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。

参考文献
［1］中国机械工程学会.锻压手册第一卷——锻造.北京：机械工业出版社，1993
［2］华林，曹宏深，赵仲治.汽车差速器从动齿轮锻件辗扩生产.汽车研究与开发，1993(5)：47～49

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