蔣飛，孟非然，趙升噸，高景洲，費亮瑜，馮智彥，王永飛

塑性成形

軸類件復雜型面高效精密滾軋工藝及設備研究現(xiàn)狀分析

蔣飛1，孟非然2，趙升噸1，高景洲1，費亮瑜1，馮智彥1，王永飛1

（1. 西安交通大學 機械工程學院，西安 710049；2. 航天推進技術研究院，西安 710100）

工業(yè)實際中存在著量大面廣的花鍵軸、螺釘、絲杠、蝸桿等軸類零件，采用傳統(tǒng)切削的加工方法處理其表面復雜的形狀，存在著生產效率低、材料浪費嚴重、表層材料纖維被切斷、力學性能差等不足，而高效精密高性能的滾軋成形工藝及設備是解決上述切削加工難題的有效途徑。系統(tǒng)深入地論述了軸類件復雜型面高效精密滾軋中4種典型工藝的原理、設備基本組成及其工作過程，以及工業(yè)實際中工藝典型產品現(xiàn)狀，4種典型工藝包括平板滾軋、切向滾軋、徑向進給滾軋以及軸向進給滾軋成形，并進一步分析這4種典型工藝各自的特性，從而為上述4種工藝及設備在工業(yè)實際中推廣與應用奠定基礎。

軸類零件；滾軋成形；設備

表面帶有螺紋、鍵槽和齒形等結構的軸類零件是機械裝備中用于連接、傳動及轉換運動形式的基礎零部件，在汽車、機床、工業(yè)機器人和航空航天等領域有著廣泛的應用[1]。常用的軸類零件有花鍵軸、螺釘、絲杠、蝸桿等，如圖1所示。緊固螺釘在起連接作用時承受著抗拉和扭矩，直接影響裝備的安全運行[2]；花鍵軸在起傳動作用時，軸類零件傳遞轉矩，將動力源傳遞至裝備的執(zhí)行機構，對裝備有著重要的作用[3]；蝸桿、絲杠在起轉換運動關系時，又對裝備運行時的精度起關鍵作用[4]。總之，此類零件的制造工藝水平和質量直接影響著機械裝備運行時的可靠度、壽命和精度。

隨著國內“中國制造2025”目標的提出，我國各類工業(yè)對此類軸類零件的數量和質量勢必提出更高的要求。傳統(tǒng)加工通常采用車削、銑削等減材成形工藝對其進行加工成形，通常在加工后會使零件表面金屬纖維被破壞，造成零件的質量降低，而且產生的切屑會造成大量浪費，因此傳統(tǒng)的減材成形工藝難以滿足如今制造業(yè)提出的需求和發(fā)展[5—6]。冷滾軋技術由美國安德森庫克（Anderson-Cook）公司于20世紀50年代研制成功，美國、西德在60年代將滾軋技術用于花鍵生產。70年代后，一些工業(yè)發(fā)達的國家相繼引進或開發(fā)了精密冷滾軋技術，并在規(guī)模生產汽車、摩托車和家電等產業(yè)中得到大量應用[7]。滾軋加工是指一個或者多個同向旋轉的、具有一定形狀（螺紋、花鍵或齒輪）的滾軋模具，在摩擦力的作用下帶動零件旋轉，使之發(fā)生金屬流動和塑性變形，并與模具貼合后成形的一種塑性加工方式。

文中對用于加工此類零件的平板滾軋成形工藝、切向滾軋成形工藝、徑向進給滾軋成形工藝和軸向進給滾軋成形工藝等4種滾軋成形工藝的原理和特點進行分析介紹，并對其各自對應的生產設備結構和產品現(xiàn)狀進行探討，為此類軸類零件的高效高精密生產提供一定的參考。

圖1 軸類零件示意[1]

1 平板滾軋成形

1.1 工藝原理

平板滾軋成形的工藝原理如圖2所示，平板模具上下平行對稱分布在待成形坯料的兩側，同時以速度大小相同而方向相反的方式運動，隨著模具軋入段齒高（螺紋、鍵槽）逐漸增加，模具壓入坯料表面，在摩擦力和徑向力作用下帶動坯料旋轉，并產生大量周向和徑向的金屬流動，從而形成花鍵、螺紋等結構[8—9]。一般情況下平板滾軋成形工藝可以加工螺釘、花鍵等軸類零件，生產效率高，但是該工藝模具制造困難，所需載荷大，適用于批量生產小尺寸軸類零件[10—11]。

圖2 平板滾軋成形

1.2 設備基本組成

平板滾軋設備，又叫搓絲機，或平板式楔橫軋機，根據軸線位置可分為傾斜式設備和水平式設備。傾斜式設備工作時，由料斗將豎直的坯料傾斜，然后插入往復運動的搓絲板中，也可以安裝兩組搓絲板同時往復工作。螺釘、螺栓等緊固件加工一般采用傾斜式，只需一組平板模具做往復運動進行加工[12]。相對傾斜式結構設備，水平式結構設備可提供更大的載荷，因此成形零件精度較高，花鍵等具有齒形表面的軸類零件多用水平式結構，并且兩組平板模具同時往復直線運動[13]。

