楔横轧制

楔横轧模具设计的基本原则在设计楔横轧模具时，一般应遵循下述4个原则或者条件，即对称原则、旋转条件、缩颈条件、疏松条件。

下面就每一原则加以说明：（1）对称原则。

楔横轧模具上的左右两条斜楔，在工艺上希望完全对称。

这样，在轧制过程中模具两边作用于轧件两边的x、y、z三个方向力是对称的，因而轧件不会由于轴向力不等而窜动，也不会由于轧件两边转速不一致而扭曲。

如果轴类件本身在长度上就是对称的，那么只要在制造上与工艺调整上加以注意，就自然地满足这一对称轧制原则。

但是，多数轴类件在长度上是不对称的，为了使作用于轧件两边的力符合对称原则，有4种解决办法：第一种，成对轧制。

将不对称的两个轴类件相对在一起轧制。

这种办法不仅将非对称轴类件变为完全对称的轧制，并且使轧机的生产率提高一倍，但对某些长轴类件，往往受到模具尺寸的限制而无法采用。

第二种，分段对称轧制。

将非对称轴分段用对称楔轧制。

第三种，长棒料预轧楔轧制。

用预轧楔的方法将非对称轴类件变为对称轧制。

第四种，对称力轧制。

可将左右两条斜楔的工艺参数（成形角α与展宽角β）采取不等数值，使其作用于轧件的力，尤其是轴向力尽可能相等的办法。

（2）旋转条件。

设计楔横轧模具时，轧件在模具孔型的带动下能正常地旋转，是楔横轧必须的先决条件。

楔横轧轧件的整体旋转条件，由于问题比较复杂，还写不出判别式。

建议用最不利截面的旋转条件判别式进行判断，其判别式为：tanαtanβ≤d1μ2πdK(1+(d1D1))式中：d1——轧件轧后的直径；D1——轧辊上模具的楔顶直径；dK——轧件的滚动直径。

从旋转条件判别式中可以看出：1) 模具与轧件间的摩擦系数μ越大，旋转条件越好，而且是平方关系的影响。

所以增加摩擦系数μ是保证旋转条件最重要最有效的因素，为此，在楔横轧模具的入口处和斜楔面上均刻有平行于轴线刻痕,这样做可以把热楔横轧的摩擦系数μ从0.2～0.3提高到0.35～0.6。

2) 模具的成形角α、展宽角β、轧件的轧后直径与模具楔顶直径之比d1/D1越小，旋转条件越好，但这些参数还受其他重要条件的限制，调整余地不很大。

科技成果——楔横轧工艺及设备成果简介
楔横轧工艺是一种阶梯轴类零件塑性成形的新工艺，属于现代先进制造技术范围。

两个装有楔形模块的轧辊，以相同方向旋转，带动圆形坯料向相反方向旋转，坯料在楔形模块的作用下，径向压缩，轴向延伸，被轧成所需形状的零件。

该项技术先后获得国家发明奖、国家经委新技术开发奖及冶金部等省部级奖项。

成熟程度和所需建设条件
技术成熟，已经协助企业建设生产线二十多条。

技术指标
通过楔横轧得到的零件毛坯产品内部金属晶粒细化，综合机械性能提高约20-30%。

楔横轧产品表面粗糙度可达12.5，尺寸精度可达±0.10mm。

市场分析和应用前景
批量大的轴类零件成形，如汽车零件，变速箱一轴、二轴及中间轴、后桥主动轴、转向蜗杆轴、双联齿轮坯、同步器锁销、直接杆及球销、半轴等。

拖拉机变速箱一、二、三、五轴、半轴等。

发动机各类凸轮轴。

减速机高速轴、中间轴、主轴等。

摩托车及自行车零件，齿轮轴、花键轴、连杆坯等。

其他还有五金工具制坯、油泵及齿轮泵中轴类零件、电机零件、纺织锭杆、挂浆机零件等。

社会经济效益分析
与常用的成型工艺（铸造、锻造和机械切削）相比，楔横轧工艺
有以下优点：生产率高（每分钟可生产6-20个），材料利用率高（达到90%以上），产品质量提高，改善劳动强度，无冲击少噪音。

