楊千華，薛 春，楚志兵，秦建新，黃賢安，周新亮，姬亞鋒，拓雷鋒

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，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)重點發(fā)展領域，車軸是鐵路車輛關鍵零部件，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。

楔橫軋(Cross wedge Rolling，CWR)技術是生產(chǎn)軸類零件的先進成形技術，通常為板式楔橫軋、二輥楔橫軋和三輥楔橫軋。此技術被廣泛應用于制造汽車、拖拉機、工程、鉆井、煤礦等機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，易實現(xiàn)自動化。但其缺點也比較明顯，模具復雜、安裝調(diào)試時間長、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鍵零部件，隨著鐵路、城市地鐵以及大型工程機械的發(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生產(chǎn)大型軸類零件，對雙機聯(lián)動的大型軸類楔橫軋裝備及結構進行了詳細設計，重點對軋機本體、軸向竄動裝置、預應力裝置和導衛(wèi)裝置進行了結構定型，介紹了其工作原理及關鍵作用，并對部分結構進行了強度校核。大型軸類楔橫軋機研發(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。

1 工作原理

楔橫軋技術如圖1所示。軸類零件的規(guī)格和材質(zhì)如圖2所示。楔橫軋(CWR)技術是將加熱后的金屬棒材送入兩個同向運動的帶有楔形突起的模具中間，棒材在模具帶動下做反向回轉(zhuǎn)運動，此時材料發(fā)生徑向壓縮變形和軸向延伸變形，經(jīng)過軋機軋制，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生產(chǎn)與仿真。

圖1 常用的楔橫軋(CWR)技術

圖2 楔橫軋技術生產(chǎn)的軸類零件

圖3 不同模具下板式楔橫軋技術生產(chǎn)與仿真

輥式楔橫軋機的工作原理如圖4所示，兩個帶楔形模具的軋輥同向旋轉(zhuǎn)，帶動金屬棒材反向旋轉(zhuǎn)，此時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 輥式楔橫軋機的工作原理

2 裝備設計與結構優(yōu)化

為適應生產(chǎn)需求，提出采用雙機聯(lián)動的楔橫軋機制備大型軸類零件，并且優(yōu)化了軋機結構，實現(xiàn)軸類零件的快速高效生產(chǎn)。此軋機模具的最大外徑可達1 800 mm，軋件最大直徑為225 mm。本軋機采用雙機架串聯(lián)排列，可實現(xiàn)軋件兩道次精確軋制，其三維模型如圖5所示，第一架軋機由功率為590 kW的電機進行驅(qū)動，其正常軋制溫度可達到1 100 ℃，軋制力為3 300～4 650 kN，單輥軋制力矩為890～1 330 kN·m；第二架軋機由功率為640 kW的電機進行驅(qū)動，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。兩架軋機的軋輥轉(zhuǎn)速均為3 r/min。軋機的力能參數(shù)如表1所示。

圖5 楔橫軋機的三維模型

表1 軋機的力能參數(shù)

該軋機可以根據(jù)產(chǎn)品軋制規(guī)格，快速更換軋輥模具，更換時間從傳統(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，實現(xiàn)對軋制力、預應力、導板力以及軋輥橫向力進行動態(tài)監(jiān)測及調(diào)整，從而實現(xiàn)大型軸類零件楔橫軋過程的控制。

2.1 軋機結構

軋機結構示意如圖6所示，包括主傳動裝置、牌坊、蝸輪蝸桿壓下裝置、軸向竄動裝置和導衛(wèi)裝置等部分,如圖7所示。主傳動裝置包括電機、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)軸器與軋機的傳動軸連接，實現(xiàn)同向旋轉(zhuǎn)。蝸輪蝸桿壓下裝置安裝在牌坊上端，壓下螺絲的端部設置在壓緊套內(nèi)，從而實現(xiàn)蝸輪蝸桿壓下裝置與上軸承座的連接，如圖7c所示。導衛(wèi)裝置通過固定架側(cè)面的螺釘與牌坊連接，以增強導板座在軋制過程中的穩(wěn)定性，如圖7d所示。

