凸輪軸的楔橫軋工藝
• 介紹了一種多缸凸輪軸的楔橫軋工藝，討論了模具設計的關鍵技術。該工藝具有高效、節(jié)材、鍛件質(zhì)量好等優(yōu)點，經(jīng)濟效益與社會效益明顯。
一、引言
凸輪軸是發(fā)動機中的關鍵傳動部件，對其性能要求較高。目前，凸輪軸的生產(chǎn)工藝主要有三種，即切削加工、模鍛、楔橫軋軋制。機械切削加工方法存在生產(chǎn)效率低、材料利用率低、金屬纖維被切斷等缺點，但由于不需要大型的專用設備，工藝簡單。模鍛方法可以保證鍛件金屬纖維連續(xù)、鍛件質(zhì)量有保證，且具有相當?shù)纳a(chǎn)效率，但是模鍛時存在飛邊，材料利用率不高，材料利用率大致和切削方法相同。國內(nèi)發(fā)動機生產(chǎn)廠家大多還在采用上述的兩種方法生產(chǎn)。
楔橫軋工藝是本世紀六十年代發(fā)展起來的一種生產(chǎn)軸類鍛件的新工藝，它具有高效、節(jié)材等諸多優(yōu)點，經(jīng)過眾多學者及生產(chǎn)廠家的努力，近年來在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。采用此工藝生產(chǎn)的鍛件品種已達百余種，在鍛造行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。
二、 6012 凸輪軸的楔橫軋工藝性分析
6102 凸輪軸軋制毛坯如圖 1 所示，該毛坯的斷面縮減率較大，最大斷面縮減率在 φ31 處， ηmax=1-
，已接近楔橫軋工藝一次軋制的極限斷面縮減率 75% 。軋件需軋制部分為窄檔內(nèi)直角臺肩，檔寬最窄處只有 15mm ，窄檔內(nèi)直角臺肩的截齊曲線的計算與常規(guī)的直角內(nèi)臺肩的截齊曲線的計算有著本質(zhì)上的區(qū)別，因此，窄檔內(nèi)直角臺肩的截齊曲線的設計計算則成為凸輪軸軋制的關鍵技術。凸輪軸毛坯總長達 770mm ，直線度要求為 1mm ，該件為超長的精密楔橫軋件。因此，該凸輪軸屬于楔橫軋件中難成形件，工藝難度較大。 5
三、楔橫軋模具設計要點
1. 軋制方案的確定
軋件的最大直徑為 60mm ，但總長及需軋制的部分都較大，所以必須選用大規(guī)格的楔橫軋機，本工藝采用 H1000mm 的楔橫軋機。為保證模具設計時有足夠長的輥面利用，選用中心距為 1031.47mm 。該凸輪軸需軋制的凹檔臺肩總數(shù)為 18 個，為保證軋制時變形同步及兩側軋制力的平衡，起楔位置選在中間臺寬 17mm 處，以兩側同時起楔的方式軋制。
2. 工藝及模具參數(shù)的計算
由于需成形的凹檔達 18 個之多， H1000mm 楔橫軋機的輥面有限，為盡量減小各楔的長度，模具的成形角和楔展角取大值，成形角 α 取 30° ，楔展角 β 取 9.42° ，楔入段長度按公式 L1=0.5(d0-d1)cotαcotβ 計算，楔展段按 L2=Bcotβ 公式計算，經(jīng)計算模具展開總長為 2938.23mm ，其中送料段長度取 120mm 。模具簡圖如圖 2 所示。
3. 送料機構的設計