平板滾軋設備基本原理如圖3所示，這是一種水平式平板滾軋設備，在上下兩塊相向平行的軋板上固裝相同的平板模具，輔助機架上設有導軌槽，導軌與導軌槽滑動配合，軋制力由上下軋板和機架支撐。下軋板由油缸的活塞帶動作往復運動，并通過齒圈和齒條帶動上模板同步相向滑動，實現(xiàn)兩組平板模具同時做往復直線運動，或上軋板由油缸活塞帶動做往復運動，而下軋板固定在機架上，實現(xiàn)一組平板模具做往復運動。

隨著節(jié)能、減耗目標的出現(xiàn)，以及伺服電機技術的發(fā)展，對設備運行產生的環(huán)境影響提出了更高的要求，平板滾軋設備中驅動平板模具的往復運動開始使用伺服電機和滾珠絲杠副的配合來實現(xiàn)，比如天津大學設計的漸開線花鍵冷搓成形設備[15]。

1.油缸；2.軋板；3.輔助機架；4.主機架；5.齒條（上下左右對稱）；6.齒圈（左右對稱）；7.導軌槽（上下左右對稱）；8.導軌

1.3 典型產品現(xiàn)狀

具有代表性的平板滾軋設備生產廠家有美國的安德森·庫克（Anderson-Cook）公司和日本的株會社不二越（NACHI）公司。Anderson-Cook公司針對花鍵平板滾軋工藝設計生產出液壓驅動水平式搓絲機200系列、電機驅動水平式搓絲機300E系列和電機驅動立式搓絲機300V系列。200系列采用單向液壓驅動，整體機架使用剛性鑄鐵設計，而隨后推出的300E系列采用電機驅動，從而消除了液壓系統(tǒng)，節(jié)省了空間，增加了對機器速度、加速度和沖程的控制。300V系列采用雙伺服電機直接驅動，取消了復雜的機械傳動機構，提高了傳動效率。圖4a—b分別為水平搓絲機370E和立式搓絲機350V，其具體參數如表1所示。

圖4 美國安德森·庫克（Anderson-Cook）公司平板滾軋設備[16]

表1 美國安德森·庫克（Anderson-Cook）公司平板滾軋設備具體參數

Tab.1 Specific parameters of the flat rolling equipment of Anderson-Cook, America

NACHI公司針對平板滾軋工藝開發(fā)了立式搓絲機PFM系列和水平搓絲機PFL系列，如圖5a和5b所示，2個系列都通過高剛度的機架結構和優(yōu)化滾動條件實現(xiàn)了高精度加工，通過使用不同的平板模具可加工出蝸桿、螺紋、花鍵等軸類零件。立式搓絲機PFM系列可加工最大直徑為40 mm，最大模數為1.3的零件，最大滑動行程為1200 mm，質量為14.5 t。水平搓絲機PFL系列可加工最大直徑為50 mm，最大模數為1.75的零件，最大滑動行程為1600 mm，質量為18 t。

圖5 日本株會社不二越（NACHI）公司平板滾軋設備[17]

1.4 平板滾軋成形方式的特性分析

從工藝方面來說，平板滾軋成形加工精度較低，所需載荷較大，很難實現(xiàn)大直徑工件的加工，多用于小直徑螺釘、花鍵軸的加工。

從設備方面來說，平板滾軋設備分為立式和臥式，其中臥式可加工的工件直徑范圍和成形力都較大。實際產品多采用一個模具固定而另一個模具往復運動的形式，驅動方式分為液壓缸驅動和伺服電機驅動，現(xiàn)在多采用伺服電機驅動的方式。

2 切向滾軋成形

2.1 工藝原理

若將上述平板滾軋成形工藝中的兩個平板模具有齒形的表面朝外彎曲成一個圓，圓心與軸類零件坯料圓心對齊，那么此時2個輪式模具由原來的以速度大小相同而方向相反做平行相對運動，變成了同速、同向的旋轉運動，這就是切向滾軋成形，如圖6所示[17]。成形過程原理類似于傳統(tǒng)的橫軋，隨著模具上的齒高（螺紋、鍵槽）沿圓周方向逐漸增加，模具壓入坯料表面，在摩擦力和徑向力作用下帶動零件旋轉并發(fā)生大量的周向和徑向的金屬流動，表面形成花鍵、螺紋和齒輪等結構。在該工藝過程中2個滾軋模具之間的中心距固定[18]。一般來說，切向滾軋工藝所要求的模具需要在圓形模具表面形成高度逐漸增加的齒形，或者具有凹槽，所以其模具結構較復雜，制造困難，而且所需載荷較大[19]。

圖6 模具中心距不變的切向滾軋成形工藝

2.2 設備基本組成

切向滾軋成形設備又叫輥式楔橫軋機，通過2.1節(jié)對平板滾軋成形工藝原理分析可知，這種設備原理與平板式楔橫軋機原理類似，只不過將油缸活塞驅動平板模具的往復運動變成了由電機驅動模具進行旋轉運動。切向滾軋成形設備從機床結構上分為臥式和立式，其中臥式多用于加工直徑小、長度較短的軸類零件，而大型軋機多采用立式。

如圖7所示的一種立式雙輥楔橫軋機[20]，主要由驅動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成。電機通過組合式離合器和傳動箱分別驅動上下2個模具同向、同速旋轉，整體的結構較為緊湊，方便調整。為了滿足加工不同直徑范圍的零件，通常切向滾軋成形設備都具有輥距調整機構，此設備采用電機驅動絲杠運動從而實現(xiàn)上軋輥的升降運動，從而達到對中心距調節(jié)的目的。