圖6 軋機結構示意圖

圖7 各結構示意圖

2.2 軸向竄動裝置

如圖8所示為軸向竄動裝置的結構示意圖，軸向竄動裝置包括輥系裝配、軸向調(diào)整機構和鎖緊機構。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)整機構如圖8b所示，傾斜滑塊設置在竄動調(diào)整塊上的傾斜滑槽內(nèi)，竄動調(diào)整塊在上下方向進行反向移動來推動傾斜滑塊左右移動，進而實現(xiàn)輥系裝配的軸向竄動。在竄動調(diào)整塊靠近牌坊的一側(cè)設置有限位滑塊，在牌坊上設置與限位滑塊對應的限位滑槽，竄動調(diào)整塊的下端鉸接有竄動液壓缸，竄動液壓缸的另一端鉸接在牌坊上，用以驅(qū)動竄動調(diào)整塊上下滑動。鎖緊機構包括設置在竄動調(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，在竄動調(diào)整塊的外側(cè)設置有鎖緊塊，在鎖緊塊上設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現(xiàn)對竄動調(diào)整塊的鎖緊，最終使傾斜滑塊座壓緊下軸承座，實現(xiàn)對下軸承座的鎖緊。在鎖緊塊上設置有多個鎖緊滑槽，在牌坊上設置有多個與鎖緊滑槽相對應的鎖緊螺栓，限制鎖緊塊只能沿鎖緊滑槽的方向進行滑動。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 軸向竄動裝置結構示意圖

2.3 預應力裝置

如圖9所示為預應力裝置示意圖，其包括牌坊、軸承座、壓下組件和平衡組件。壓下組件包括兩個壓下液壓缸，平衡組件包括兩個平衡液壓缸，在對應的軸承座之間設置有預應力液壓缸。壓下液壓缸、平衡液壓缸和預應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、平衡液壓缸和預應力液壓缸。

圖9 預應力裝置示意圖

如圖10所示為預應力裝置的工作原理圖，圖10a所示為預應力裝置的控制原理，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)進行比對、篩選、優(yōu)化處理，計算出調(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所示為預應力裝置的力學原理，設單個預應力液壓缸輸出的預應力為F預，單個壓下液壓缸的最大承受載荷為F壓，單個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應力，需要始終保持2F壓為恒定值，而2F壓=4F預+2F平+F軋，且F平始終為恒定值。在軋制之前，預應力液壓缸對上軸承座施加預應力F預，預應力F預最終經(jīng)過上軸承座和壓下液壓缸傳遞至牌坊，達到對牌坊施加預應力的目的，此時2F壓=4F預+2F平，F(xiàn)軋=0。在正常軋制過程中，牌坊不僅要承受預應力F預，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+2F平+F軋，為了使牌坊始終承受不變的預應力，PLC控制器需要及時根據(jù)軋制力F軋的變化，調(diào)整預應力F預的大小，且軋制力F軋增長的幅度與4F預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應力。當軋制力超載后，即2F壓

圖10 預應力裝置工作原理圖

2.4 導衛(wèi)裝置

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

圖11 導衛(wèi)裝置示意圖

3 強度校核

3.1 牌坊

采用有限元軟件對牌坊進行計算，設定牌坊為變形體，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下端面，如圖12a所示。設置牌坊為四面體網(wǎng)格類型，在受力區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細化，如圖12b所示，計算結果如圖12c所示。

圖12 牌坊的有限元校核

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

3.2 壓下絲杠螺母

采用有限元軟件對壓下絲杠螺母進行計算，設定壓下絲杠螺母均為變形體，壓下絲杠材料選用合金結構鋼，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)格細化，如圖13b所示，計算結果圖13c所示。

圖13 壓下絲杠螺母的有限元校核

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

3.3 軸承座

采用有限元軟件對軸承座進行計算，設定軸承座為變形體，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。設置軸承座為四面體網(wǎng)格類型，在受力區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細化，如圖14b所示。計算結果如圖14c所示。

圖14 軸承座的有限元校核

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

4 結論

為實現(xiàn)大型軸類零件的快速生產(chǎn)，本文詳細設計了雙機聯(lián)動的大型軸類楔橫軋裝備，重點對軋機本體、軸向竄動裝置、預應力裝置和導衛(wèi)裝置進行了結構定型，介紹了其工作原理及關鍵作用，并對部分結構進行了強度校核。大型軸類楔橫軋機研發(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。