楊千華，薛 春，楚志兵，秦建新，黃賢安，周新亮，姬亞鋒，拓雷鋒

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024;2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 前言

軌道交通是我國制造業(yè)重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，車軸是鐵路車輛關(guān)鍵零部件，市場需求量大。為了提高生產(chǎn)效率，采用楔橫軋制技術(shù)制備大型車軸零部件正成為車軸制造企業(yè)的追求和核心技術(shù)。

楔橫軋(Cross wedge Rolling，CWR)技術(shù)是生產(chǎn)軸類零件的先進(jìn)成形技術(shù)，通常為板式楔橫軋、二輥楔橫軋和三輥楔橫軋。此技術(shù)被廣泛應(yīng)用于制造汽車、拖拉機(jī)、工程、鉆井、煤礦等機(jī)械用的大型軸類零件生產(chǎn)[1-7]。楔橫軋生產(chǎn)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢:成形零件精度高、余量少、節(jié)材率高，可大幅提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，成品光潔度高、性能好;工作載荷下降90%以上，模具壽命可提高近10倍，生產(chǎn)過程無沖擊、低噪音、無污染，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但其缺點(diǎn)也比較明顯，模具復(fù)雜、安裝調(diào)試時(shí)間長、工藝調(diào)整難度大[8-9]。因此該工藝通常用于生產(chǎn)制造大批量、少品種的軸類零件。

隨著社會需求不斷變化，軸類零件的規(guī)格和材質(zhì)也在發(fā)生改變。大型車軸作為鐵路車輛關(guān)鍵零部件，隨著鐵路、城市地鐵以及大型工程機(jī)械的發(fā)展，對大型軸類件的需求快速增長。但目前其成形方式基本為自由鍛、精鍛成型等，存在材料利用率低、效率低和生產(chǎn)成本高等問題[10-14]。

基于此，本文提出使用楔橫軋技術(shù)生產(chǎn)大型軸類零件，對雙機(jī)聯(lián)動(dòng)的大型軸類楔橫軋裝備及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對軋機(jī)本體、軸向竄動(dòng)裝置、預(yù)應(yīng)力裝置和導(dǎo)衛(wèi)裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)定型，介紹了其工作原理及關(guān)鍵作用，并對部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。大型軸類楔橫軋機(jī)研發(fā)的成功為大型軸類零件的生產(chǎn)提供了可靠高效的裝備，實(shí)現(xiàn)了大型軸類零件的快速制造，為增加我國裝備制造國際范圍的競爭力做出貢獻(xiàn)。

1 工作原理

楔橫軋技術(shù)如圖1所示。軸類零件的規(guī)格和材質(zhì)如圖2所示。楔橫軋(CWR)技術(shù)是將加熱后的金屬棒材送入兩個(gè)同向運(yùn)動(dòng)的帶有楔形突起的模具中間，棒材在模具帶動(dòng)下做反向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)材料發(fā)生徑向壓縮變形和軸向延伸變形，經(jīng)過軋機(jī)軋制，棒材成為階梯軸類零件，如圖3所示為不同模具下板式楔橫軋技術(shù)生產(chǎn)與仿真。

圖1 常用的楔橫軋(CWR)技術(shù)

圖2 楔橫軋技術(shù)生產(chǎn)的軸類零件

圖3 不同模具下板式楔橫軋技術(shù)生產(chǎn)與仿真

輥式楔橫軋機(jī)的工作原理如圖4所示，兩個(gè)帶楔形模具的軋輥同向旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)金屬棒材反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)軋件在楔形模具的作用下，直徑壓縮且軸向延伸，成為階梯軸類零件[15-18]。

