馬 琳

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇 蘇州 215000）

螺紋件(絲杠、蝸桿、螺桿)是機(jī)械制造業(yè)中的關(guān)鍵傳動(dòng)聯(lián)接零部件，其制造工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量，直接影響各類(lèi)機(jī)械的總成質(zhì)量。滾壓螺紋是一種無(wú)屑加工方法，其實(shí)質(zhì)是利用某些材料在冷態(tài)下的可塑性來(lái)進(jìn)行加工，使工件在滾壓工具壓力的作用下產(chǎn)生塑性變形，滾制出相應(yīng)的螺紋。它不切斷金屬的纖維使金屬塑性變形而形成螺紋，是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的先進(jìn)的少無(wú)切削加工方法，尤其對(duì)高生產(chǎn)率以及高機(jī)械性能要求的精密螺紋零件，這種加工方法顯示出極大的優(yōu)越性，因此螺紋冷滾壓加工得到廣泛應(yīng)用。其中，軋輥滾壓加工為兩個(gè)以上的帶螺紋牙形的軋輥安裝在相互平行的軸上，工件在軋輥帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，表面受徑向擠壓形成螺紋，可以滾壓出各種各樣的螺紋、蝸桿、齒輪、螺桿、雙頭螺柱、定位螺釘?shù)纫约翱招募?，用途最廣，廣泛用于加工高強(qiáng)度、高精度及形狀復(fù)雜的螺紋[1]。

1 數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇和檢索

為了研究采用軋輥滾軋外螺紋專(zhuān)利技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，對(duì)該領(lǐng)域的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)據(jù)和全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索并統(tǒng)計(jì)分析，中文數(shù)據(jù)庫(kù)選擇CPRSABS，外文數(shù)據(jù)庫(kù)選擇DWPI和SIPOABS來(lái)獲得進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的專(zhuān)利樣本，在具體檢索過(guò)程中，首先使用準(zhǔn)確的二點(diǎn)組分類(lèi)號(hào)B21H3/04（用成型輥加工）進(jìn)行檢索；鑒于采用軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利技術(shù)起步較早，僅檢索該二點(diǎn)組分類(lèi)號(hào)會(huì)導(dǎo)致漏檢，因此，筆者對(duì)大組B21H3/00（制造螺旋形物體或具有部分螺旋形的物體）和一點(diǎn)組B21H3/02（外螺紋）均進(jìn)行了檢索。

2 采用軋輥滾軋外螺紋專(zhuān)利技術(shù)國(guó)外申請(qǐng)狀況

采用軋輥滾軋外螺紋國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)大致可以分為四個(gè)時(shí)期：

（1）萌芽期早在1869年，專(zhuān)利US93256A便公開(kāi)了一種行星式的外螺紋滾軋機(jī)，在1937年之前，國(guó)外一直都有采用軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利申請(qǐng)，但在技術(shù)發(fā)展的萌芽期，總體申請(qǐng)量較少。在此時(shí)期內(nèi)，專(zhuān)利申請(qǐng)量在美國(guó)最為集中，一枝獨(dú)秀，其申請(qǐng)量占這一時(shí)期總量的54%，其次是德國(guó)占24%，可見(jiàn)，由于美國(guó)和德國(guó)的工業(yè)化發(fā)展較早，其相應(yīng)的螺紋滾軋技術(shù)也較發(fā)達(dá)，對(duì)滾軋外螺紋的研究也處于領(lǐng)先地位。

（2）平穩(wěn)增長(zhǎng)期在1938～1968年之間，關(guān)于采用軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)較快，在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)了一個(gè)小高峰，在這一平穩(wěn)增長(zhǎng)期，德國(guó)的申請(qǐng)量迎頭趕上，與美國(guó)一道占據(jù)了總申請(qǐng)量的半壁江山，在此期間還出現(xiàn)了一些蘇聯(lián)的申請(qǐng)。

（3）快速增長(zhǎng)期在1969～1990年之間，關(guān)于采用軋輥滾軋外螺紋的申請(qǐng)數(shù)量如雨后春筍一般快速增長(zhǎng)，可謂是該技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)期。這主要是由于在該時(shí)期，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)技術(shù)非常發(fā)達(dá)，同時(shí)其他后起的國(guó)家的技術(shù)力量也相當(dāng)雄厚，很多國(guó)家對(duì)采用軋輥滾軋外螺紋的改進(jìn)和研究也日趨增多。這段時(shí)期內(nèi)，美國(guó)和德國(guó)的申請(qǐng)量急劇減少，但兩國(guó)還是在持續(xù)進(jìn)行申請(qǐng)，保持穩(wěn)步發(fā)展的狀態(tài)，可見(jiàn)這兩個(gè)國(guó)家的采用軋輥滾軋外螺紋技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟。相比之下，經(jīng)濟(jì)處于迅速發(fā)展期的日本和蘇聯(lián)兩個(gè)國(guó)家成為了該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)巨頭，其中，蘇聯(lián)的申請(qǐng)量占該時(shí)期申請(qǐng)總量的36.94%，日本的申請(qǐng)量占該時(shí)期申請(qǐng)總量的32.88%。