将轧制毛坯用于后续工序，将大大缩短甚至可取消粗车工序。

合作方式合作开发、受托开发、技术转让。

浅析阶梯轴类零件楔横轧成形的变形特征摘要建立楔横轧轧制阶梯轴的有限元模型,对楔横轧阶梯轴进行轧制过程的模拟仿真,分析了轧件在展宽段内应力场、应变场的分布情况和轧件变形过程中金属的受力和流动情况,为以后楔横轧理论研究和工艺发展提供了良好的基础。

关键词阶梯轴;楔横轧;分析0 引言楔横轧轧制是一种轴类零件成形新工艺、新技术,具有生产效率高、节材、降低模具成本等优点,是适合专业化、经济化、大批量生产轴类零件的有效工艺手段,其基本工作原理是具有多个楔形模具的轧辊同时对轧件进行径向压缩和轴向延伸的塑性成形。

随着楔横轧工艺技术的发展和广泛应用,急切需要掌握其变形规律,为工艺设汁和生产实际提供指导。

这就需要在物理模拟的基础上,应用有限元仿真对其变形过程进行定量的分析。

本文以阶梯轴类零件为例,应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对阶梯轴类零件的楔横轧成形过程进行仿真模拟,得到轧件的应力场和应变场的分布规律。

1 有限元模型的建立轴类零件楔横轧成形既有径向压缩和轴向延伸,又存在横向扩展,它不但存在材料非线性、几何非线性,而且其边界条件也很复杂。

在建立有限元模型时,只有充分考虑上述多种因素,才能得到成形过程比较真实的描述。

图1所示为阶梯轴类零件楔横轧成形数值模拟采用的有限元模型图[4],其主要工艺参数为:展宽角β=6°,成形角α=28°,轧辊直径D=610mm,坯料直径d。

=40mm,,断面收缩率。

由于轧辊的刚度过大,建模时忽略轧辊的变形,采用刚性壳单元( Shell 163)进行网格划分,轧辊的弹性模量E=210 GPa。

轧件材料为45号钢,假定材料为多段线形弹塑性材料模型,轧件采用八节点实体单元(Solid 164) 进行网格划分,轧件弹性模量E = 90 GPa,泊松比v =0.13,质量密度。

忽略导板存在。

轧件与上下模具采用自动的表面——表面接触模型,轧辊表面为目标面,轧件表面为接触面。

楔横轧阶梯轴模具设计工艺参数主要有：断面收缩率ψ、成形角α和展宽角β。

下面就每一参数的作用加以说明：(1)断面收缩率ψ（又称断面压缩率），是楔横轧中一个基本工艺参数。

断面收缩率ψ为轧件前面积F0减去轧后面积F1与轧前面积之比，即ψ＝(F0-F1)/F0＝(d02-d12)/d02＝1-(d1/d0)2式中：d0——轧件轧前直径；d1——轧件轧后直径。

楔横轧一次的断面收缩率ψ一般应小于75%，否则容易产生轧件的不旋转，螺旋缩颈甚至拉断等问题。

如果轴类件产品直径相差很大，断面收缩率ψ大于75%，一般采用在同一轧辊模具上两次楔入轧制，即每次楔入轧制的压缩率小于75%，两次总压缩率大于75%的方法；在个别情况下，可采用局部堆积（毛坯直径增大）轧制的方法使ψ大于75%。

