楔橫軋工藝在汽車生產零部件中的創新與材料節約的效果探討

摘 要：在汽車制造業飛速發展的今天，人們對于零部件的生產效率，質量以及材料利用率等方面的需求與日俱增。基于這一背景，楔橫軋技術這一先進制造工藝在汽車生產零部件中表現出明顯的創新應用與材料節約效果。楔橫軋過程是指金屬坯料經過特定形狀楔型模具而發生局部連續塑性變形的過程，該過程的原理是建立在金屬材料塑性流動特性之上。這一過程中的關鍵參數主要有模具形狀、軋制速度和軋制力，它們對制品的成形質量及材料利用率有著直接的影響。研究結果表明：楔橫軋工藝在優化材料流動路徑、降低材料損失等方面取得明顯材料節約效果。量化評估表明，將此工藝應用于汽車生產零部件可明顯降低材料成本進而增加經濟效益。

關鍵詞：楔橫軋工藝 汽車生產零部件 創新 材料節約

楔橫軋工藝是先進金屬成形工藝之一，由于其特殊的成形機理及對材料的精確控制能力而在汽車零部件制造過程中顯示出廣泛的應用。本論文研究目的在于探索楔橫軋工藝對汽車零部件制造過程的影響以及由此產生的材料節約作用，從而為汽車制造業可持續發展提供新思路與技術支撐。

1 楔橫軋工藝概述

1.1 楔橫軋工藝的定義

楔橫軋工藝作為金屬塑性成形的先進技術之一，它的基本原理就是用兩個或兩個以上帶楔形模具的軋輥不斷地局部擠壓中間放置的金屬坯料，使金屬材料產生塑性變形并流動起來。這一工藝方法能夠通過精細地控制模具的外形、尺度以及在軋制過程中的各種工藝參數，例如軋制力、軋制速度和溫度等，從而實現對金屬原料的形狀、尺寸和性能的精準管理[1]。楔橫軋工藝技術優勢顯著。一是可實現金屬材料連續高效成型，極大地提高生產效率。二是由于模具同金屬坯料接觸面積很小，而且模具形狀可以按需設計，所以，本工藝靈活性強、適應性強，能適應各種形狀、大小部件的制造要求。三是楔橫軋工藝可以顯著改善金屬材料組織與性能，楔橫軋生產過程中，模具設計至關重要。模具的形狀、大小，角度及其他參數對金屬坯料變形程度及成形質量有直接的影響。

1.2 楔橫軋工藝工作原理

楔橫軋時，模具一般設計成特定楔形角度，軋輥轉動時與金屬坯料相接觸而產生壓力及剪切力。具體地說，就是將金屬坯料放置在兩塊或兩塊以上楔形模具中間后，模具楔形部分就會逐步向金屬坯料內部擠壓而產生塑性變形。當模具不斷轉動時，金屬坯料就會在模具作用下向外逐步伸展、擴張，直到達到要求的外形、尺寸。整個加工過程中模具對金屬坯料的摩擦力及剪切力起著至關重要的作用，這些作用不僅有利于金屬坯料塑性變形的進行，而且有利于金屬材料流動及重新分配。另外，楔橫軋過程的原理涉及幾個重要工藝參數：軋制力、軋制速度、模具溫度及金屬坯料初始溫度，這些參數顯著影響金屬材料塑性變形程度及成形質量[2]。

1.3 楔橫軋工藝的關鍵參數與影響因素

楔橫軋生產過程中關鍵參數有模具楔形角度、軋制力、軋制速度、模具溫度以及金屬坯料初始溫度，它們對生產過程以及最終產品質量與性能都有顯著影響。下面就這幾個關鍵參數及它們的作用進行詳細的分析，同時增加一些具體的數據，供參閱：

