一种用于轧制层合轴的辊式楔横轧装置及方法

本发明涉及楔横轧，尤其是涉及一种用于轧制层合轴的辊式楔横轧装置及方法。

背景技术：

1、异质金属层合轴能够融合不同材料的优势，达到“1+1>2”的成效。例如，42crmo/45钢层合轴的成本相较于纯车轴钢轴可降低一半。现有技术中，异质金属层合轴主要通过以下两种方式进行制备：其一，运用爆炸复合的棒材，并借助楔横轧或锻造等工艺来完成后续成形。然而，这种方法存在工序繁多、流程冗长的问题，并且爆炸焊接的成本高昂、效率低下，难以满足车轴大批量生产的需要；其二，先对两种棒材的内外表面进行打磨以及端部的焊接处理，随后采用楔横轧工艺直接轧制成形。而辊式楔横轧装置是楔横轧工艺中常用的一种楔横轧装置。但是，该方法所制备的层合轴，其内轴与外轴的结合界面呈平直状，结合强度较为有限，在后续服役过程中面对弯、扭、剪、压等载荷时，容易导致界面开裂、内外剥离的情况，无法满足层合轴轴向抗剪、周向抗扭的要求。

技术实现思路

1、本发明为了克服现有技术中的不足，提供一种用于轧制层合轴的辊式楔横轧装置，用于轧制具有波纹结合界面的层合轴，既能保证低加工成本和高加工效率，又能使层合轴成形后的层合轴具有轴向抗剪、周向抗扭的特点。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于轧制层合轴的辊式楔横轧装置，包括机架、定位组件、转动驱动机构和两个平行且相对设置的横轧辊，两个所述横轧辊转动连接于所述机架且转动方向相反，所述定位组件和所述转动驱动机构安装于所述机架，所述转动驱动机构至少与其中一个所述横轧辊传动连接并驱动所述横轧辊转动，所述定位组件设于两个横轧辊之间，至少其中一个所述横轧辊的辊轧弧面上设有凸出该辊轧弧面的预挤压条纹，至少其中一个所述横轧辊的辊轧弧面上设有凸出该辊轧弧面的成形楔，所述预挤压条纹沿所述横轧辊的外周周向延伸，所述预挤压条纹设于所述成形楔的前方，以使所述层合轴在成形时依次经过所述预挤压条纹和所述成形楔。

4、上述技术方案中，层合轴由内轴和套设在内轴外侧的外轴组成，内轴与外轴通过紧配和端部焊接的方式进行固定，所述预挤压条纹和所述成形楔可根据实际产品需求设置各种形状和大小。该方案的工作原理是：将层合轴放置于两个横轧辊之间的定位组件内，通过转动驱动机构驱动横轧辊转动，使层合轴在横轧辊转动时保持在定位组件中，所述横轧辊转动时，所述层合轴的圆柱面先滚过预挤压条纹，被挤压后在外轴的外表面产生压痕，并将压痕传递至内轴，接着所述层合轴继续滚动通过成形楔，外轴外表面的压痕在成形楔的挤压作用下被轧平，同时外表面的压痕在成形楔的作用下进一步传递至内轴和外轴的结合界面，最终轧制成的层合轴外表面光滑平整，外轴与内轴结合界面具有波纹特征，最后将成形后的层合轴从定位组件中取下，再在定位组件中放入新的未成形的层合轴，进行下一个零件的加工。上述技术方案既能实现层合轴在高温下的轧制，又能使轧制后层合轴的内外轴结合界面具有波纹状机械啮合，成形后的层合轴具有轴向抗剪、周向抗扭的特点。并且，层合轴的制造过程中未增添额外工序，仅通过一次轧制工序即可实现，不会对整体加工效率产生影响。此外，横轧辊能为辊轧弧面提供可靠支撑，保证辊轧弧面的结构强度和稳定性，从而保证成形产品的质量稳定性。而且，横轧辊可一直朝一个方向转动，无需返回操作，加工效率更高。

5、作为优选，所述定位组件包括沿横轧辊轴向延伸的第一夹板和第二夹板，所述第一夹板和第二夹板间隔设置于所述两个横轧辊之间并安装于所述机架，所述第一夹板与所述横轧辊之间设有避让间隙，所述第二夹板与所述横轧辊之间设有避让间隙，所述第一夹板和第二夹板之间形成沿横轧辊轴向延伸的定位槽，所述定位槽在横轧辊轴向上的至少一端开口设置。