圖4 輥式楔橫軋機(jī)的工作原理

2 裝備設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為適應(yīng)生產(chǎn)需求，提出采用雙機(jī)聯(lián)動(dòng)的楔橫軋機(jī)制備大型軸類零件，并且優(yōu)化了軋機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軸類零件的快速高效生產(chǎn)。此軋機(jī)模具的最大外徑可達(dá)1 800 mm，軋件最大直徑為225 mm。本軋機(jī)采用雙機(jī)架串聯(lián)排列，可實(shí)現(xiàn)軋件兩道次精確軋制，其三維模型如圖5所示，第一架軋機(jī)由功率為590 kW的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其正常軋制溫度可達(dá)到1 100 ℃，軋制力為3 300～4 650 kN，單輥軋制力矩為890～1 330 kN·m；第二架軋機(jī)由功率為640 kW的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其正常軋制溫度為1 050 ℃，軋制力為3 600～5 400 kN，單輥軋制力矩為970～1 460 kN·m。兩架軋機(jī)的軋輥轉(zhuǎn)速均為3 r/min。軋機(jī)的力能參數(shù)如表1所示。

圖5 楔橫軋機(jī)的三維模型

表1 軋機(jī)的力能參數(shù)

該軋機(jī)可以根據(jù)產(chǎn)品軋制規(guī)格，快速更換軋輥模具，更換時(shí)間從傳統(tǒng)的2天縮減至0.5天，滿足不同規(guī)格產(chǎn)品軋制節(jié)奏的需求，提高產(chǎn)品的外形尺寸與精度，實(shí)現(xiàn)對軋制力、預(yù)應(yīng)力、導(dǎo)板力以及軋輥橫向力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測及調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)大型軸類零件楔橫軋過程的控制。

2.1 軋機(jī)結(jié)構(gòu)

軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖6所示，包括主傳動(dòng)裝置、牌坊、蝸輪蝸桿壓下裝置、軸向竄動(dòng)裝置和導(dǎo)衛(wèi)裝置等部分,如圖7所示。主傳動(dòng)裝置包括電機(jī)、減速器和分速箱，如圖7a所示。分速箱的輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與軋機(jī)的傳動(dòng)軸連接，實(shí)現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)。蝸輪蝸桿壓下裝置安裝在牌坊上端，壓下螺絲的端部設(shè)置在壓緊套內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)蝸輪蝸桿壓下裝置與上軸承座的連接，如圖7c所示。導(dǎo)衛(wèi)裝置通過固定架側(cè)面的螺釘與牌坊連接，以增強(qiáng)導(dǎo)板座在軋制過程中的穩(wěn)定性，如圖7d所示。

圖6 軋機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 各結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 軸向竄動(dòng)裝置

如圖8所示為軸向竄動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，軸向竄動(dòng)裝置包括輥系裝配、軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)。輥系裝配有下軸承座、軸承、軋輥輥軸以及軋輥輥身等，如圖8a所示。軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖8b所示，傾斜滑塊設(shè)置在竄動(dòng)調(diào)整塊上的傾斜滑槽內(nèi)，竄動(dòng)調(diào)整塊在上下方向進(jìn)行反向移動(dòng)來推動(dòng)傾斜滑塊左右移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輥系裝配的軸向竄動(dòng)。在竄動(dòng)調(diào)整塊靠近牌坊的一側(cè)設(shè)置有限位滑塊，在牌坊上設(shè)置與限位滑塊對應(yīng)的限位滑槽，竄動(dòng)調(diào)整塊的下端鉸接有竄動(dòng)液壓缸，竄動(dòng)液壓缸的另一端鉸接在牌坊上，用以驅(qū)動(dòng)竄動(dòng)調(diào)整塊上下滑動(dòng)。鎖緊機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在竄動(dòng)調(diào)整塊的外側(cè)通過螺釘固定連接有帶有鎖緊斜面的滑板，在竄動(dòng)調(diào)整塊的外側(cè)設(shè)置有鎖緊塊，在鎖緊塊上設(shè)置有與滑板相貼合的帶有鎖緊斜面的滑板，通過滑板壓緊滑板實(shí)現(xiàn)對竄動(dòng)調(diào)整塊的鎖緊，最終使傾斜滑塊座壓緊下軸承座，實(shí)現(xiàn)對下軸承座的鎖緊。在鎖緊塊上設(shè)置有多個(gè)鎖緊滑槽，在牌坊上設(shè)置有多個(gè)與鎖緊滑槽相對應(yīng)的鎖緊螺栓，限制鎖緊塊只能沿鎖緊滑槽的方向進(jìn)行滑動(dòng)。在鎖緊塊的下端鉸接有鎖緊液壓缸，鎖緊液壓缸的一端與鎖緊塊鉸接，另一端鉸接在牌坊上。