需要指出的是，断面收缩率ψ小于35%时，若工艺设计参数选择不当，不但轧制尺寸精度不易保证，而且容易出现轧件中心疏松等缺陷。

因为ψ过小时，金属只产生表面变形，轴向没有或基本没有变形，多余的金属在模具间反复揉搓，中心产生拉应力与反复剪应力使中心破坏所致。

对于小的断面收缩率ψ，为避免中心疏松应该选择小的展宽角与大的成形角。

所以说，楔横轧最有利的断面收缩率为：ψ＝50%～65%。

在这个范围的断面收缩率，可以选择较大展宽角轧制。

(2)成形角α是楔横轧模具设计两个最重要、最基本的工艺设计参数之一。

成形角α对轧件的旋转条件、缩颈条件以及轧制压力与力矩都有显著的影响。

一般情况下，α角越大β角越大、旋转条件越差，容易产生缩颈，但中心疏松条件改善。

根据理论与实践，成形角α大多在以下范围内选择：18°≤α≤34°断面收缩率ψ不同时，成形角α应选择不同的数值。

理论与实践告诉我们，一般情况下，ψ越大，越容易产生缩颈和不旋转问题，而不易发生中心疏松，故α应选择较小值。

(3)展宽角β与成形角α一样，是楔横轧模具设计中最重要、最基本工艺设计参数。

展宽角β对轧件的旋转条件、疏松条件、缩颈条件以及轧制压力与力矩都有显著的影响。

楔横轧两个带楔形模的轧辊，以相同的方向旋转，带动圆形坯料旋转，坯料在楔形型的作用下，轧制成各种形状的台阶轴。

这种横轧的变形主要为径向压缩和轴向延伸。

楔横轧指圆柱形坯料在两轧辊的模具间或在两平板模具之间发生连续局部变形，轧制成的零件形状和模具底部型槽的形状一致。

楔横轧大致可以分为两大类:辊式楔横轧和板式楔横轧。

其中，辊式楔横轧的成形原理:形模块的轧辊，模块的作用下，以相同方向旋转，带动圆形坯料向相反方向旋转，两个装有楔坯料在楔形径向压缩、轴??楔横轧而使轧制的零件形状和模具底部型槽的形状一致，如图1-2所示。

板式楔横轧则是在上模板和下模板的相对滑动过程中，借助装在上、下模板的模具，使圆柱形的坯料在径向变形的同时产生轴向变形，加工成与模具型腔形状一致的圆柱形或圆锥形零件，如图1-3所示。

在楔横轧轧制过程中，轧件成形经历了四个阶段，这四个阶段分别对应着楔形模的四个区段，见图1-4。

整个过程如下:楔形模的起始部分使坯料旋转起来并沿圆周方向在坯料上轧出一条由浅至深的V形沟槽，这一部分称为楔入段，(图1-4中L，区段);接着在其后的楔形模将由浅而深、由窄而宽的V形沟槽车L成深度和宽度一样的V形沟槽，这一部分称之为楔入平整段(图1-4中L2区段);随后楔形模使V形沟槽扩展，这一部分称为展宽段(图1-4中L:区段)，这是轧件的主要变形区段;最后是精整段(图1-4中L;区段)，对轧件进行整形，以提高轧件的外观质量和尺寸精度。

与传统的锻造或切削工艺相比，楔横轧工艺有如下优点}4}: (1)生产效率高，通常是其它工艺的5-20倍。

如果产品的几何形状不太复杂，那么使用对称模具一次就可以加工一对工件。

在实际生产中，轧辊的转速通常为10-30rpm,那么每分钟至少可以轧制10--30个工件。

（2)材料利用率高。

通常，在传统机械加工中（例如切削加工)约有40%的材料以切屑的形式浪费掉，而在楔横轧工艺中仅有不足10%的材料浪费掉。

楔横轧和模锻技术一、分析楔横轧和模锻加工的区别1、定义概述：1）楔横轧：利用上下两个带有一定要求的楔形轧辊，以相同的方向旋转，带动加热的圆形坯料在楔形间反向旋转，发生径向压缩和轴向拉伸，轧制成与轧辊模具型槽一致的台阶轴，这种加工就叫楔横轧制。