6、上述技术方案中，所述定位槽能够对进入横轧辊之间的层合轴进行准确的定位和限位，确保层合轴在轧制过程中的位置稳定性。避让间隙的设置可以避免第一夹板和第二夹板与横轧辊发生干涉，保证横轧辊的正常运转。此外，这种结构简单可靠，易于安装和维护，能够有效地满足生产需求。

7、作为优选，至少其中一个所述横轧辊包括辊体和可拆卸安装于所述辊体的圆柱面上的横轧弧板，所述横轧弧板在所述横轧辊的周向上部分包裹所述辊体并凸出所述辊体的圆柱面，所述辊轧弧面设于所述横轧弧板。

8、上述技术方案中，所述横轧弧板的可拆卸安装使得其加工更加灵活，可以单独对横轧弧板进行加工，提高了加工效率和精度。降低了加工难度，减少了整体加工成本。同时，能够根据不同尺寸的层合轴更换相应型号的横轧弧板，提高了横轧辊的通用性和适配性，满足了多样化的生产需求。

9、作为优选，所述横轧弧板上设有从对应辊体的圆柱面向该横轧弧板上的辊轧弧面过渡的过渡面，两个所述横轧辊的半径分别是r1和r2，两个所述横轧辊的轴线的间距为l，所述层合轴的外径为d1，r1+r2+d1≤l≤h0+r1+r2+d1，仅一个所述横轧辊包括有所述横轧弧板时，所述h0为该横轧弧板中的所述辊轧弧面凸出所述辊体的圆柱面的高度；当两个所述横轧辊均包括有所述横轧弧板时，所述h0为两个所述辊轧弧面凸出对应辊体圆柱面的高度之和。

10、上述技术方案中，所述横轧弧板的可拆卸安装使得其加工更加灵活，可以单独对横轧弧板进行加工，提高了加工效率和精度。降低了加工难度，减少了整体加工成本。同时，能够根据不同尺寸的层合轴更换相应型号的横轧弧板，提高了横轧辊的通用性和适配性，满足了多样化的生产需求。上述技术方案中，通过使r1+r2+d1≤l，可以在所述辊轧弧面未对准所述层合轴时，使层合轴不与横轧辊的圆柱面接触，方便所述层合轴的放入和取出。通过使l≤h0+r1+r2+d1，可以在所述横轧辊转动至朝向所述层合轴时，使所述辊轧弧面能够紧密压紧层合轴，使得辊轧弧面能够有效地带动层合轴转动，并将其加工成所需的形状，同时限制和保证加工后的层合轴的外径。所述过渡部可以使所述圆柱面能够顺利地从与所述辊体的圆柱面对应过渡至所述辊轧弧面抵紧。

11、作为优选，两个所述辊轧弧面到对应横轧辊轴线的距离分别是l1和l2，两个所述横轧辊的轴线的间距为l，所述层合轴的外径为d1，l1+l2+d1≤l；

12、仅一个所述横轧辊的辊轧弧面上设有预挤压条纹时，所述预挤压条纹凸出对应辊轧弧面的高度为h1，h1+l1+l2+d1≥l；

13、两个所述横轧辊的辊轧弧面上均设有预挤压条纹时，两个所述预挤压条纹凸出对应辊轧弧面的高度为h1和h2，h1+h2+l1+l2+d1≥l；

14、仅一个所述横轧辊的辊轧弧面上设有成形楔时，所述预挤压条纹凸出对应辊轧弧面的高度为h3，h3+l1+l2+d1≥l；

15、两个所述横轧辊的辊轧弧面上均设有成形楔时，两个所述预挤压条纹凸出对应辊轧弧面的高度为h3和h4，h3+h4+l1+l2+d1≥l。

16、上述技术方案中，l1+l2+d1≤l，可以在所述预挤压条纹或所述成形楔未对准所述层合轴时，使层合轴不与横轧辊的圆柱面和所述辊轧弧面接触，方便所述层合轴的放入和取出。在所述预挤压条纹或所述成形楔对准所述层合轴时，使所述预挤压条纹或所述成形楔能够紧密压紧层合轴，使得所述预挤压条纹或所述成形楔能够有效地带动层合轴转动，并将其加工成所需的形状。