（4）成熟期采用軋輥滾軋外螺紋專(zhuān)利申請(qǐng)量從1991年以后有所減少，但申請(qǐng)量依然不少，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也到了成熟期，在此期間，人們對(duì)外螺紋軋輥的輥形進(jìn)行了多方面的嘗試和進(jìn)一步地優(yōu)化，同時(shí)也注重了對(duì)滾軋過(guò)程的控制和滾軋參數(shù)的優(yōu)化，注重提高滾軋精度和滾軋效率的研究，以及采用滾軋方法生產(chǎn)多種產(chǎn)品。在這一時(shí)期以日本專(zhuān)利的申請(qǐng)居多，占總申請(qǐng)量的39.31%，德國(guó)和美國(guó)仍然持續(xù)了對(duì)采用軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利申請(qǐng)，蘇聯(lián)/俄羅斯的申請(qǐng)量已經(jīng)急劇下降，另外，出現(xiàn)了一些韓國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)。

3 中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)狀況

國(guó)內(nèi)的采用軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利申請(qǐng)起步較晚，大致可以分為兩個(gè)時(shí)期，第一時(shí)期為1985～2009年，第二時(shí)期為2010年至今。在第一時(shí)期內(nèi)，一方面中國(guó)專(zhuān)利關(guān)于采用軋輥滾軋外螺紋的數(shù)量較國(guó)外專(zhuān)利在量的方面要少很多；另一方面，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量隨年份增長(zhǎng)不明顯。這主要是由于一方面，從中國(guó)當(dāng)時(shí)的國(guó)情來(lái)看，改革開(kāi)放之后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)剛開(kāi)始增長(zhǎng)，人們剛開(kāi)始注重科技和研發(fā)；另一方面，中國(guó)的專(zhuān)利制度也才剛剛建立，很多人并沒(méi)有意識(shí)到知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要性，極少申請(qǐng)專(zhuān)利。在第二時(shí)期內(nèi)，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)趨勢(shì)呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，勢(shì)如破竹，這段時(shí)間，隨著中國(guó)加入世貿(mào)組織，各行各業(yè)都發(fā)展迅猛，采用軋輥滾軋外螺紋也不例外。

4 采用軋輥滾軋外螺紋專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展分析

4.1 單輥結(jié)構(gòu)

采用單輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行滾軋外螺紋的專(zhuān)利申請(qǐng)量較少，主要是由于其結(jié)構(gòu)較為單一，所應(yīng)用的范圍受到限制。1938年，美國(guó)的UNKE HERMAN A最早申請(qǐng)了相關(guān)專(zhuān)利US2182906A，使用了單輥對(duì)管材的外螺紋進(jìn)行加工，將管材套在芯軸上，輥?zhàn)訃@芯軸轉(zhuǎn)動(dòng)。1950年的專(zhuān)利申請(qǐng)DE913886C中提出在單輥滾軋外螺紋時(shí)，使用軸線交錯(cuò)的螺旋齒進(jìn)行滾壓。1981年的專(zhuān)利申請(qǐng)JPS58101040A也對(duì)單輥滾軋管材外螺紋進(jìn)行了研究，與US2182906A不同的是，其將軋輥設(shè)置在齒輪內(nèi)，通過(guò)與齒輪嚙合實(shí)現(xiàn)軋輥的旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)較為新穎，成形精度也有所提高，并且，其軋輥采用了軋輪的形式，沿工件軸向逐漸滾壓螺紋。隨后，在20世紀(jì)90年代，單輥滾軋引入了類(lèi)似于旋壓的理念，軋輥可看做一個(gè)外圍有螺紋的旋壓輪，在1993年的專(zhuān)利申請(qǐng)US5417095A中，軋輥的角度可通過(guò)腰形槽進(jìn)行調(diào)節(jié)，在1994年的專(zhuān)利申請(qǐng)JPH07256375A中，其通過(guò)單輥滾軋的方法直接對(duì)皮帶輪的軸向輪槽進(jìn)行加工，與旋壓方法的原理非常接近。

4.2 二輥結(jié)構(gòu)

