高，简单易学，操作方便。

附图说明

图1所示为本发明实施例一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置的结构示意图。

图2所示为实施例中挤压成形原理示意图。

图3所示为实施例中带滚花的轧辊结构示意图。

图4所示为实施例中模具结构示意图。

图5所示为实施例中模具沿对称面剖开结构示意图。

图6所示为实施例中导料筒结构示意图。

图中：1.模具；2.导料筒；3.轧辊；4.空心坯料；5.入料筒；A.轧辊咬入锥角；B.模具导向锥角；C.(模具)螺旋型腔。

具体实施方式

下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1-图5所示，本发明实施例一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，包括模具1、导料筒2、轧辊3、坯料4、入料筒5；所述模具1内部开设有型腔，用于将直线型空心坯料4成形为空心螺旋杆；所述入料筒5用于空心坯料4的上料；三个所述轧辊3用于为空心坯料4提供挤压成形的轴向压力；所述导料筒5用于改善经所述轧辊3挤压的所述空心坯料4的圆度。

在一个具体实施例中，所述模具1轴线、导料筒2轴线、空心坯料4轴线、入料筒5轴线相互重合。

在一个具体实施例中，三个所述轧辊3中心点连线构成等边三角形，且三个所述轧辊3中心点所在平面与所述空心坯料4轴线垂直相交；三个所述轧辊3的倾斜角度，即轧辊3轴线与空心坯料4轴线夹角相同；三个所述轧辊3旋转方向相同，均为从入料端沿逆时针方向旋转，转动角速度相同。

如图3所示，在一个优选实施例中，所述轧辊3表面进行滚花处理，增大摩擦系数。

在一个具体实施例中，所述轧辊3入料端设置咬入锥角A，咬入锥角A为3°～10°。

如图4所示，在一个具体实施例中，所述模具1入料端设置导向锥角B，保证所述空心坯料4顺畅进入模具型腔。

如图5所示，所述模具1内部开有螺旋型腔C，所述螺旋型腔C与所述螺旋杆外形轮廓一致。

如图6所示，在一个优选实施例中，所述导料筒2内部设置带有锥度的内圆通孔，用于改善经所述轧辊3挤压的所述空心坯料4圆度。

不失一般性，下面以外径

壁厚1.5mm，长度300mm，螺距40mm的纯铜空心螺旋杆为例说明本发明空心螺旋杆三辊驱动挤压成形工艺：

S1.下纯铜管料，进行退火软化处理，软化处理后管料硬度降至200HV以下；采用石墨、二硫化钼等润滑剂对模具1、导料筒2内部型腔进行充分润滑处理；

S2.根据空心螺旋杆外径D＝15mm，螺距S＝40mm，计算得到轧辊3倾斜角度α＝52.6°，设定轧辊倾斜角度、轧辊扭矩、轧辊间距；轧辊3设定的扭矩应保证坯料顺利转动；轧辊3设定的间距应保证轧辊3与空心坯料4之间具备足够的摩擦力，保证轧辊3与空心坯料4之间不发生相对滑动；轧辊扭矩、轧辊间距的大小一般可通过实验或计算确定。

S3.将软化处理过的纯铜空心坯料4穿进入料筒5，对坯料4施加轴向力使其被轧辊3咬入，空心坯料4在受三个轧辊3挤压产生的摩擦力驱动作用下，绕自身轴线匀速旋转并匀速向前经导料筒2进入模具1的螺旋型腔C内，挤压成形得到空心螺旋杆成品。

关于轧辊倾斜角度确定的进一步说明：

根据所需要成形的螺旋杆的螺距S，螺旋杆投影圆直径D，再结合公式(1)推导出来的，推导过程如下：

原则：等体积原则(推进模具的体积V_进＝挤出体积V_出)

V_进＝v_结×T×S_截

其中：v_轴轴向进料速度；T时间；S_截坯料截面面积；

ω：坯料旋转角速度；S：螺距；D：坯料直径；

V_进＝V_出

即：

现有技术一般通过模具转动来控制ω，通过顶杆推动速度来控制v_轴。通过两个装置运动来保证运动协调，较麻烦。

本申请中，通过调节轧辊倾斜角度来协调控制ω和v_轴，简单便捷。

v_轴＝V sinα

其中V为轧辊线速度；带入到上述公式(2)中，得到公式(1)，即：

其中α为轧辊倾斜角度，即轧辊轴线与坯料轴线所夹锐角；S为空心螺旋杆螺距；D为空心螺旋杆螺旋线水平投影圆直径。

轧辊的倾斜角度协调满足了螺旋杆的轴向进给速度和旋转速度。倘若不满足公式(1)，会造成所成形的螺旋杆进出料不平衡，造成螺距S不达标，螺旋杆截面不是圆形等成形问题。

本发明结构简单，易于制造，可连续成形任意长度的空心螺旋杆，成形精度较高，具有广阔的应用前景。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (10)

1.一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，所述装置包括模具、入料筒、导料筒和三个轧辊；

所述模具内部开设有螺旋型腔，用于将空心坯料成形为空心螺旋杆；所述入料筒用于空心坯料的上料；三个所述轧辊用于为空心坯料提供挤压成形的轴向压力；所述导料筒用于改善经所述轧辊挤压的所述空心坯料的圆度；

所述空心坯料穿过所述入料筒，在三个所述轧辊的轧制摩擦力驱动下，经过所述导料筒的整形，再通过所述模具挤压成形为空心螺旋杆。

2.如权利要求1所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，三个所述轧辊均设置在所述入料筒和导料筒之间，三个所述轧辊中心点连线构成等边三角形，且三个所述轧辊中心点所在平面与所述空心坯料轴线垂直相交；三个所述轧辊轴线与空心坯料轴线之间的夹角均相同，三个所述轧辊旋转方向相同，转动角速度相同。

3.如权利要求1所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，所述模具、导料筒、入料筒和空心坯料四者的轴线均重合。

4.如权利要求1所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，所述轧辊表面进行滚花处理。

5.如权利要求1所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，所述轧辊的入料端设置咬入锥角A，咬入锥角A为3°～10°。

6.如权利要求1所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，所述模具的入料端设置有用于保证所述空心坯料顺畅进入模具型腔的导向锥角B。

7.如权利要求1所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形装置，其特征在于，所述导料筒内部设置带有锥度的内圆通孔。

8.一种空心螺旋杆三辊驱动挤压成形工艺，其特征在于，使用如权利要求1-7任一项所述的装置，所述工艺包括：

S1、对空心坯料进行软化处理，对模具、导料筒进行润滑处理；

S2、设定轧辊的倾斜角度、轧辊间距及轧辊扭矩；轧辊的倾斜角度为轧辊轴线与空心坯料轴线之间的夹角；

S3、将空心坯料穿进入料筒，对空心坯料施加轴向力使其被三个轧辊咬入；空心坯料在三个轧辊驱动下绕自身轴线匀速旋转并匀速向前，经导料筒整形后进入模具型腔内，挤压成形得到空心螺旋杆成品。

9.如权利要求8所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形工艺，其特征在于，步骤S1中，所述软化处理为对空心坯料进行退火处理，处理后硬度不高于200HV。

10.如权利要求8所述的空心螺旋杆三辊驱动挤压成形工艺，其特征在于，步骤S2中，所述空心螺旋杆相应参数与轧辊倾斜角度满足如下关系式：

式中，α为轧辊倾斜角度，即轧辊轴线与坯料轴线所夹锐角；S为空心螺旋杆螺距；D为空心螺旋杆螺旋线水平投影圆直径。

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