楔横轧的类型有辊式楔横轧和板式楔横轧，以上定义为我厂使用的辊式楔横轧。

板式楔横轧类似，是上下模板的相对滑动，使圆柱形的坯料在径向变形的同时产生轴向变形，加工成与模具型腔形状一致的圆柱形或圆锥形零件。

另外还有单棍弧形式楔横扎（缺点较多，调整难度最大，不建议使用）。

2）模锻：利用模具在压力的作用下，使坯料在模具型腔中发生变形，获得锻件的方法称之为模锻。

模锻又分为开式模锻和闭式模锻，一般用于生产重量不大、批量较大的零件。

2、比较对比楔横扎和模锻加工，以下从人员要求、设备使用、材料使用（包括产品特点）、加工方法和工艺要求以及加工现场环境、发展现状等方面进行比较。

1）人员技能楔横扎：楔横轧加工过程对模具工技能的要求非常高，安装、调整和修理必须是具备多年经验的人员才可操作；模锻：模具安装快捷，对人员技能要求并不严格；2）设备使用楔横扎：由于工作载荷小，所用设备重量轻，吨位、体积比较小，投资省，同时模具寿命也比较长；模锻：多为重型设备3）材料使用和产品特点楔横轧：楔横轧对料段长度要求控制严格；轧制产品内在质量高，金属流线性好、晶粒得到细化，由于楔横轧是连续局部成形，所以作用在模具上的力比较小，同时热应力也比较低，保证了毛坯的金属纤维成流线型，但是加工局限于圆形截面的轴类件。

模锻：楔横轧对料段重量要求控制严格；通过锻造能够消除金属在冶炼过程中产生的疏松等缺陷，优化微观组织结果，保证了完整的金属流线，使锻件具有了良好的力学性能和使用寿命，且锻造可加工的产品多样，所以各类机械中负载高、工作条件复杂的零部件主要采用锻造加工。

4）加工和工艺特点楔横轧：生产效率高，但是产品局限于轴类阶梯轴，适用于生产批量大的轴类零件；由于楔横轧工艺的变形过程是连续不断前进的过程，坯料从楔横轧机的一端送进，另一端自动被轧出，实现流水作用，具备实现自动化生产的条件。

楔横轧技术的开展与展瞧用两个装在同向旋转的轧辊上的楔形模具，在楔形模具的楔形凸起的作用下带动轧件旋转，并使毛坯产生连续局部小变形，最终轧制成楔形孔型的各种台阶轴。

楔横轧的变形要紧是径向压缩，轴向延伸。

图1楔横轧原理图2楔横轧方式楔横轧工艺特点:1)具有高的生产效率:生产效率可达10件/分钟；2)材料利用率高:材料利用率可达90%以上；3〕模具寿命高:模具寿命是模锻工艺模具寿命的10倍以上；4〕产品质量好:产品精度可达钢质模锻件国家标准中的周密级，直径方向可达±±0.5mm。

楔横轧工艺要紧适用于带旋转体的轴类零件的生产，如汽车、拖拉机、摩托车、内烧机等变速箱中的各种齿轮轴、发动机中的凸轮轴、球头销等。

它不仅能够代替粗车工艺来生产各种轴类另件、而且亦能够为各种模锻零件提供周密的模锻毛坯。

一般一种产品的经济规模批量应到达年产7万件以上.。

早在十九世纪，人们就开始探讨用楔横轧的方法生产轴类零件，然而由于当时技术的限制一直使此项工艺未能用于生产。

直到上世纪六十年代，随着捷克斯洛伐克在莱比锡国际博览会上的展出，才引起了世界各国科学工作者的广泛重视，从而使楔横轧技术成为世界上众所周知的轴类零件加工新工艺。

之后，英德日本以及前苏联等国相继对此技术进行开发研究，不仅从其变形机理，而且在工艺参数、装备上也进行了广泛的实验研究，取得了一定的成果，并不断运用于工业生产之中。

目前，国外用楔横轧工艺生产的轴类另件己达百种，其工艺装备也得到了长足开展我国从1963年起，国内几所大学及科研院所就开始进行了这方面的探讨与试验工作，直到上世纪七十年代初才获得了汽车球头销的楔横轧工艺的初步成功。

到八十年代未九十年代初，象木凿、五金扳手毛坯等较简单零件才逐步用于工业生产。

随着对楔横轧技术的不断深进研究、使此项技术得到了不断开展，从而也使其越来越得到了工业企业的广泛重视。

目前，国内至少建立了几十条楔横轧生产线，用此工艺生产的零件也有近百种，如汽车齿轮箱中的一轴、二轴、中间轴，发动机中的凸轮轴等零件以及为连杆、汽车半轴提供周密锻坯等。