1.傳動箱；2.齒形聯(lián)軸器；3.上軋輥；4.輥距調整機構；5.自動送料機構；6.右機架；7.拉桿；8.底座；9.下軋輥；10.徑向擋料板；11.左機架；12.制動器；13.組合式離合器

北京機電研究所將偏心調整機構應用到輥距調整機構中，可以實現(xiàn)上下輥同時移動，實現(xiàn)對兩輥之間中心距的調節(jié)[21]。青島大學團隊設計的一種同步進給機構，保證了兩輥同時相向運動的同步性，實現(xiàn)了對中心距的調節(jié)[22]。西安交通大學團隊設計出了一種液壓機械式變徑機構，可實現(xiàn)對不同直徑花鍵的加工[23]。

2.3 典型產品現(xiàn)狀

法國Escofier公司在切向滾軋設備中使用的模具結構如圖8a所示，被稱作增量滾動模具，其表面具有凹槽，便于徑向伸進工件到給定的加工深度。該公司在花鍵軸、螺紋等軸類件的滾軋成形裝備設計、滾軋模具設計制造、滾軋成形過程設計等方面積累了豐富的經驗，已經在航天工業(yè)和能源行業(yè)有了較多的應用，其利用切向滾軋工藝生產的軸類零件如圖8b所示。該公司生產的切向滾軋設備具有分辨率小于5 μm的位置控制回路，機架采用鑄鐵設計，保證了很高的加工精度，其FLEXie系列全部采用電機驅動，可以輸出100～1200 kN的滾壓力，F(xiàn)LEX L40ie切向滾軋設備如圖8c所示。

圖8 法國Escofier公司切向滾軋模具、零件及設備[24]

德國利美特公司是精密銑削刀具、齒輪滾刀、螺紋滾壓系統(tǒng)和絲錐的制造商，利用切向滾壓滾軋工藝設計生產出EVOline系列切向滾軋設備，如圖9a所示，其模具與增量式滾動模具不同的是還采用普通的圓形模具，中心距預先固定至可加工坯料齒形的指定深度，坯料由主軸帶動，主動旋轉并切向進給，圓模具受到摩擦力同向、同速旋轉，完成加工過程?？杉庸せㄦI、螺紋等軸類零件，如圖9b所示，EVOling系列可加工直徑為4～80 mm，最大齒形深度為3 mm。

圖9 德國利美特公司EVOline系列切向滾軋設備及零件

2.4 切向滾軋方式的特性

從工藝方面來說，由于模具之間中心距是固定的，在加工過程中有2種情況：一種是采用增量式模具，加工過程中工件和模具只做旋轉運動，這使模具的制造成本加大，而且成形力較大，可加工花鍵、螺釘等軸類零件；另一種是工件主動旋轉并切向進給，適用于快速批量生產小直徑螺紋的零件。

從設備方面來說，當采用增量式模具，分為立式和臥式，模具的旋轉都由電機驅動，并具有中心距調節(jié)裝置，用來加工不同直徑范圍的零件；當采用第2種方式，零件一般由機床主軸驅動旋轉，而模具被動旋轉，可以安裝在普通機床上進行加工，一般商家會提供不同的尺寸切向滾壓頭，使用比較靈活方便。

3 徑向進給滾軋和軸向進給滾軋成形

3.1 工藝原理

徑向進給式滾軋成形模具之間中心距不固定，具有徑向進給運動，而且有兩輪和三輪的形式?，F(xiàn)以兩輪徑向進給滾軋為例介紹其原理，如圖10a所示，其原理為：先將軸類零件坯料置于對稱安裝的2個圓形模具中間，然后2個圓形模具同向、同速旋轉，同時沿坯料徑向以相同速度進給，隨著模具表面齒形（螺紋、鍵槽等）結構與坯料接觸，坯料在摩擦力的帶動下旋轉，并在徑向力作用下迫使材料發(fā)生大量的周向和徑向金屬流動，形成軸類零件上的齒形結構。如圖10b所示，三輪徑向進給式滾軋原理于兩輪徑向進給式滾軋原理相同，只不過三輪徑向進給時3個模具是在坯料周圍呈120°周向分布，3個模具同速、同向旋轉，同時沿著軸類坯料的徑向以一定速度進給。三輪徑向進給滾軋過程中，軸類坯料受力均勻，所以多用于軸孔類花鍵、空心螺紋加工，但由于其特殊的布置方式，對于一套特定的模具來說，待加工軸類零件的直徑過小會使圓形模具出現(xiàn)干涉，所以其能加工軸類零件的直徑范圍有限[27—28]。一般情況下，在徑向進給到預定加工深度時，要保證工件在模具旋轉的帶動下旋轉大于4圈，使工件有充分的塑性變形時間[29]。