第一，模具的楔形角度。影響金屬坯料形變程度及成形質量最關鍵的因素。通常，楔形的角度在10°到45°的范圍內是比較普遍的。例如，在楔形角度達到30°的情況下，金屬坯料會受到適度的擠壓和剪切力作用，從而達到較為理想的成型效果。較大的楔形角度（如45°）通常會導致更劇烈的塑性變形和更高的成形效率，但也可能增加金屬材料的內部應力和殘余變形，如果內部應力可提高到原材料1.5倍時，則殘余變形率可高達原來水平[3]。

第二，軋制力與軋制速度。對金屬坯料變形速率及溫度升高有顯著影響。軋制力一般落在10噸到100噸的范圍內，這主要是由金屬材料的類型和其厚度所決定的。比如說，在軋制力達到50噸的情況下，金屬原料的變形水平是適宜的。然而，過高的軋制力（如超過100噸）可能導致金屬材料的過度變形或破裂。軋制速度通常為數米～數十米/分，軋制速度的提高可使成形時間縮短，但是金屬坯料溫度升高。例如，在軋制速度從每分鐘10米增加到每分鐘30米的情況下，金屬原料的溫度有可能上升到50℃到100℃，這進一步會對其塑性和成型質量產生影響[4]。

第三，模具溫度與金屬坯料初始溫度。對于工藝過程與最終產品組織與性能有明顯的影響。模具溫度通常控制在200℃至400℃之間，適當的模具溫度（如300℃）可以降低金屬坯料與模具之間的摩擦系數，降低了能耗及模具磨損，還利于金屬材料塑性變形流動。金屬原料的起始溫度對其塑性和抗變形能力有直接的影響，通常這些溫度會被限制在材料的再結晶溫度以下，例如對于鋼鐵這類材料，其起始溫度一般落在800℃到1200℃的范圍內。過高或過低的初始溫度都可能導致成形質量的下降，如初始溫度過高（超過1200℃）可能導致金屬材料的過熱和晶粒長大，如果起始溫度過低（低于800℃），可能會導致成型過程變得困難或者成型的質量不是很好。

2 楔橫軋工藝在汽車生產零部件中的創新應用

2.1 楔橫軋工藝在軸類零件生產中的應用

軸類零件是汽車傳動系統、轉向系統及其他關鍵部件中的重要部件，軸類零件的質量與性能對車輛行駛穩定性與安全性有著直接影響。軸類零件的傳統制造方法通常會出現生產效率低下、材料利用率不高、加工精度很難得到保障等諸多問題。而楔橫軋工藝則通過對模具形狀及軋制參數的準確控制，可以實現軸類零件連續、高效、高精度的成形。楔橫軋時，模具采用楔形設計，使金屬坯料軋制時擠壓剪切均勻，達到軸類零件精確成形。同時本工藝材料利用率也很高，可明顯降低材料浪費及加工余量并降低生產成本[5]。另外，楔橫軋工藝可以改善軸類零件表面質量及內部組織性能、提高零件抗疲勞強度及耐磨性以延長零件使用壽命。值得一提的是楔橫軋工藝用于軸類零件制造的創新性也在于復雜形狀尺寸零件制造能力。

2.2 楔橫軋工藝在齒輪類零件生產中的應用

齒輪是汽車傳動系統中最核心的部件，齒輪的精度、強度及耐磨性對汽車行駛性能及使用壽命具有重要意義。傳統的齒輪生產工藝，例如鑄造、鍛造和切削加工，常常面臨著生產效率低、材料利用率低和加工精度難以精確控制等一系列問題。但楔橫軋工藝具有高效、節能和高精度等優點，從而為齒輪類零件制造提供了一種新型解決方案。楔橫軋生產過程中，模具楔形角度及軋制參數的準確設計可實現齒輪形狀及大小的精準控制。該工藝不但能顯著提高齒輪制造精度，而且能使齒輪齒形、齒距等參數達到最優，從而提高齒輪嚙合效率及傳動性能。同時楔橫軋工藝制造齒輪時材料利用率高，可明顯降低材料浪費及加工余量并降低生產成本。另外，楔橫軋工藝用于齒輪類零件制造的另外一個顯著優點是它能顯著地改善齒輪強度與耐磨性。優化軋制參數及模具設計可達到準確控制齒輪內部組織、改善齒輪晶粒度及致密度以提高抗疲勞強度及耐磨性。提高汽車傳動系統可靠性、耐久性。