H1000mm 的楔橫軋機是分體式的，軋機沒有離合器與制動器系統(tǒng)，軋輥的轉動是靠萬向節(jié)帶動連續(xù)轉動。送料方式只能采用軸向送料，為此在上模具的最前段開有 75mm 寬 50mm 深的容料槽，送料機構能否準確及時的把坯料送到容料槽中，也是工藝能否順利實現(xiàn)的關鍵問題之一。由于設備及工藝條件的限制，送料段的長度不可能取得過大，送料段長度取 120mm ，軋輥轉速為 6r/min ，在此條件下，送料機構很難將坯料準確平穩(wěn)的送入容料槽中，有時容易出現(xiàn)卡料情況，嚴重時可將模具或設備損壞。而上模具中的卸料槽對卸料不起作用，所以可以考慮利用此段的長度來實現(xiàn)平穩(wěn)送料。具體做法是將上模具中的卸料段用鋼板封上，使坯料不是直接送入容料槽中，而是在送入容料槽前在模具上有一段滑動時間，從而實現(xiàn)坯料的平穩(wěn)送進。
4. 大斷面縮減率窄檔直內(nèi)角臺肩截齊曲線的設計
楔橫軋工藝成形直內(nèi)角臺肩時，必須在模具的相應部位加工出一條特殊的曲線，稱為截齊曲線。檔寬足夠寬的常規(guī)截齊曲線的計算方法有多種，雖然各種算法在計算時都有不同程度的簡化，但計算結果大都能滿足工程上的要求。大斷面縮減率軸類件的楔橫軋工藝在軋制時很容易出現(xiàn)縮徑缺陷，因此實現(xiàn)大斷面縮減率的軋制，首先必須避免縮徑的產(chǎn)生，而消除縮徑的方法也直接影響到截齊曲線的設計計算。窄檔內(nèi)直角臺肩的截齊曲線若按常規(guī)的方法計算，截齊曲線將延伸到楔入段，甚至把楔尖削掉，實際不可能存在這種情況。因此，大斷面縮減率窄檔直內(nèi)角臺肩的成形規(guī)律與常規(guī)的直內(nèi)角臺肩成形規(guī)律有著本質(zhì)上的區(qū)別，截齊曲線的計算模型也完全不同。在模具的調(diào)試中，已找出截齊曲線較精確的計算方法。按此方法計算出的截齊曲線，只需少許修磨，就可得到滿意的效果，從而大大減少了修模時間，縮短了調(diào)試周期。
四、經(jīng)濟性分析
該工藝與機械切削方法相比，具有較明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢。楔橫軋工藝所用毛坯規(guī)格為 Φ60×500 ，坯料重 11.1kg ，而切削工藝所采用坯料規(guī)格為 Φ60×770 ，坯料重 17.1kg ，楔橫軋工藝節(jié)材效果明顯，材料利用率較切削工藝提高 35% 。若按年產(chǎn) 50 萬只計算，年節(jié)材達 60 萬噸，合人民幣約 100 萬元。
由于凹檔部分直接軋出，小徑及臺階的寬度精度較高，機械加工時，小徑和臺階的側面都不需加工，節(jié)約了大量的機加工工時，省掉了大量的機加費用。楔橫軋工藝的生產(chǎn)效率很高，可達每 min4 ～ 6 根，而車削方法一般要 8min 車一根，楔橫軋工藝的生產(chǎn)效率是車削方法的 32 ～ 48 倍。另外，切削工藝生產(chǎn)的凸輪軸，金屬纖維被切斷，在進行熱處理時，棱角容易出現(xiàn)開裂，造成廢品。楔橫軋工藝生產(chǎn)的凸輪軸，金屬纖維是連續(xù)的，其熱處理性能大為改善，使熱處理時的成品率得到提高。
五、結論
(1) 采用楔橫軋工藝生產(chǎn)多缸凸輪軸毛坯，工藝合理，技術先進，具有明顯的技術經(jīng)濟優(yōu)越性。
(2) 在理論和實踐上解決了大斷面縮減率窄檔直內(nèi)角臺肩的截齊曲線計算和修整，縮短了工藝的調(diào)試周期。
(3) 采用楔橫軋工藝生產(chǎn)凸輪軸毛坯，與切削工藝相比，節(jié)材效果明顯，生產(chǎn)效率得到較大的提高，經(jīng)濟效果顯著
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