圖8 軸向竄動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 預(yù)應(yīng)力裝置

如圖9所示為預(yù)應(yīng)力裝置示意圖，其包括牌坊、軸承座、壓下組件和平衡組件。壓下組件包括兩個(gè)壓下液壓缸，平衡組件包括兩個(gè)平衡液壓缸，在對應(yīng)的軸承座之間設(shè)置有預(yù)應(yīng)力液壓缸。壓下液壓缸、平衡液壓缸和預(yù)應(yīng)力液壓缸均連接有壓力傳感器。壓力傳感器、信號放大器、PLC控制器與液壓控制系統(tǒng)依次連接，通過閥組控制壓下液壓缸、平衡液壓缸和預(yù)應(yīng)力液壓缸。

圖9 預(yù)應(yīng)力裝置示意圖

如圖10所示為預(yù)應(yīng)力裝置的工作原理圖，圖10a所示為預(yù)應(yīng)力裝置的控制原理，信號放大器可將各液壓缸的壓力值放大，PLC控制器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、篩選、優(yōu)化處理，計(jì)算出調(diào)整幅度，向液壓控制系統(tǒng)發(fā)出信號，調(diào)整各液壓缸的輸出壓力及行程。圖10b所示為預(yù)應(yīng)力裝置的力學(xué)原理，設(shè)單個(gè)預(yù)應(yīng)力液壓缸輸出的預(yù)應(yīng)力為F預(yù)，單個(gè)壓下液壓缸的最大承受載荷為F壓，單個(gè)平衡液壓缸輸出的拉力為F平，工件軋制過程中對上軋輥施加的軋制力為F軋。為了能夠讓牌坊始終承受不變的預(yù)應(yīng)力，需要始終保持2F壓為恒定值，而2F壓=4F預(yù)+2F平+F軋，且F平始終為恒定值。在軋制之前，預(yù)應(yīng)力液壓缸對上軸承座施加預(yù)應(yīng)力F預(yù)，預(yù)應(yīng)力F預(yù)最終經(jīng)過上軸承座和壓下液壓缸傳遞至牌坊，達(dá)到對牌坊施加預(yù)應(yīng)力的目的，此時(shí)2F壓=4F預(yù)+2F平，F(xiàn)軋=0。在正常軋制過程中，牌坊不僅要承受預(yù)應(yīng)力F預(yù)，還要承受工件軋制過程中對上軋輥施加的軋制力F軋，而2F壓=4F預(yù)+2F平+F軋，為了使牌坊始終承受不變的預(yù)應(yīng)力，PLC控制器需要及時(shí)根據(jù)軋制力F軋的變化，調(diào)整預(yù)應(yīng)力F預(yù)的大小，且軋制力F軋?jiān)鲩L的幅度與4F預(yù)減小的幅度完全一致，如圖10c所示，從而確保牌坊始終承受不變的預(yù)應(yīng)力。當(dāng)軋制力超載后，即2F壓

圖10 預(yù)應(yīng)力裝置工作原理圖

2.4 導(dǎo)衛(wèi)裝置

如圖11所示為導(dǎo)衛(wèi)裝置示意圖，導(dǎo)衛(wèi)裝置包括安裝座，在兩個(gè)安裝座內(nèi)共同安裝有橫拉桿，橫拉桿上套裝有導(dǎo)板座，在導(dǎo)板座外側(cè)設(shè)置有鉸接耳，在鉸接耳上鉸接有導(dǎo)衛(wèi)液壓缸，在導(dǎo)板座的上表面設(shè)置有導(dǎo)板槽，導(dǎo)板槽和鉸接耳分別位于橫拉桿的兩側(cè)，在導(dǎo)板槽內(nèi)設(shè)置導(dǎo)板，導(dǎo)板座通過螺栓與導(dǎo)板連接，在導(dǎo)板上設(shè)置有螺栓滑槽，在導(dǎo)板外側(cè)的中部裝有螺栓限位塊，螺栓限位塊固定連接在緊固螺栓的端部，緊固螺栓與導(dǎo)板槽的外側(cè)壁螺紋連接，在導(dǎo)板與導(dǎo)板槽的外側(cè)壁之間設(shè)置有墊塊，墊塊通過螺釘與導(dǎo)板座連接，墊塊與導(dǎo)板之間設(shè)置有二號壓力傳感器，在導(dǎo)板的內(nèi)側(cè)端通過螺栓連接有導(dǎo)板條，在導(dǎo)板座左右兩側(cè)的上下表面均設(shè)置有固定架，固定架的側(cè)面通過螺釘與牌坊連接，以增強(qiáng)導(dǎo)板座在軋制過程中的穩(wěn)定性。