2.3 楔橫軋工藝在其他汽車零部件生產中的應用探索

在汽車制造業飛速發展的今天，消費者對于汽車性能的要求也越來越高，汽車零部件輕量化、高強度以及復雜形狀已經成為一個重要趨勢。楔橫軋工藝由于其特有的成形優勢及材料節約能力在這種發展趨勢下扮演著愈來愈重要的角色。在汽車零部件生產過程中，楔橫軋工藝廣泛地用于制造連桿、曲軸、凸輪軸及其他多種復雜外形。這類零件幾何形狀通常比較復雜、精度要求較高，常規制造工藝很難滿足生產需要。但是楔橫軋工藝可以在確保零件高精度、高質量的前提下，通過對模具形狀、軋制參數等參數進行精確地控制來達到準確成形這些形狀復雜的零件。另外，楔橫軋工藝用于汽車零部件制造的又一重大探索是發掘輕量化潛力。隨著人們對環保、節能要求越來越高，汽車零部件輕量化已成為一個重要研究領域。楔橫軋工藝可以通過優化模具設計、調整軋制參數等手段達到準確控制零件形狀、尺寸的目的，使零件性能得到保證的前提下達到材料輕量化設計的目的。

3 楔橫軋工藝對材料節約的效果探討

3.1 材料節約的機理分析

楔橫軋工藝應用于汽車零部件制造所表現出的材料節約效果主要來自其特殊的成形機理以及對材料的準確控制能力。其工藝是將模具設計成楔形，使金屬坯料軋制時不斷地，部分地壓縮與剪切，使金屬材料準確地流動與再分布。

第一，金屬坯料的變形程度及形狀可由模具形狀及軋制參數的準確控制來達到。研究指出，楔橫軋工藝相較于傳統的制造方法，可以將材料的浪費率減少大約20%～30%。其主要原因是這種工藝可以避免傳統制造工藝中由于材料過剩或者形狀不夠精確等原因造成材料浪費。舉例來說，在生產如軸類這樣的汽車部件時，楔橫軋技術可以確保部件的形態和大小精確度達到±0.1mm，這大大降低了由于形狀不精確導致的額外加工或廢棄材料的需求。

第二，楔橫軋工藝材料利用率高。此過程通過優化模具設計及軋制參數可明顯降低加工余量及原材料消耗。根據數據顯示，楔橫軋工藝與傳統的鍛造或鑄造方法相比，其材料的使用效率可以增加大約15%～25%。這就意味著生產同樣多的汽車零部件，楔橫軋工藝需要更少的原材料，這樣就可以減少制造成本，減輕環境負擔。

第三，楔橫軋工藝也可以使零件內部組織結構得到優化。通過對金屬材料流動與再分布的精確控制，此工藝可提高其強度與韌性，使其在確保零件性能前提下進一步降低用量。以汽車傳動軸制造為例，楔橫軋工藝可保證零件內部組織結構的均勻致密，進而提高抗疲勞強度及耐久性。這樣既可延長部件使用壽命，又可降低由于部件失效所需換料及費用。

3.2 材料節約的量化評估

量化評估關鍵是要明確楔橫軋工藝材料利用率、加工余量、廢品率與傳統制造工藝之間的區別。第一，關于材料利用率楔橫軋工藝是通過對模具形狀及軋制參數的精確控制，使金屬材料不斷地，局部地壓縮并準確地流動，使材料利用率明顯提高。相比較而言，傳統的制造工藝通常會出現材料過剩或者形狀不夠精確等情況，從而造成材料利用率低下。通過對兩種工藝材料利用率的比較，可直觀評價楔橫軋工藝對材料的節約作用。第二，從加工余量上看，楔橫軋工藝是通過對零件成形過程進行準確控制來減少加工余量和原材料消耗。傳統的制造方法通常需要大量的加工余量以確保零件的精度和性能，這導致了材料的浪費。第三，從廢品率角度來看，楔橫軋工藝采用優化模具設計、調整軋制參數等措施來提高零件制造精度及成形質量以減少廢品率。

