CN100464879C - 凸轮轴的板式楔横轧精密成形方法 - Google Patents
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Abstract
一种凸轮轴的板式楔横轧成形方法，属于金属塑性成形技术领域。成形方法为两个带有楔型模具的板式模具做相向移动运动，加热的金属圆形棒料在模具成形面斜楔侧壁及模具板型曲面顶面作用下，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形为包括凸轮在内的凸轮轴；凸轮成形过程分为楔入轧制成形、展宽轧制成形、精整成形三个阶段，与之对应的模具楔分为楔入段、展宽段和精整段；成形凸轮所对应的模具板型曲面，是轧制过程中凸轮与模具顶面所作相对共扼运动所确定的共扼包络面；模具成形面横截断面形状有多种型式。优点在于：生产效率高，材料利用率高，生产成本低，尺寸精度高，产品质量好，实现了凸轮轴的精密成形。
Description
技术领域：
本发明属于金属塑性成形技术领域，特别提供了一种凸轮轴的板式楔横轧成形方法。
技术背景：
楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，它的工作原理为：两个带有楔形模具的板式模具，以相反方向移动，带动圆形轧件反向旋转，轧件在楔形孔型的作用下，轧制成形各种阶梯轴。它的主要变形是径向压缩轴向延伸。该技术主要用于生产批量大的轴类零件，包括：汽车、拖拉机、摩托车、内燃机、五金工具、建筑机械等轴类零件。该技术具有高效、节材、低耗等特点，是节材节能的先进生产技术。凸轮轴广泛应用于火车、汽车、拖拉机、摩托车等交通运输机械工业，但传统的楔横轧工艺只能生产各种同心回转体轴类零件，无法成形凸轮轴等非回转体轴类零件。本发明解决了传统楔横轧工艺的难题，实现了包括凸轮部分直接一次轧制成形的凸轮轴楔横轧工艺生产，扩大了楔横轧技术的使用范围，提高材料利用率，降低成本，实现了楔横轧近净轧制成形轧技术的使用范围，提高材料利用率，降低成本，实现了楔横轧近净轧制成形。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种凸轮轴的板式楔横轧成形方法，以高效率、低能耗、高节材率的塑性成形方法实现包括凸轮部分直接一次轧制成形的凸轮轴(毛坯)楔横轧生产工艺(参见图1)。
本发明的构成为：两个带有楔型模具的板式模具做相向移动运动，加热的金属圆形棒料在模具斜楔侧壁及顶面作用下做回转运动，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形包括凸轮在内的凸轮轴。
凸轮成形过程分为楔入轧制成形、展宽轧制成形以及精整成形三个阶段。与之对应的模具楔分为楔入段、展宽段和精整段(参见图2)。
成形凸轮轴段所对应的模具楔工作面由模具成形面和模具板型曲面(顶面)组成(参见图2)。与传统成形回转体轴类零件方法不同，成形凸轮所对应的模具顶面不是平面，其板型曲面是轧制过程中凸轮与模具顶面的相对共扼运动所确定的共扼包络面。
设定凸轮方程为
则当轧件轧制滚动半径rk为一定值时，其板型曲面方程可写为：
式中：
其中γ＝0和γ＝π。
板式楔横轧有上、下(或左、右)两个模具构成，式中γ＝0时上式为一个模具的板型曲面，γ＝π时上式为另一个模具的板型曲面。两个模具顶面形状一样，但相位相差半个周期。
模具成形面横截断面形状有多种型式：单成形角(参见图3)、双成形角(参见图4)、多成形角、弧形成形面(参见图5)等。对于单成形角、2～10个变化角度成形角，其成形角度值α取值在16°～60°范围内；弧形成形面其切线与轴线夹角α取值在0°～90°范围内。展宽角β取值在1°～12°范围内，展宽角是指模具楔展开线与模具楔展开长度方向的夹角，参见图9所示。
本发明所述的凸轮轴的楔横轧成形方法适用于板式楔横轧或链板式楔横轧。
本发明所述的凸轮轴的楔横轧成形方法中所指的凸轮轴可以包含有1～24个凸轮轴径段。
本发明所述的凸轮轴是指内燃机凸轮轴，包括单缸和多缸凸轮轴，凸轮轴包含1～24个凸轮。
本发明的优点在于：
与锻造成形方式相比本发明具有如下优点：
1)生产效率高3～10倍；
2)工作载荷不到10％，使设备重量大幅度下降，模具寿命大幅度提高；
3)成形零件精度高，没有飞边，节材率20％以上，可实现少无切削与零件精确成形；
4)成形的零件纤维流线连续，并可实现形变处理，零件质量好；
5)工作时无冲击少噪音，易于实现自动化生产、属于清洁生产等。