圖10 模具中心距變化的徑向進給滾軋工藝

軸向進給式滾軋同樣分為兩輪和三輪，與斜軋原理類似，現(xiàn)以兩輪軸向進給為例介紹其原理，如圖11a所示，滾軋模具沿著周向均布，與軸類零件毛坯軸線方向有一定夾角，并且模具沿著軸向分為切入段、校正段和導出段。進入切入段前，坯料置于滾軋模具前方，滾軋成形過程中，模具同速、同向旋轉，同時坯料沿著軸向送進，接觸到切入段后，坯料在摩擦力的帶動下旋轉，同時由于傾斜角度的存在，坯料會在模具的帶動下產生軸向進給運動。在進入校正段后，坯料表層金屬連續(xù)發(fā)生大量的軸向、徑向和周向金屬流動，齒形、螺紋高度等結構高度逐漸增加，坯料表面逐漸形成完整的齒形。進入導出段時，導出段模具的傾斜角可以防止工件成形后完好的齒形、螺紋等結構側面受到損壞[30]。兩輪軸向進給滾軋理論上可加工的工件長度不受模具寬度的限制，適用于蝸桿、滾珠絲杠等長徑比較大的零件滾軋[31]。

圖11 軸向進給滾軋工藝

目前對于三輪軸向進給滾壓的研究主要區(qū)別在坯料的進給方式上，對于具有花鍵等齒形的軸類零件的加工，在3個模具同向、同速旋轉時，利用一定的軸向推力將坯料沿軸向推進，在摩擦力的帶動下坯料被動旋轉并被擠壓形成花鍵齒形。對于具有螺紋表面軸類零件來說，與上述兩輪軸向進給滾軋成形工藝類似，3個模具保持中心不變，并同向傾斜相同的角度，進而產生沿軸向的速度分量，則坯料會在模具同向、同速旋轉的帶動下產生軸向進給運動；當模具的螺紋升角與欲加工坯料螺紋升角不同時，坯料也可以在模具同向、同速的旋轉的帶動下產生軸向進給運動，如圖11b所示，此時3個模具中心軸線與坯料中心軸線相互平行。三輪軸向進給滾軋成形工藝與三輪徑向進給滾軋成形工藝相比，其優(yōu)點是不用考慮三輪徑向進給的同步性與模具旋轉之間的關系，但其工藝參數設置比較復雜。另外，三輪軸向進給與兩輪軸向進給相比，坯料受力均勻，理論上由于加工長度不受限制，實際多用于具有螺紋表面的空心件、管件等的加工[32]。相對于其他3種工藝，軸向進給滾軋工藝材料的變形量在進入切入段時逐漸形成，并且減緩了徑向方向的材料堆積，與徑向進給式滾軋工藝相比，所需載荷大幅降低。

3.2 設備基本組成

通常軸向進給滾軋設備可以實現(xiàn)具有徑向進給滾軋工藝的徑向進給功能，旋轉角調整范圍一般在8°以內，當旋轉角=0°，模具同向、同速旋轉時，只做徑向進給運動，便能實現(xiàn)徑向進給滾軋工藝。所以對于軸向進給滾軋設備來說，既有徑向調整機構，又有傾角調整機構，以實現(xiàn)徑向進給和軸向進給功能。美國KINEFAC公司研制的兩輪滾軋設備結構如圖12所示，它使用特殊的雙樞軸設計和滑塊裝置，具有模塊化設計，可以匹配各種主軸直徑、驅動功率和轉速，其精密的主軸可以讓模具牢固安裝[35]。

1.偏斜調整螺釘；2.主軸軸承座；3.尺寸調節(jié)螺母；4.尺寸刻度盤鎖定；5.左臂；6.偏斜游標；7.滾動高度調節(jié)；8.支撐鎖定；9.軸向調節(jié)；10.后部工作支撐調節(jié)；11.錐度調節(jié)；12.模具；13.拉桿；14.坯料；15.中心度調節(jié)；16.模具限位螺母；17.行程限位塊；18.液壓缸；19.右臂；20.主軸組件；21.滾動支架；22.前工作臺支撐

動力傳輸結構如圖13所示，驅動電機通過減速機帶輪、減速機、萬向聯(lián)軸器、滾軋模具主軸等零部件將旋轉運動傳至滾軋模具，實現(xiàn)滾軋模具的同向、同速旋轉。液壓缸通過活塞帶動拉桿，實現(xiàn)滾軋模具的徑向進給運動。通過偏斜調整螺母的旋進與旋出帶動搖桿，使模具實現(xiàn)一定范圍的角度調整。通過前工作支撐臺配合模具角度調節(jié)可以加工較長的滾珠絲杠等長徑比較大的軸類零件。洛陽海林機械有限公司設計了一款類似的三輪滾軋設備，通過電機、行星齒輪箱和萬向聯(lián)軸器與3個成120°分布的滾輪相連，同時具有軋制深度和傾斜角調整機構[37]。

圖13 美國KINEFAC公司的兩輪滾軋設備動力傳動部分結構[36]

我國自行設計斜軋設備的角度調整機構如圖14所示，在機架蓋上裝有4個松緊機構，當絲杠轉動時，絲杠不移動，螺母套筒上下移動。為了防止螺母套筒轉動，在它和機架蓋之間裝有滑鍵。為了保證滾軋時模具在各個角度時壓板能壓緊軸承盒，在螺母套筒與壓板之間采用鉸接。這種傾角調節(jié)機構不僅結構簡單，使用方便可靠，而且易于拆卸模具。

1.滾軋模具組件；2.軸向調整機構；3.滾軋模具角度調整機構；4.機架部件

圖14 我國自行研制的軸向進給滾軋設備結構[38]