3.3 材料節約的經濟效益分析

楔橫軋工藝對汽車零部件生產的材料節約作用不僅在技術層面上顯示出先進性，而且在經濟上也帶來了明顯的收益。下面就這一工藝材料節約的經濟效益做一詳細剖析：

第一，節省原材料成本。楔橫軋工藝以提高材料利用率、降低加工余量等方式直接減少原材料消耗，使原材料采購成本顯著下降。具體而言：與傳統的制造方法相比，楔橫軋技術可以使材料的使用效率增加大約15%～25%。這就決定了同樣的汽車零部件生產過程中楔橫軋工藝需要更少的原料。以某汽車部件生產商為研究對象，實施楔橫軋技術后，其購買原材料的成本相較于之前減少了大約20%。主要原因是材料利用率提高，加工余量降低。

第二，節約生產成本。楔橫軋工藝具有高效成形能力，既縮短生產周期又降低生產過程能耗及人工成本。同時由于本工藝可一次完成復雜形狀零件成型，減少后續加工工序，從而還可降低設備使用及維護費用。具體而言，楔橫軋工藝能有效地提升生產效能，并能將整個生產周期縮減大約30%～40%。有利于汽車制造商對市場需求做出更快速的反應，增強市場競爭力。由于縮短了生產周期，減少了后續加工工序，楔橫軋工藝可明顯降低生產過程能耗及人工成本。根據計算，與傳統的生產方法相比，楔橫軋工藝在制造過程中的能量消耗可以減少大約20%，同時人工成本也可以減少大約15%。楔橫軋過程減少后續處理工序，從而減少設備使用頻率及維護成本。

第三，環境效益與社會責任并重。材料節約在帶來經濟效益的同時，也帶來環境效益、社會責任等正面效果。具體表現在：楔橫軋過程通過對材料流動及成形過程的準確控制，顯著降低材料浪費及廢品率。根據數據顯示，與傳統的制造方法相比，楔橫軋技術可以將廢品率減少大約50%。材料節約是指在減少廢品率和環境污染的前提下，減少自然資源消耗。積極履行社會責任，促進可持續發展可以使汽車制造商獲得消費者及政府的肯定和支持。

4 總結

總之，楔橫軋工藝應用于汽車零部件制造表現出明顯的材料節約效果及經濟效益。楔橫軋工藝具有提高材料利用率、降低原材料及生產成本、縮短生產周期及減少對環境的污染等優點，給汽車制造商帶來較大利潤空間、較強競爭力及長期環境效益。所以，楔橫軋工藝是汽車制造業推廣應用的一種前景廣闊工藝。今后，伴隨著科技的進步與市場的擴大，楔橫軋工藝可望在汽車零部件制造領域扮演更重要角色，給汽車制造業可持續發展帶來新的生機。

參考文獻：

[1]胡正寰，張巍.楔橫軋在汽車等軸類零件上的應用與發展[J].金屬加工（熱加工），2010（5）：13-16.

[2]胡正寰，張巍.汽車零部件制造技術專題——楔橫軋在汽車等軸類零件上的應用與發展[J].金屬加工（熱加工），2010.

[3]王謙，楊松.汽車軸類零件成型新工藝——楔橫軋制[J].汽車工程學報，1994（004）：57-58.

[4]胡正寰，張巍.楔橫軋在汽車等軸類零件上的應用與發展[J].金屬加工（熱加工），2010，05（608）：21-23.

[5]束學道，趙靜，胡正寰.H1400大型楔橫軋機工作機座的結構及設計[J].北京科技大學學報，2006.