与传统楔横轧方法相比本发明具有如下优点：
1)扩大楔横轧工艺应用范围，实现非回转体的楔横轧零件的生产；
2)提高材料利用率。由于可以直接轧制出包括凸轮在内的凸轮轴，轧件尺寸更接近最终产品尺寸，实现近净成形；
3)降低机械加工费用。由于轧件尺寸更接近最终产品尺寸，机加工量显著减少，甚至直接磨削即可，明显降低机械加工费用。
4)产品质量好，由于凸轮轴是轧制成形，凸轮表层组织致密，纤维组织连续，故机械性能得到提高。
附图说明：
图1为本发明的凸轮轴示意图。
图2为本发明的成形凸轮的板式楔横轧楔型示意图，其中，模具楔成形面1、模具楔板型曲面2。
图3为本发明的单成形角示意图。
图4为本发明的多成形角示意图。
图5为本发明的弧形成形面示意图。
图6为本发明的示例凸轮轮廓示意图。
图7为本发明成形凸轮的模具板型曲面轮廓图，其中：凸轮的运动轨迹3。
图8为本发明的成形凸轮轴示意图。
图9为本发明的成形凸轮轴的板式楔横轧模具孔型示意图。
具体实施方式
图9所示的是板式楔横轧成形示例凸轮轴(图8)的模具孔型图之一。坯料置于两模具之间，模具运动带动坯料旋转，坯料在模具作用下，径向压缩轴向延伸，坯料逐渐成形为阶梯轴。
成形凸轮的模具板型曲面实例：
设凸轮方程为
其中：r0＝15mm，r1＝20mm，r2＝5mm
式中各参数意义参见图6。
板型曲面的具体计算结果如下表(轮廓图参见图7)
| θ(°) | x(mm) | y(mm) | θ(°) | x(mm) | y(mm) |
| 0 | 0.0 | 15.0 | 95 | 33.561 | 24.517 |
| 15 | 5.236 | 15.0 | 100 | 35.461 | 22.939 |
| 30 | 10.472 | 15.0 | 105 | 36.727 | 21.172 |
| 35 | 12.111 | 15.054 | 110 | 38.405 | 19.578 |
| 40 | 13.763 | 15.218 | 115 | 40.241 | 18.281 |
| 45 | 15.442 | 15.502 | 120 | 42.092 | 17.271 |
| 50 | 17.159 | 15.921 | 125 | 43.907 | 16.499 |
| 55 | 18.925 | 16.499 | 130 | 45.673 | 15.921 |
| 60 | 20.740 | 17.271 | 135 | 47.390 | 15.502 |
| 65 | 22.591 | 18.281 | 140 | 49.069 | 15.218 |
| 70 | 24.427 | 19.578 | 145 | 50.721 | 15.054 |
| 75 | 26.105 | 21.172 | 150 | 52.360 | 15.0 |
| 80 | 27.371 | 22.939 | 180 | 62.832 | 15.0 |
| 85 | 29.271 | 24.517 | 270 | 94.248 | 15.0 |
| 90 | 31.416 | 25.000 | 360 | 125.664 | 15.0 |
Claims (3)
1.一种凸轮轴的板式楔横轧精密成形方法，其特征在于：两个带有楔型模具的板式模具做相向移动运动，加热的金属圆形棒料在模具斜楔侧壁及模具顶面作用下，实现连续径向压缩、轴向延伸变形，逐渐成形为包括凸轮在内的凸轮轴；凸轮成形过程分为楔入轧制成形、展宽轧制成形、精整成形三个阶段，与之对应的模具斜楔分为楔入段、展宽段和精整段；成形凸轮轴段所对应的模具斜楔工作面由模具成形面和模具板型曲面组成，成形凸轮所对应的模具板型曲面是轧制过程中凸轮与模具顶面所作相对共轭运动所确定的共轭包络面；模具斜楔的成形角为单一固定角度的成形角，或由2～10个变化角度的成形角构成，其成形角的角度值α取值为16°～60°；模具斜楔的展宽角取值范围为1°～12°，展宽角是指模具斜楔展开线与模具斜楔展开长度方向的夹角。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的凸轮轴的板式楔横轧精密成形方法适用于板式楔横轧或链板式楔横轧。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的凸轮轴包含1～24个凸轮。
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