Fig.14 Structure of axial infeed rolling machine

3.3 典型產品現(xiàn)狀

目前工業(yè)實際中技術水平高、產品應用程度廣的滾軋設備生產公司有美國KINEFAC公司、德國PROFIROLL公司和意大利ORT公司[39]，上述3家高水平公司技術參數情況如表2所示。

美國KINEFAC公司是全世界金屬冷滾軋成形技術的領導者，其KINEROLLER系列可加工花鍵軸、螺紋、絲杠、蝸桿等精密軸類零件，該系列有3種滾軋設備，分別是POWERBOX系列、雙臂系列和三模具系列。POWERBOX系列中的MC-8、MC-15、MC-35、MC-40，雙臂系列中的MC-4，以及三模具系列中的MC-6、MC-9都屬于徑向進給滾軋設備，POWERBOX系列中MC-40最大徑向負載可達356 kN，中心距為152～317 mm，如圖15a所示[40]。KINEROLLER系列除去徑向進給滾軋設備剩下的都屬于軸向進給滾軋設備，因為都具有主軸傾角調整功能，例如雙臂系列中的MC-25主軸傾角調整范圍可達±12°。POWERBOX系列中MC-300最大徑向負載可達2936 kN，中心距為254～520 mm，可加工長徑比較大的絲杠螺紋，如圖16a所示[41]。

德國PROFIROLL公司制造滾軋設備已經有半個多世紀的歷史，生產雙軸和多軸系列產品。CNC/ AC數控系統(tǒng)可根據材料的成形過程，隨機調整主軸轉速和軋輥的進給量，并具有滾壓過程參數程序化、屏幕化和操作提示等功能。該公司根據滾軋工藝研制了ROLLEX系列和PR系列滾軋成形設備，ROLLEX系列屬于徑向進給滾軋設備，主要對軸類零件的花鍵、齒輪等進行滾軋加工，ROLLEX XL HP如圖15b所示[42]。PR系列滾軋成形設備一般都具有主軸傾角調整功能，所以既可以加工帶有螺紋表面特征的連接件和緊固件，又可以通過改變主軸傾角加工絲杠等軸類零件，2-RP 100 CNC/AC最大滾動力可達1000 kN，如圖16b所示[43]。

意大利ORT公司。針對徑向進給滾軋工藝和軸向滾軋工藝分別開發(fā)了2MS3系列花鍵滾軋機和RP螺紋滾軋機系列。2MS3屬于徑向進給滾軋設備，主要針對花鍵軸的加工，其中2M57系列最大滾軋力可達1200 kN，如圖15c所示[44]。RP系列主要針對螺紋、螺桿、絲杠等表面具有螺紋特征的軸類零件進行加工，此系列所有的設備都支持軸向和徑向滾軋，可選用伺服電機直接驅動，其中3RP 150采用三模具結構，可提供最大滾軋力為1500 kN，如圖16c所示[45]。

表2 國際上典型徑向和軸向進給成形滾軋設備技術參數比較

Tab.2 Comparison of typical radial and axial feed forming rolling machine in different countries

圖15 不同國家徑向進給滾軋設備

圖16 不同國家軸向進給滾軋設備

3.4 徑向進給和軸向進給滾軋方式的特性

從工藝方面來說，徑向進給成形和軸向進給成形都有兩輪和三輪2種形式，兩輪可加工的工件直徑范圍較大，而三輪的形式在工件直徑較小時會出現(xiàn)干涉的情況。徑向進給由于受到模具寬度的限制只能加工一定長度的花鍵、螺紋，而軸向進給可以加工長徑比較大的絲杠、蝸桿等軸類零件。同時，由于三輪的情況下工件受力較好，多用于空心管件螺紋的加工。

從設備方面來講，軸向進給滾軋設備與徑向進給滾軋設備相比多了主軸傾角調節(jié)機構，從而方便加工不同升角的螺紋，模具的旋轉運動多為電機分別驅動不同模具運動。而現(xiàn)有的滾軋設備產品一般都同時具有主軸傾角調節(jié)和徑向進給功能，可以實現(xiàn)不同參數的花鍵軸、螺紋軸零件的加工。

4 結語

1）高效精密滾軋成形工藝根據模具結構和工藝特點的不同可分為平板滾軋成形、切向滾軋成形、徑向進給滾軋成形和軸向進給滾軋成形，其中徑向進給滾軋成形工藝又分為兩輪、三輪徑向進給滾軋成形工藝；軸向進給滾軋成形工藝又分為兩輪、三輪軸向進給滾軋工藝。其中平板滾軋成形工藝較為成熟，所需載荷較大，適用于尺寸較小的螺釘、花鍵等軸類零件加工；切向滾軋和徑向進給滾軋應用范圍較廣，切向滾軋模具比徑向進給模具復雜，兩者所需載荷均較大，可用于齒輪、花鍵和螺栓的加工；軸向進給滾軋漸進式成形效果明顯，所需載荷大幅降低，可用于絲杠、蝸桿的加工。三輪較兩輪來說，滾軋過程中坯料受力比較均勻，實際應用中多適用于空心件、管件的表面螺紋、花鍵等的加工。滾軋成形工藝具有成形零件力學性能好、節(jié)省材料、生產效率高、表面質量好等特點，可實現(xiàn)花鍵軸、螺桿、絲杠、蝸桿等軸類零件的高效高質量加工。