楔横轧机工作原理
楔横轧机是一种常用的金属加工设备，主要用于对金属材料进行横向轧制。

它的工作原理是利用楔形结构和机械力对金属材料进行压制和变形，从而实现所需的加工效果。

楔横轧机的工作原理可以简单描述为以下几个步骤：
1. 准备工作：首先需要将待加工的金属材料放置在楔横轧机的工作台上，并根据加工要求调整好机械参数，如轧辊间距、轧辊角度等。

2. 上辊压下：楔横轧机的上辊通过电机或液压系统提供的动力向下施加压力，将金属材料夹紧在上下两个轧辊之间。

3. 轧辊转动：当金属材料被夹紧后，楔横轧机的上、下两个轧辊开始旋转，产生相对运动。

轧辊的旋转速度和方向可以根据加工要求进行调整。

4. 材料变形：随着轧辊的旋转，金属材料在轧辊的作用下逐渐变形。

楔形结构的设计使得轧辊之间的间隙逐渐变小，从而实现对金属材料的压制和变形。

5. 连续轧制：楔横轧机通常具有连续轧制的特点，即金属材料在轧辊的作用下不断通过，实现连续的加工效果。

这种设计可以提高生产效率，减少工艺中的中间步骤。

6. 完成加工：当金属材料通过楔横轧机的轧制后，可以得到所需的加工效果，如减小材料截面、调整材料形状等。

根据加工要求，可能需要进行多次轧制，直到达到预期的加工效果为止。

总结起来，楔横轧机通过楔形结构和机械力对金属材料进行压制和变形，实现对金属材料的横向轧制加工。

其工作原理简单明了，通过上辊压下、轧辊转动和材料变形等步骤，将金属材料连续地通过楔横轧机，从而得到所需的加工效果。

楔横轧机在金属加工行业中有着广泛的应用，可以满足不同材料和加工要求的需要。

山东省莱芜市楔横轧厂简介莱芜市楔横轧制厂始建于1987年，是我国最早建成的楔横轧轴类零件专业化工厂，技术水平居国内同行业领先地位,是山东省高新技术企业、专利明星企业。

现有职工600人,专兼职大专以上人员148人，高级技术人员43人，其中工程院院士1人。

占地面积40000m2，建筑面积18000m2，拥有固定资产2600万元，流动资产1800万元，资产负债率47%，银行资信等级AA级。

主要生产设备：H630、H800、H1000楔横轧轴类件生产线各2条，H1400楔横轧轴类件生产线1条，凸轮轴加工生产线1条，各种机加工设备40多台套，以及等温正火线1条，检测化验设备1套。

轧制生产的主要产品有轿车、重型汽车用齿轮轴、凸轮轴、油泵轴以及各种变速箱齿轮轴。

产品销往山东、辽宁、黑龙江、江西、安徽、上海等十几个省市和地区。

企业设有技术开发中心，技术人员123人，其中中级职称71人，高级职称20人。

主要研制开发了单缸、多缸发动机凸轮轴，变速箱齿轮轴、84式火箭弹喷管等产品，我厂与北京科技大学、上海内燃机研究所已建立了长期的合作关系，并先后与北科大研制了“楔横轧轴类毛坯”、“低温轧制高强度”、“楔横轧精密轧制工艺”以及自行研制的“楔横轧轴类件辊压式矫直机”、与上海内燃机研究所共同研制的“复合式中空凸轮轴”等项目，获得了国家发明专利和实用新型专利。

其中“复合式中空凸轮轴”被市政府评为优秀高新技术项目。

几年来，企业注重以科技为先导、以人才求发展，不断极大科技投入，集中力量进行新产品、新技术的研究开发及成果转化工作，先后荣获首届中国金榜技术与产品博览会金奖、农业部科技奖、星火计划奖、市科技进步奖等奖励。

企业有较强的技术开发能力，生产技术达到国内领先水平。

莱芜市楔横轧轴类件厂2003年3月。