17、作为优选，所述成形楔凸出对应辊轧弧面的高度高于所述预挤压条纹凸出对应辊轧弧面的高度。

18、上述技术方案中，当成形楔对层合轴进行挤压轧制时，能够将预挤压条纹在外轴上产生的波纹轧平，从而使最终轧制成的层合轴拥有光滑平整的外表面。

19、作为优选，所述预挤压条纹沿所述横轧辊的外周周向螺旋延伸，所述预挤压条纹的螺旋角为α，80°＜α＜90°。

20、上述技术方案中，螺旋倾斜设置的预挤压条纹能够使第一步轧制后的层合轴在内外轴结合界面上产生螺纹状的压痕，而该螺纹状的压痕在经过成形楔的二次轧制后会被破坏，被破坏后的螺纹状压痕会在内外轴结合界面上形成周向和径向的限位凹痕，进而使内外轴在周向和轴向上的强度同时得到加强。

21、作为优选，所述预挤压条纹的数量为多个，多个所述预挤压条纹平行且间隔设置。

22、上述技术方案中，多个所述预挤压条纹平行且间隔设置能够在层合轴上形成多个均匀分布的螺旋凹槽，增加了内外轴结合界面的接触面积和机械啮合点的数量。从而有效地提高了结合界面的摩擦力和结合强度，使层合轴在轴向抗剪和周向抗扭方面的性能得到更好的提升。同时，多个平行且间隔设置的预挤压条纹还可以使压力更加均匀地分布在层合轴上，减少局部应力集中的现象，提高层合轴的整体稳定性和耐用性。

23、作为优选，多个所述预挤压条纹组成预挤压条纹组，所述预挤压条纹组的宽度小于等于所述成形楔宽度最大处的宽度。

24、上述技术方案能够确保在轧制过程中，成形楔能够充分地对预挤压条纹在外轴上产生的压痕进行处理。使得外轴外表面的压痕能够更有效地被轧平，同时外表面的压痕也能更顺利地传递至内轴和外轴的结合界面，从而形成具有特定波纹特征的结合界面。这有助于提高层合轴的整体质量和性能，使其在使用过程中更加稳定可靠。

25、一种辊式楔横轧工艺方法，基于上述的辊式楔横轧装置，包括以下步骤：

26、s100：将轧制前的内轴与外轴采用过盈配合方式通过压力机完成组坯，随后在端部进行焊接；s200：将焊接完成后，将组坯完成的层合轴送入加热炉加热；

27、s300：将加热后的层合轴送入辊式楔横轧装置，使层合轴位于定位组件内；

28、s400：所述转动驱动机构驱动所述横轧辊转动，使层合轴依次通过预挤压条纹和成形楔，层合轴通过预挤压条纹时，在外轴的外表面产生压痕的同时也将压痕传递至内轴，层合轴通过成形楔时，外轴外表面的压痕在成形楔的挤压作用下被轧平，与此同时，外表面的压痕在成形楔的作用下进一步传递至内轴和外轴的结合界面，最终轧制成的层合轴外表面光滑平整，外轴与内轴结合界面具有波纹特征；

29、s500：从定位组件内取出成形后的层合轴。

30、上述辊式楔横轧工艺方法中，采用过盈配合方式完成组坯并进行焊接，确保了在轧制前内轴与外轴的紧密结合。将组坯完成的层合轴送入加热炉加热，使其达到适宜的轧制温度，提高了材料的可塑性。将加热后的层合轴送入辊式楔横轧装置，使层合轴放置于两个横轧辊之间的定位组件内，通过转动驱动机构驱动横轧辊转动，使层合轴的圆柱面先滚过预挤压条纹，被挤压后在外轴的外表面产生压痕，并将压痕传递至内轴，接着继续滚动通过成形楔，外轴外表面的压痕在成形楔的挤压作用下被轧平，同时外表面的压痕在成形楔的作用下进一步传递至内轴和外轴的结合界面，最终轧制成的层合轴外表面光滑平整，外轴与内轴结合界面具有波纹特征，最后将成形后的层合轴从定位组件中取下，再在定位组件中放入新的未成形的层合轴，进行下一个零件的加工。上述技术方案既能实现层合轴在高温下的轧制，又能使轧制后层合轴的内外轴结合界面具有波纹状机械啮合，成形后的层合轴具有轴向抗剪、周向抗扭的特点。并且，层合轴的制造过程中未增添额外工序，仅通过一次轧制工序即可实现，不会对整体加工效率产生影响。此外，横轧辊能为辊轧弧面提供可靠支撑，保证辊轧弧面的结构强度和稳定性，从而保证成形产品的质量稳定性。而且，横轧辊可一直朝一个方向转动，无需返回操作，加工效率更高。