三輥螺旋孔型軋機的設計開發與試驗研究

曾時金，朱 旭

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 順德528311)

三輥螺旋孔型軋機的設計開發與試驗研究

曾時金，朱 旭

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 順德528311)

介紹了新型三輥螺旋孔型軋機的結構，該軋機由軋輥裝置、機架、軋輥壓下裝置、相位角調節機構、軸向調節裝置及送進角調節機構等組成。與傳統設備相比，三輥螺旋孔型軋機具有單機生產效率高、材料利用率高等優點，特別適合于軸承套圈坯料等環形件的批量生產。

螺旋軋制;孔型斜軋;軸承套圈坯料

1 前言

螺旋孔型軋制屬于斜軋技術，其基本原理是將斜軋機的軋輥加工出螺旋狀的溝槽或突起，其斷面可以是半圓形、梯形或其他形狀，從而使變形區形成螺旋狀的孔型。在軋制過程中，軋輥使軋件螺旋前進，金屬逐漸充滿孔型，進而得到所需形狀的零件。

20世紀50年代，前蘇聯、日本、美國等國家采用螺旋孔型軋制技術高效率地生產鋼球、絲桿等產品(包括冷、熱軋和空、實心零件)，取得了顯著的經濟效益。我國從20世紀60年代開始利用該技術生產球磨機鋼球。20世紀70年代開始開發了單孔型工藝、深淺孔型工藝、多頭孔型軋制工藝以及相應的設備和軋輥，使該項技術得到較快的發展。

螺旋孔型斜軋與常規成形工藝——鍛造相比，有以下優勢:單機生產率高，可提高5～20倍;材料利用率高;勞動條件改善;模具壽命長;設備投資少;生產成本低［1］。

該項技術在國內主要用于鋼球生產，有資料顯示，該項技術目前已經應用于銅球、鋁球、球頭吊環、防滑釘等回轉體零件的生產［2］。

上述設備生產的產品屬于實心體類零件，所采用的設備一般為二輥式斜軋機，而對于環形件，管類件的生產，國內外很少應用孔型斜軋技術。目前，已有一些研究資料顯示，適當規格的環形件和管類件也可以采用孔型斜軋技術。比如，軸承的內外套圈就非常適合采用該技術進行大批量的生產。

經過市場調研，軸承內外套圈采用該技術進行生產具有非常廣闊的應用前景，但是，二輥式斜軋機不適合類似于軸承內外套圈的環形件的生產，因為側導板的摩擦力會使環形件嚴重變形。所以，要使用孔型斜軋技術來生產環形件，就必須開發三輥斜軋設備，去掉側導板。

無論是二輥式或三輥式斜軋機，都是利用輥型的變化來生產不同形式的產品。二輥式斜軋機類似于穿孔機，與穿孔機最大的區別就是軋輥的輥型不同。目前，國內的螺旋孔型斜軋設備主要以二輥為主，三輥孔型斜軋設備與工藝在國內很少見。主要有以下幾點原因:一是軋制空間限制了小規格的環形件的生產;二是模具設計與制造復雜;三是工藝調整難度大。

然而，三輥螺旋孔型斜軋機具有二輥孔型斜軋機無可比擬的優勢。其主要原因是三輥螺旋孔型斜軋機不需要側導板，減少了因側導板與軋件的摩擦而產生的能量損耗。同時，三輥孔型軋機增加了軋件的軋制道次，可使變形量和產品質量都得到大幅提高。

2 三輥螺旋孔型軋機總體結構

本文所介紹的三輥螺旋孔型軋機是一種結構設計合理、整機加工范圍廣且調節較方便的三輥式斜軋機。

根據螺旋孔型軋制工藝的要求，在軋制過程中，需要:

(1)對軋制的送進角進行調整;

(2)對軋輥的螺旋孔型進行對齊;

(3)對軋輥的壓下軋制空間進行調整;

(4)對軋輥的螺旋孔型相位進行調整。

基于上述需求，我們開發設計了一臺三輥螺旋孔型軋機，如圖1所示。

圖1 三輥螺旋孔型軋機結構示意圖Fig.1 Diagram of three-roll screw rollingmill

該三輥螺旋孔型軋機為實現回轉體類坯料軋制的連續高效生產而設計，相比單件軋制或鍛造可以大幅提高材料的利用率，縮短工藝流程。可實現從管狀坯料到環形零件的一次加工成型，大量節省了管坯原材料的損耗，材料利用率提高到90%以上，同時，也大幅提高了生產效率。三輥螺旋孔型軋機是專為大批量環形類零件的生產而設計的，因此，該種軋機一般用于專用的生產線上。該三輥螺旋孔型軋機的整體結構原理如圖2所示。

圖2 螺旋孔型軋機結構示意圖Fig.2 Structural diagram of screw rollingmill

該三輥螺旋孔型軋機，包括軋輥裝置，框式機架，壓下調節系統，軸向調節裝置，送進角調節裝置，相位角調節裝置，主傳動系統，芯棒、送料裝置和出料裝置。螺旋孔型軋機的三個軋輥在與軋制線垂直的平面上，在圓周方向上呈120°均布。由于軋輥軋制時孔型調整的需要，所以該設備設有對軋輥軸向位置，軋輥送進角，軋輥高度位置，軋輥相位角等相關量的調整裝置。

該三輥螺旋孔型軋機的主機采用了模塊化設計，分為以下8個模塊:

