轧辊变形对环件精度的影响及其补偿

一、前言

D51系列立式扩孔机结构简单、造价低廉、使用方便,广泛用于轴承环、齿轮坯等环件轧制(辗扩)生产中［1,2］。该系列扩孔机受结构限制,主轧辊和芯辊都类似于悬臂梁支承形式［1］,在环件轧制变形中容易产生弹性变形,这种轧辊弹性变形对轧制环件精度有重要影响。本文结合EQ140汽车从动螺旋齿轮锻件轧制生产实践,分析轧辊变形对环件精度的影响规律,并提出轧辊变形的补偿措施,为控制环件精度提供可行的方法。

二、环件精度分析

立式扩孔机轧制如图1所示,在轧制力作用下,悬臂梁轧辊产生弹性变形,致使驱动辊和芯辊轴线分别在静止位置张开α和β。图1中Di和Do分别为环件近扩孔机端面和远扩孔机端面的外圆直径,di和do分别为环件近扩孔机端面和远扩孔机端面的内孔直径,h为环件轴向高度,由几何关系可得

Do=Di+2htanα(1)

do=di+2htanβ(2)

图1轧辊变形与环件精度

已知要求的环件尺寸为:外径D、内径d、高度h。为了使轧制的环件满足尺寸要求,则轧制的环件尺寸应在要求的尺寸基础上留有加工余量。为此,在环件轧制中通常控制近扩孔机端面的环件尺寸,使环件外径为正偏差,内径为负偏差,环件内外都留有一定的加工余量。控制近扩孔机端面的环件尺寸的方法是,选择合适的环件下料重量,并调定信号辊的合适位置,使Di=D,di=d时,环件轧制过程结束。其中Di=D是通过信号辊来控制的,di=d是通过环件下料重量来控制的。将Di=D,di=d分别代入式(1)、(2)得

上两式中,Dmax和Dmin分别为环件外圆最大和最小直径；dmax和dmin分别为环件内孔最大和最小直径；Δ和δ分别为环件外圆和内孔直径公差。由式(3)、(4)可知,环件外圆和内孔公差与环件轴向高度成正比,与轧辊弹性变形张开角正切成正比。

三、环件精度补偿

1.增加下料重量

轧辊变形导致了环件外圆正偏差和内孔的负偏差,它们对应的材料体积增量分别为ΔV1和ΔV2。由图1几何关系可知:

将式(3)、(4)两式分别代入上两式整理得

总的材料体积增量ΔV为

根据轧制的环件可实测出轧辊弹性变形的张开角,这时可由式(7)计算出所需的材料体积增量ΔV。在环件轧制生产的下料工序中增加体积ΔV,就可以补偿轧辊变形对环件精度的影响。这种增加下料体积(重量)的精度补偿方法,不能提高环件精度,而只能保证轧制的环件有一定的加工余量,可以加工出规定尺寸要求的环件产品,仅适用于环件精度要求不高的情况。这种精度补偿方法简单易行,但增加了原材料消耗和后续机加工量。

2.修正轧辊形状

若对轧制环件的外圆和内孔的锥度有要求,则增加下料重量的精度补偿方法不适用。这时可采用修正轧辊形状的方法来实现环件精度补偿。参见图1,将圆柱形工作面的轧辊改成虚线表示的圆锥形工作面的轧辊,则所轧制的环件外圆和内孔的锥度将消失,环件的精度得到了较好的补偿和改善。其中,驱动辊工作锥面的锥角为2α,芯辊工作锥面锥角为2β。采用修正轧辊形状的环件精度补偿方法,不需增加材料消耗,而且还提高了环件精度,但只能在轧辊设计阶段实施。

作者采用D51-350、D51-400型扩孔机轧制成形D×d×h=φ382×φ280×55的EQ140汽车后桥从动螺旋齿轮锻件时,驱动辊弹性变形张开角α=4°～6°,芯辊的张开角β=2°～3°,轧辊变形对轧制的齿轮锻件精度有较大影响。我们先后采用了增加下料重量约1kg和修正轧辊形状的补偿方法,有效地改善和稳定了轧制齿轮锻件的精度。

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