2）根據工藝實現(xiàn)的特點，切向滾軋成形工藝、徑向進給滾軋成形工藝和軸向進給滾軋工藝理論上均可以在軸向進給式滾軋成形設備上實現(xiàn)，由于其同時具有徑向調整機構和主軸傾角調整機構，若更換增量式模具，保持中心距固定，就可以實現(xiàn)切向滾軋成形工藝；若保持圓形模具，調整傾角=0°，便可實現(xiàn)徑向進給成形滾軋工藝；若調整傾角≠0°，就可以實現(xiàn)軸向進給式滾軋成形工藝。

3）傳統(tǒng)的平板滾軋成形設備驅動系統(tǒng)由液壓缸驅動，后來慢慢發(fā)展出由電機加滾珠絲杠副驅動，其他滾軋設備也逐漸由原來的復雜傳動系統(tǒng)和萬向聯(lián)軸器傳遞動力變成了交流伺服永磁電機直接驅動，并且從以前的單電機通過減速箱同時驅動多個模具旋轉轉變成多個電機分別驅動多個模具旋轉，這種伺服電機直接驅動的設備形式簡化了傳動系統(tǒng)，使設備結構更加緊湊，并且提高了傳動效率。

[1] 李泳嶧, 趙升噸, 孫振宇, 等. 花鍵軸高效精密批量化生產工藝的合理性探討[J]. 鍛壓技術, 2012, 37(3): 1—6.

LI Yong-yi, ZHAO Sheng-dun, SUN Zhen-yu, et al. Investigation on Rationality of High-Efficient Precision and Batch Production Process for Spline Shaft[J]. Forging & Stamping Technology, 2012, 37(3): 1—6.

[2] 韓林. 高強度螺栓滾壓螺紋工藝研究[D]. 上海: 上海交通大學, 2018: 1—3.

HAN Lin. Research on High Strength Bolt Thread Rolling Process[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2018: 1—3.

[3] ZHANG Da-wei, ZHAO Sheng-dun. New Method for Forming Shaft Having Thread and Spline by Rolling with Round Dies[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 70(5/6/7/8): 1455—1462.

[4] CUI F K, WANG X Q, HE X J, et al. Research on Process Parameters of Ballscrew Manufactured by Cold Rolling[J]. Advanced Materials Research, 2013, 670: 123—127.

[5] 宋歡, 李永堂, 齊會萍. 螺紋冷滾壓和切削加工的金屬組織變形研究[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2010, 45(3): 58—61.

SONG Huan, LI Yong-tang, QI Hui-ping. Deformation Study on Mental Structure in the Thread Colding Rolling and Cutting Process[J]. China Metal Forming Equipment Manufacturing Technology, 2010, 45(3): 58—61.

[6] JOSEPH P D, FENG Feng. A Parametric Study of Process Parameters in External Thread Rolling[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2002, 121(2): 341—349.

[7] 朱偉成. 汽車零件精密鍛造技術[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1999: 139—140.

ZHU Wei-cheng. Precision Forging Technology of Auto Parts[M]. Beijing:Beijing Institute of Technology, 1999: 139—140.

[8] PATER Z, GONTARZ A, WERO?SKI W. New Method of Thread Rolling[J]. Journal of Materials Processing Tech, 2004, 151(1): 722—728.

[9] 閆華軍, 劉晉平, 胡正寰, 等. 楔橫軋?zhí)菪温菁y軸成形機理[J]. 北京科技大學學報, 2012, 34(6): 701—706.

YAN Hua-jun, LIU Jin-ping, HU Zheng-huan, et al. Forming Mechanism of Trapezoidal Thread Shafts in Cross Wedge Rolling[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2012, 34(6): 701—706.

[10] 焦思佳, 彭文飛, 束學道, 等. 高鐵螺紋道釘板式楔橫軋軋制成形的可行性分析[J]. 熱加工工藝, 2014, 43(1): 100—103.

JIAO Si-jia, PENG Wen-fei, SHU Xue-dao, et al. Feasibility Analysis of Plate Cross Wedge Rolling for High-Speed Rail Screw Spike[J]. Hot Working Technology, 2014, 43(1): 100—103.

[11] PETER Groche, PHILIPP Kramer. Numerical Investigation of the Influence of Frictional Conditions in Thread Rolling Operations with Flat Dies[J]. International Journal of Material Forming, 2018, 11(5): 687—703.

[12] 王秀倫. 螺紋滾壓加工技術[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1990: 145—146.

WANG Xiu-lun. Thread Rolling Technology[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 1990: 145—146.

[13] 張大偉, 趙升噸, 王利民. 復雜型面滾軋成形設備現(xiàn)狀分析[J]. 精密成形工程, 2019, 11(1): 1—10.

ZHANG Da-wei, ZHAO Sheng-dun, WANG Li-min. Current Status of Rolling Forming Machine for Complex Profile[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(1): 1—10.

[14] 董欽庭, 袁文生, 李繼贊, 等. 我國平板式楔橫軋技術的現(xiàn)狀[J]. 鍛壓機械, 1992(3): 3—7.

