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        采用軋輥滾軋外螺紋專(zhuān)利技術(shù)分析

        2022-01-01 14:54:13
        中國(guó)金屬通報(bào) 2021年13期
        關(guān)鍵詞:外螺紋申請(qǐng)量軋輥

        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。

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