1912年申請(qǐng)的專(zhuān)利GB191225234A中公開(kāi)了一種二輥的螺紋滾軋裝置，其采用切向的進(jìn)給方式。1914年申請(qǐng)的專(zhuān)利US1188461A公開(kāi)的二輥螺紋滾軋機(jī)采用了軸向進(jìn)給的方式。1920年申請(qǐng)的專(zhuān)利US1359572A公開(kāi)的二輥螺紋滾軋機(jī)采用了徑向進(jìn)給的方式，其一個(gè)輥軸固定，另一個(gè)輥軸可滑動(dòng)地安裝，從而實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給。1938年申請(qǐng)的專(zhuān)利GB499277A中，首次提出了一種螺紋軋輥頭結(jié)構(gòu)，其能夠在自動(dòng)車(chē)床上進(jìn)行螺紋加工，一般用于加工短螺紋。1972年的專(zhuān)利申請(qǐng)BE786267A1中提出了一種新的結(jié)構(gòu)，其在普通二輥滾軋的基礎(chǔ)上，將四個(gè)軋輥均布在一個(gè)軋輥四周，形成四組二輥滾軋機(jī)構(gòu)，這種組合式的結(jié)構(gòu)大大提高了生產(chǎn)效率。1979年的專(zhuān)利申請(qǐng)JPS55112145A中，其利用送料盤(pán)對(duì)多個(gè)螺栓加工件進(jìn)行連續(xù)旋轉(zhuǎn)送料，當(dāng)送至二輥滾軋裝置處時(shí)進(jìn)行螺紋滾軋，也大大提高了生產(chǎn)效率。1984年的專(zhuān)利申請(qǐng)US4571972A中通過(guò)將兩個(gè)軋輥分別分為不同的幾段，并對(duì)工件進(jìn)行軸向進(jìn)給的滾壓，從而成形復(fù)合螺紋。1988年的專(zhuān)利申請(qǐng)EP0296594A2中，其采用傳感器對(duì)軋輥的位置定位，從而提高滾軋精度。此后，出現(xiàn)了大批日本專(zhuān)利申請(qǐng)，借助先進(jìn)的技術(shù)對(duì)二輥滾軋進(jìn)行自動(dòng)控制，大大提高了滾軋精度和滾軋效率，1997年的專(zhuān)利申請(qǐng)JPH10296370A中，其利用傳感器對(duì)工件在成形時(shí)的位移進(jìn)行檢測(cè)，從而能夠有效避免工件的軸向彎曲；1999年的專(zhuān)利申請(qǐng)JP2001001096A通過(guò)電阻加熱裝置對(duì)工件進(jìn)行加熱，從而提高工件強(qiáng)度和成形性能。進(jìn)入21世紀(jì)，有一部分日本申請(qǐng)對(duì)二輥滾軋的輥形進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的輥形，使得滾軋成形過(guò)程更加順暢，精度更高，2001年的專(zhuān)利申請(qǐng)JP2003033841A中，將軋輥的輥形進(jìn)行分段設(shè)計(jì)，螺紋沿母線方向分為三段，一段為切入部分，一段為正常成形的校準(zhǔn)部分，一段為退刀部分，采用該輥形的軋輥生產(chǎn)效率高、精度高，光潔度好，并可加工任意長(zhǎng)度的螺紋；2008年的專(zhuān)利申請(qǐng)JP2008119753A中，將軋輥的輥面分為幾段，每一段的螺紋均不同，通過(guò)兩個(gè)軋輥的相互配合可以在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)生產(chǎn)出具有不同螺紋形狀的多個(gè)工件，生產(chǎn)效率大大提高。

4.3 三輥結(jié)構(gòu)