DONG Qin-ting, YUAN Wen-sheng, LI Ji-zan, et al. Current Status of Flat Cross Wedge Rolling Technology in my Country[J]. China Metal Forming Equipment Manufacturing Technology, 1992(3): 3—7.

[15] 張子良. 漸開線花鍵冷搓成形工藝研究與專用設備研制[D]. 天津: 天津大學, 2002: 27—29.

ZHANG Zi-liang. Research on Cold Rolling Process of Involute Spline and Development of Special Equipment[D].Tianjin: Tianjin University, 2002: 27—29.

[16] ANDERSON-COOK Incorporated. Integrated Supplier of Seating Mechanism & Powertrain Components [EB/OL]. [2021-06-06]. http://www.andersoncook.com/.

[17] NACHI-FUJIKOSHI Corp. Machine Tools[EB/OL]. [2021-06-06]. http://www.nachi-fujikoshi.co.jp/kos/broach/ index.htm.

[18] 胡正寰, 張巍. 楔橫軋在汽車等軸類零件上的應用與發(fā)展[J]. 金屬加工(熱加工), 2010(5): 14—16.

HU Zheng-huan, ZHANG Wei. Application and Development of Cross Wedge Rolling in Automobile Shaft Parts[J]. Metal Forming, 2010(5): 14—16.

[19] NEUGEBAUER R, PUTZ M, HELLFRITZSCH U. Improved Process Design and Quality for Gear Manufacturing with Flat and Round Rolling[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2007, 56(1): 307—312.

[20] 邢發(fā)芝. 雙輥式楔橫軋機: 中國, CN204672695U[P]. 2015-09-30.

XING Fa-zhi. Double-Roll Cross Wedge Rolling Machine: China, CN204672695U[P]. 2015-09-30.

[21] 姚萬貴, 邵長斌, 袁紅霞, 等. 我國楔橫軋機的現(xiàn)狀及發(fā)展[C]// 全國塑性工程學術年會, 中國機械工程學會, 2009.

YAO Wan-gui, SHAO Chang-bin, YUAN Hong-xia, et al. Current Status and Development of Cross Wedge Rolling Mills in China[C]// National Conference on Technology Plasticity, Chinese Mechanical Engineering Society, 2009.

[22] 魏代善. 立式滾絲機工作裝置結構設計與仿真[D]. 青島: 青島大學, 2016: 19—21.

WEI Dai-shan. Structure Design and Simulation of Working Device of Vertical Thread Rolling Machine[D].Qingdao: Qingdao University, 2016: 19—21.

[23] 趙升噸, 李泳嶧, 孫振宇, 等. 一種花鍵滾軋成形設備液壓機械式變徑機構: 中國, CN102553994B[P]. 2013-12-04.

ZHAO Sheng-dun, LI Yong-yi, SUN Zhen-yu, et al. Hydro-Mechanical Diameter Reducing Mechanism of Spline Roll Forming Equipment: China, CN102553994B [P]. 2013-12-04.

[24] ESCOFIER Company. Green line[EB/OL]. [2020-06- 06]. http://www.escofier.com/.

[25] 李一帆, 曹雪雷. 利美特EVOline切向滾壓系統(tǒng),實現(xiàn)螺紋高效加工—訪利美特德國滾壓系統(tǒng)產品經理Stefan Moller[J]. 金屬加工(冷加工), 2019(6): 28—29.

LI Yi-fan, CAO Xue-lei. LMT EVOline Tangential Rolling System, Realize Efficient Thread Processing—Interview with Stefan M?ller, Product Manager of Rolling Systems, LMT Germany[J]. Metal Working (Cold working), 2019(6): 28—29.

[26] LMT·TOOLS. EVOline[EB/OL]. [2021-06-06]. www. lmt-tools.com.cn.

[27] ZHANG Da-wei, ZHAO Sheng-dun, OU H. Analysis of Motion between Rolling Die and Workpiece in Thread Rolling Process with Round Dies[J]. Mechanism and Machine Theory, 2016, 105: 471—494.

[28] SONG J, LIU Z, LI Y. Cold Rolling Precision Forming of Shaft Parts[M]. Heidelberg: Springer, 2017: 29—31.

[29] 崔鑫, 趙永強. 外螺紋的冷滾壓成形工藝研究[J]. 陜西理工大學學報(自然科學版), 2019, 35(4): 22—27.

CUI Xin, ZHAO Yong-qiang. Research on Cold Roll Forming Process of External Thread[J]. Journal of Shaanxi University of Technology (Natural Science Edition), 2019, 35(4): 22—27.

[30] 李敬宇, 李一前, 劉進江, 等. 絲杠軸線進給滾壓成形工藝參數的優(yōu)化設計[J]. 世界制造技術與裝備市場, 2020(6): 65—70.

LI Jing-yu, LI Yi-qian, LIU Jin-jiang, et al. Optimal Design of Process Parameters of Screw Axis Feed Rolling Process[J]. World Manufacturing Engineering & Market, 2020(6): 65—70.

[31] 王媛, 宋黎, 袁明月, 等. 軸向進給式螺紋滾壓的模具設計及數值模擬[J]. 鍛壓裝備與制造技術, 2010, 45(6): 99—101.

WANG Yuan, SONG Li, YUAN Ming-yue, et al. Die Design and Numerical Simulation of Axial Feed-Type Screw Thread Rolling Process[J]. China Metal Forming Equipment Manufacturing Technology, 2010, 45(6): 99—101.