圖11 導(dǎo)衛(wèi)裝置示意圖

3 強(qiáng)度校核

3.1 牌坊

采用有限元軟件對牌坊進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定牌坊為變形體，牌坊材料選用鑄鋼件，楊氏模量為206 kN/mm2，泊松比為0.3。邊界條件設(shè)定為牌坊下端固定，加載力為500 t，分別將力加載在壓下螺母安裝的臺階面及對應(yīng)下端面，如圖12a所示。設(shè)置牌坊為四面體網(wǎng)格類型，在受力區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)化，如圖12b所示，計(jì)算結(jié)果如圖12c所示。

圖12 牌坊的有限元校核

綜合有限元計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓下螺母安裝的臺階面部分，局部應(yīng)力最大達(dá)到82.8 MPa，通常牌坊材質(zhì)為鑄鋼件，σb=550 MPa，故牌坊強(qiáng)度滿足要求。

3.2 壓下絲杠螺母

采用有限元軟件對壓下絲杠螺母進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定壓下絲杠螺母均為變形體，壓下絲杠材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼，楊氏模量為206 kN/mm2，泊松比為0.3，壓下螺母材料選用黃銅，楊氏模量為106 kN/mm2，泊松比為0.324。邊界條件設(shè)定為壓下螺母外表固定面，加載力為500 t，將力加載在壓下絲杠端面上，如圖13a所示。設(shè)置壓下絲杠螺母為四面體網(wǎng)格類型，在受力區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)化，如圖13b所示，計(jì)算結(jié)果圖13c所示。

圖13 壓下絲杠螺母的有限元校核

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)應(yīng)力在螺母螺紋沿軸向分布較為均勻，等效應(yīng)力最大的位置為壓下螺母第一個(gè)螺紋處，局部應(yīng)力最大達(dá)到80 MPa，通常螺母材質(zhì)為黃銅，σb=170 MPa，故壓下螺母強(qiáng)度滿足要求。

3.3 軸承座

采用有限元軟件對軸承座進(jìn)行計(jì)算，設(shè)定軸承座為變形體，軸承座材料選用鑄鋼，楊氏模量為206 kN/mm2，泊松比為0.3。邊界條件設(shè)定為軸承座帶孔端面固定，加載力為500 t，將力加載在軸承座內(nèi)圈半圓面，如如圖14a所示。設(shè)置軸承座為四面體網(wǎng)格類型，在受力區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)化，如圖14b所示。計(jì)算結(jié)果如圖14c所示。

圖14 軸承座的有限元校核

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)力最大的地方為軸承座上表面尖部，局部應(yīng)力最大達(dá)到62.9 MPa，故軸承座強(qiáng)度滿足要求。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)大型軸類零件的快速生產(chǎn)，本文詳細(xì)設(shè)計(jì)了雙機(jī)聯(lián)動(dòng)的大型軸類楔橫軋裝備，重點(diǎn)對軋機(jī)本體、軸向竄動(dòng)裝置、預(yù)應(yīng)力裝置和導(dǎo)衛(wèi)裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)定型，介紹了其工作原理及關(guān)鍵作用，并對部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。大型軸類楔橫軋機(jī)研發(fā)的成功為大型軸類零件的生產(chǎn)提供了可靠高效的裝備，實(shí)現(xiàn)了大型軸類零件的快速制造，為增加我國裝備制造國際范圍的競爭力做出貢獻(xiàn)。