相對(duì)于二輥滾軋外螺紋而言，三輥滾軋的效率必然要更高一些，早在1904年，便已經(jīng)出現(xiàn)了采用三個(gè)軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利申請(qǐng)F(tuán)R4010E，隨即在1928年和1937年先后出現(xiàn)了徑向進(jìn)給方式的三輥滾軋和軸向進(jìn)給方式的三輥滾軋；1931年的專(zhuān)利GB388099A中首次將多個(gè)軋輥組合在一起形成多個(gè)三輥組，這種結(jié)構(gòu)使得螺栓在成形時(shí)受到更大的壓力，能夠有效避免螺栓的側(cè)向偏移，一種結(jié)構(gòu)是在一個(gè)直徑較小的軋輥四周設(shè)置四個(gè)直徑較大的軋輥，這種結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滾軋四個(gè)螺栓，將中間軋輥的直徑設(shè)置為較小是因?yàn)樾枰紤]到螺栓的均勻分布，另外一種結(jié)構(gòu)是在中間軋輥四周布置六個(gè)軋輥，這種結(jié)構(gòu)能夠同時(shí)滾軋六個(gè)螺栓，由于六個(gè)螺栓能夠均勻分布，因此這些軋輥的直徑都相等；在1943年有一個(gè)典型專(zhuān)利申請(qǐng)GB567700A，該專(zhuān)利的三個(gè)軋輥布置在一個(gè)空心環(huán)內(nèi)，該空心環(huán)內(nèi)部為偏心結(jié)構(gòu)，由此，三個(gè)軋輥在偏心環(huán)內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)軋輥徑向的移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)使得軋輥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，能夠用于小型設(shè)備中，這也是最初產(chǎn)生的軋輥頭；隨后在1948年的專(zhuān)利CH271702A中介紹了一種設(shè)計(jì)較為成熟的軋輥頭，工件在三個(gè)軋輥之間沿軸向進(jìn)給，同時(shí)三個(gè)軋輥還能在偏心結(jié)構(gòu)中沿徑向少量位移，從而便于軋輥壓住工件和退出工件，該專(zhuān)利中軋輥安裝有滾珠軸承，軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)更為順暢；1974年的專(zhuān)利SU484926A2中，在三輥軋輥頭的其中一個(gè)軋輥上設(shè)置了一個(gè)鎖止銷(xiāo)，從而對(duì)該軋輥進(jìn)行定位，提高成形精度；1974年的專(zhuān)利DE2438937A1進(jìn)一步對(duì)軋輥頭進(jìn)行改進(jìn)；2000年的專(zhuān)利JP2001276948A通過(guò)設(shè)置傳感器能夠?qū)崟r(shí)感應(yīng)輥軸的角度位置信號(hào)，從而任意確定輥?zhàn)娱_(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的位置以及轉(zhuǎn)動(dòng)停止位置，提高成形精度，將現(xiàn)代科技應(yīng)用到三輥滾軋中來(lái)。

4.4 多輥結(jié)構(gòu)

隨著工業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜程度的提高，在二輥滾軋和三輥滾軋的基礎(chǔ)上相繼出現(xiàn)了不同輥數(shù)的多輥滾軋，最早在1926年的專(zhuān)利FR630246A中出現(xiàn)了四輥滾軋，四個(gè)軋輥均勻布置，工件從軋輥中間沿軸向進(jìn)給，1952年的專(zhuān)利DE1002276B也采用了四輥滾軋，不同的是，其采用的是徑向進(jìn)給的結(jié)構(gòu)，四個(gè)軋輥兩兩配對(duì)，其中一對(duì)軋輥設(shè)置在滑塊上，能夠相對(duì)于另一對(duì)固定設(shè)置的軋輥移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給；2015年的專(zhuān)利CN204685929A提出了一種新的軋輥頭，機(jī)頭主體中間部位為調(diào)整套安裝座，加工倉(cāng)的四周加工有四個(gè)滾絲刀架，四個(gè)刀架安裝孔14內(nèi)固定有四個(gè)滾絲刀架，滾絲刀架3包括一個(gè)U型安裝座31，U型安裝座31的頂部為弧形設(shè)計(jì)，U型安裝座31內(nèi)固定有滾絲牙輪33，滾絲牙輪33通過(guò)在其中心處插入一根淬火圓軸34將其安裝在U型安裝座上，四個(gè)滾絲牙輪33直徑依次減小1/4，原理同螺旋狀彈簧，在加工倉(cāng)內(nèi)形成了一個(gè)螺旋升角結(jié)構(gòu)，滾壓螺紋時(shí)，滾絲牙輪33分四次依次滾壓，順勢(shì)爬升，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為滾壓省力，對(duì)牙輪傷害小，延長(zhǎng)牙輪壽命。1963年的專(zhuān)利DE1225136B設(shè)計(jì)了一種五輥滾軋結(jié)構(gòu)，其使用手柄進(jìn)行手動(dòng)操作；1997年的專(zhuān)利JPH10244340A將軋輥輥數(shù)增加到了七個(gè)，提高了生產(chǎn)效率。不過(guò)，在軋輥個(gè)數(shù)增多使生產(chǎn)效率提高的同時(shí)，也不能忽略其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度的提高，這使得設(shè)備維修、設(shè)備使用成本等增加。

5 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)外采用軋輥滾軋外螺紋的專(zhuān)利技術(shù)發(fā)展來(lái)看，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，國(guó)內(nèi)該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起步較晚，技術(shù)水平較低，對(duì)于國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)人來(lái)說(shuō)，想要繞開(kāi)國(guó)外公司的專(zhuān)利壁壘，開(kāi)辟新的途徑較為困難。由于國(guó)外的相應(yīng)技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，因此，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人一方面應(yīng)當(dāng)多借鑒國(guó)外的各種先進(jìn)技術(shù)，另一方面應(yīng)在國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)自主研發(fā)，設(shè)計(jì)出更合理的螺紋牙形、軋輥輥形，設(shè)計(jì)出適合復(fù)雜工件加工的軋輥裝置，同時(shí)提高裝置的自動(dòng)化程度，由小批量小作坊生產(chǎn)向大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，提高生產(chǎn)效率和滾軋精度。