[32] 趙玉民, 倪俊義. 基于Deform-3D的外螺紋三輥斜軋成形有限元分析[J]. 熱加工工藝, 2010, 39(21): 96—98.

ZHAO Yu-min, NI Jun-yi. Finite Element Analysis on Outer Thread Three Cross Rolling Forming Based on Deform-3D[J]. Hot Working Technology, 2010, 39(21): 96—98.

[33] CUI Min-chao, ZHAO Sheng-dun, ZHANG Da-wei, et al. Deformation Mechanism and Performance Im-provement of Spline Shaft with 42CrMo Steel by Ax-ial-Infeed Incremental Rolling Process[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 88(9/10/11/12): 2621—2630.

[34] ZHANG Shuo-wen, FAN Shu-qin, WANG Qi, et al. Deformation Characteristics of Self-Infeed Rolling Process for Thread Shaft[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2019, 103(5/6/ 7/8): 2941—2951.

[35] SONG J, LIU Z, LI Y. Cold Rolling Precision Forming of Shaft Parts[M]. Springer Berlin Heidelberg, 2017: 260—261.

[36] KINEFAC Corporation. Kine-Roller Cylindrical Die Thread Rolling Machine[EB/OL]. [2021-06-06]. http:// www.kinefac.com/images/sd-10-10-794.pdf.

徐建武, 聶剛, 帥美容, 等. 可調型軋制多線螺紋絲桿的設備: 中國,CN 201020172008[P]. 2011-12-22.

XU Jian-wu, NIE Gang, SHUAI Mei-rong, et al. Ad-justable Equipment for Rolling Multi-Thread Screw Rod: China, 201020172008[P]. 2011-12-22.

[37] 胡正寰. 斜軋與楔橫軋——原理工藝及設備[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1985: 196—198.

HU Zheng-huan. Skew Rolling and Cross Wedge Roll-ing-Principle, Process and Equipment[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 1985: 196—198.

[38] 黃祖堯. 基于綠色制造理念的滾珠絲杠冷軋成形技術[J]. 現(xiàn)代零部件, 2007(9): 88—91.

HUANG Zu-yao. Ball Screw Cold Rolling Forming Technology Based on Green Manufacturing Concept[J]. Modern Components, 2007(9): 88—91.

[39] KINEFAC Corporation. MC-40(V) Powerboxtm Kine-rollertm Cylindrical Die Rolling Machine[EB/OL]. [2021-06-06]. http://www.kinefac.com/mc-40.html.

[40] KINEFAC Corporation. MC-300 FI Powerboxtm CNC Kinerollertm Thread Rolling Machine[EB/OL]. [2021- 06-06]. http://www.kinefac.com/mc-300.html.

[41] PROFIROLL Technologies. Spline Rolling Machine [EB/OL]. [2021-06-06]. https://www.profiroll.com/ma-chines/spline-rolling-machine/rollex-spline-rolling.html.

[42] PROFIROLL Technologies. Thread and Prifile Rollling Machines[EB/OL]. [2021-06-06]. https://www.profiroll. com/machines/thread-and-profile-rolling-machines/the- innovative-cnc-thread-rolling-machine.html.

[43] ORT. Splinex Rolling Machines[EB/OL]. [2021-06-06]. https://www.ortitalia.com/en/rolling-m achines/splinex.

[44] ORT. Three Dies[EB/OL]. [2021-06-06]. https://www. ortitalia.com/en/rolling-machines/3rp- series.

Analysis of Current of High-Efficient and Precise Rolling Technology and Equipment for Shafts with Complex Profiles

JIANG Fei1, MENG Fei-ran2, ZHAO Sheng-dun1, GAO Jing-zhou1, FEI Liang-yu1, FENG Zhi-yan1, WANG Yong-fei1

(1. School of Mechanical Engineering, Xi?an Jiaotong University, Xi?an 710049, China; 2. China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi?an 710100, China)

There are a large number of shaft parts such as spline shafts, screws, lead screws, worms, etc. in industrial practice, whose complex surface shapes are processed by traditional cutting methods, which has the disadvantages of low production efficiency, serious material waste, cut of surface material fibers, poor mechanical properties, etc., nevertheless, high-efficiency, precise and high-performance rolling forming processes and equipment are effective ways to solve the above-mentioned cutting problems. This article systematically discusses the principles of four typical processes in the high-efficiency and precision rolling of shafts with complex profiles, the basic composition of the equipment and its working process, and the status quo of typical products in industrial practice, the 4 typical processes include flat rolling, tangential rolling, radial infeed rolling and axial infeed rolling forming process. And this article further analyzes the respective characteristics of these four typical processes, to lay the foundation for the promotion and application of the above four processes and equipment in industrial practice.

shaft parts; rolling forming; equipment

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.04.013

TG305

A

1674-6457(2021)04-0092-10

2021-06-07

陜西省自然科學基礎研究計劃（2020JQ-067）；航天先進制造技術研究聯(lián)合基金（U1937203）；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金（XZY012019003/XZD012019009）

蔣飛（1996—），男，博士生，主要研究方向為螺紋滾軋工藝。

趙升噸（1962—），男，博士，教授，主要研究方向為先進材料成形技術及裝備、復雜機電系統(tǒng)設計與控制。