(1)軋輥裝置。軋輥裝置的核心部件是軋輥，其直徑與長度決定了軋輥裝置的尺寸與結構。

(2)軋輥軸向調節裝置。軋輥軸向調節裝置的主要作用是軸向調節軋輥的位置，以便于對準孔型。

(3)壓下調節裝置。壓下調節裝置采用的絲杠壓下調節機構。

(4)送進角調節及轉筒鎖緊裝置。送進角調整范圍0°～10°，手動調整;鎖緊轉筒，防止其在軋輥工作過程中發生轉動。

(5)相位角調節裝置。主要作用是調節軋輥孔型相位，防止軋制過程中的“亂扣”現象。調節方式采用手動調節。

(6)主體機架、機座。機架為組合結構，由前后兩塊鑄造牌坊構成，中間用拉桿和套筒固定。機座用地腳螺栓固定于地面。

(7)軋件導入、導出裝置。用于軋件的導入、導出，前后臺的中心高度定位。固定于機架上。

(8)冷卻、潤滑系統。用于軋制過程中冷卻軋輥，潤滑軋輥的系統。

3 三輥螺旋孔型軋機的主要結構

3.1 壓下調節系統

如圖3所示。通過電機帶動絲桿軸4轉動，使得壓下螺母3與轉筒1一起上升與下降。從而達到調節軋輥壓下量，及高度位置的調整。其中調整螺母2用于調整壓下螺母與絲杠軸之間的間隙。壓蓋5通過螺栓安裝于機架上，承受軋制壓力。

圖3 壓下調節系統示意圖Fig.3 Diagram of screwdown adjusting system

3.2 軋輥軸向調節裝置

如圖4所示。一般軋輥的軸向偏差一般都很小，只需要微調，通過調節螺栓4，推動軋輥座2在軋輥托盤1中滑動，從而起到調整軋輥軸向位置的作用。同時，通過兩側的調節螺栓同時鎖緊，軋輥軸向調節裝置也有軋輥軸向定位的作用。

圖4 軋輥軸向位置調節示意圖Fig.4 Sketch of roller axial position adjustment

3.3 送進角調節裝置

如圖5所示。通過手輪1帶動絲桿軸2轉動，推動或縮回頂桿3，從而改變轉筒4的角度，起到調節軋輥送進角的作用。同時鎖緊兩個絲杠軸還可以起到鎖緊送進角的作用。

圖5 軋輥送進角調節示意圖Fig.5 Sketch of roller feed-angle adjustment

3.4 相位角調節機構

如圖6所示。通過松開脹套2，任意改變軋輥軸1的初始角度，然后鎖緊脹套2，從而到達調節軋輥相位角的作用。

圖6 相位角調節示意圖Fig.6 Sketch of phase-angle adjustment

4 軋輥系空間關系

三輥軋機的軋輥布置如圖7所示。其中，軋輥直徑D與芯棒直徑d的關系如下［4］:

式中，Δ為兩軋輥之間的間隙距離，Δ的最佳取值范圍3 mm＜Δ＜10 mm。

此外，軋輥中心線與芯棒中心線的夾角應在0°～10°之間。

軋制過程中，軋輥與芯棒的間隙為0～1 mm。

圖7 軋輥與軋件空間位置示意圖Fig.7 Sketch for spatial position of rollers and rolled piece

5 三輥螺旋孔型軋機樣機制造

在進行了市場調研和充分的理論分析與之后，廣東冠邦科技有限公司對三輥螺旋軋機進行了試制，樣機如圖8所示。

圖8 三輥螺旋孔型軋機樣機實物圖Fig.8 Picture of prototype of three-roll screw rollingmill

由于條件所限，我們采用了力學性能與熱軋狀態下鋼管十分接近的純鋁管進行了試驗研究。試驗結果比較理想，成功實現了從無縫管到環形件的軋制成型與切斷。圖9為第一次試驗的軋件樣品。

圖9 鋁管軋制試件Fig.9 Rolled specimens of aluminium tube

6 結論

介紹了廣東冠邦科技有限公司最新研發的三輥螺旋孔型軋機的構成和設計思想，同時介紹了該種類型軋機的軋輥系空間關系。通過制造樣機、并進行了試驗研究，驗證了三輥螺旋孔型軋機的結構設計和孔型設計的合理性，也發現了設備還存在需要改進的細節。

本機可適應多種環形零件的軋制，設備具有整體設計合理、結構緊湊、制造成本低、設備投資少、工藝調整難度小、可降低生產成本、改善勞動環境等優點。

［1］秦建平，帥美榮．特種軋制技術 ［M］．北京:化學工業出版社，2007．9．

［2］胡正寰，華林．零件軋制成形技術 ［M］．北京:化學工業出版社，2010．2．

［3］張慶生．螺旋孔型斜軋工藝 ［M］．北京:機械工業出版社，1985．

［4］雙遠華，梁愛生．鋼管生產技術問答 ［M］．北京:化學工業出版社，2009．

Design and experimental development of three-roll screw groove rolling m ill

ZENG Shi-jin，ZHU Xu
(Guangdong Tube＆Rod Technology Co．，Ltd．，Shunde 528311，China)

The compositions and the design ideas of a new type three-roll screw rollingmill are described．The mill is composed of roller device，work stand，roller screwdown device，phase-angle adjustingmechanism，axial adjustingmechanism and feed angle adjusting mechanism，etc．The manufacturing and testing process of a prototype are elaborated．Compared with the traditional equipments，ithas high production efficiency andmaterial utilization rate．It is suitable formass production of ring parts like blanks of bearing rings．

helical rolling;skew rolling with spiral groove;blank of bearing ring

TG376.2

A

1001－196X(2012)05－0010－04

2012－07－25;

2012－08－21

曾時金(1983－)，男，碩士，廣東冠幫科技有限公司工程師。