異型線材的成型方法及裝置的製作方法
2023-09-13 01:32:20
專利名稱：異型線材的成型方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及適用於發動機用活塞環的異型線材，特別是關於用於油環的近似H型異型線材的成型方法及裝置。
背景技術：
隨著發動機向高轉速、高輸出方向的發展，高負荷的活塞環也由原來的鑄鐵材料改為使用鋼材材料，進而又使用高合金不鏽鋼等特殊鋼。特別是在如圖7所示的例子中的，使用具有近似H型截面等複雜異型截面的油環，而且具有嚴格的尺寸精度要求。
現在，這樣的具有異型截面的活塞環的成型，大多數是在將圓線成型為矩形線之後，由圖9所示的具有4方軋輥7、7′的非驅動4方軋輥特克頭(Turks Head)4做前後直排配置，經拉拔進行成型。而且，是經過3～5次的多次重複操作，而達到所設定的形狀。在這種情況下，如果使用特殊鋼作為活塞環材料，則必須在成型加工的過程中進行多次消除應變的退火。特別是在高合金鋼異型截面的情況下，拉拔成型的次數與中間退火的次數增多，會引起成本的上升。
所以，為了降低成本，有提高一次加工的斷面收縮率、減少拉拔成型的次數、減少中間退火的次數的要求。然而，在所述非驅動特克頭的成型中，由於通常是由絞盤(capstan)等的拉拔力而進行的拉拔，所以要提高特克頭的斷面收縮率就需要大的拉拔力。這樣，由於施加在線材上的力增大，使線材發生延伸，就會發生如圖3所示的，在對具有圓拱(web)8與邊緣(flange)9的異型截面的材料進行成型的情況下，線材僅向長度方向延伸，邊緣9部就不能充分填充在軋輥孔型內。因此，在由所述傳統的特克頭軋輥對異型線材進行成型時，為了提高填充率，就必須減小斷面收縮率以減小對線材的張力，所以就不能減少成型的次數。
發明內容
鑑於上述問題，本發明的目的在於，提供一種使填充率提高、中間退火次數減少、使用少的成型設備、能夠高效率、高精度地對異型線材進行成型的成型方法與裝置。特別是，本發明適用於具有複雜截面形狀的高合金鋼的異型活塞環材的成型，但並不限於活塞環，可以適用於廣泛的異型材料的成型。
而且，這裡所說的異型材料，除了單純的角、矩形、圓、橢圓等截面形狀外，還可以是H、I、L、M、T、U、V、X型等複雜截面形狀的線材。所述圖7中所示的近似H型截面形狀的活塞環是其中的一個例子。
為了減少成型加工的次數，必須提高成型中一次的斷面收縮率。然而，如前所述，由於現行的特克頭軋輥，是由沒有驅動裝置的非驅動，靠絞盤的拉拔力對進行的拉拔，使得軋輥轉動而進行的拉拔成型，所以拉拔成型時作用到線材上的拉拔力就很大，線材向長度方向延伸，難以填充滿軋輥孔型的截面。而且，斷面收縮率增大時，由於張力的作用，材料會沿長度方向延伸，如果超過了材料的加工極限，表面可能會發生裂紋，進而可能產生破斷。
所以，如果僅靠隨意增加特克頭的臺(stand)數，則由於張力的增大，會增加線材破斷的危險性。所以在已有的傳統方法中，在對如所述圖3中所示的異型線材進行成型時，必須將拉拔次數分為3～5次進行成型，且在拉拔的中間還需要進行消除應變的退火。此外，在已有的非驅動特克頭的成型中，由於邊緣部的填充率低，所以必須使用大尺寸的原材料，這又引起全體加工率的上升以及中間消除應變退火次數的增加。
所以本發明者以提高孔型的填充率及減少成型的次數為目標，進行了多次的實驗，得出了以下的結果。
①由設計特克頭的驅動軋輥的方式，實現對線材不施加張力的成型，能夠使近似H型異型材的邊緣部的填充率提高，成型的次數減少。
②靠增大特克頭軋輥的直徑，可以提高邊緣部的填充率。
③另一方面，有非驅動特克頭容易得到尺寸精度的情況。
④必須考慮其它附帶因素，例如為適應於小批量多品種生產的良好程序步驟性、易於確保孔型的高自由度與剛性等。
所以，為了達到基於上述見解的目的，本發明中異型線材的成型方法與裝置具有以下特徵，把由非驅動前段4方軋輥特克頭與動力驅動的後段4方軋輥特克頭組合而成的成型單元，以一個單元或多個單元呈前後直排配置而使用。
也就是說，成型單元由前段的非驅動特克頭與後段的動力驅動特克頭組合而成，由後段的動力驅動特克頭給予前段的非驅動特克頭所需要的拉拔力，由尺寸精度良好的非驅動特克頭與對成型材不施加張力的動力驅動特克頭的特性組合而構成成型單元。換言之，在由前段的非驅動特克頭維持尺寸精度的同時，由後段的動力驅動特克頭提高孔型的填充率，從而增加一次成型的斷面收縮率，減少成型的次數。
由本發明的成型單元的一個或多個呈前後直排配置，對所述形狀的活塞環能夠經1～2次的加工而成型。這樣，與傳統的3～5次分別成型，中間又需要消除應變的退火的工序相比，僅需1～2次成型，且又能夠省去中間的退火工序，所以可大幅度提高效率、降低成本。
還有，這裡所說的成型單元，並不是僅僅意味著非驅動前段特克頭與動力驅動的後段特克頭形成一體的結構，二者也可以獨立，但需要功能上的組合。而且，對於後段動力驅動特克頭的一臺，並不僅限於一臺前段非驅動特克頭，也包含由多個前段非驅動特克頭組合而成的結構的情況。
所述動力驅動的4方軋輥特克頭的成型軋輥，希望能夠由縱橫中的一個強加工側的一對軋輥的2軸所驅動。這裡所謂強加工側的軋輥，在所述近似H型截面成型的情況下，是指不在側面的平面側，實行對設置邊緣孔型的大的成型加工一側的軋輥。由此，在提高所述填充率的同時，還可以由準備程序步驟等處置，達到簡易結構的目的。
所述成型單元的至少驅動特克頭的成型軋輥，希望是具有比被成型材料的厚度大70倍以上直徑的大徑軋輥。如前所述，本發明者從實驗得出了軋輥直徑大時能夠提高填充率的結論。但在傳統的非驅動特克頭中，由於軋輥直徑增大時需要大的拉拔力，所以使用直徑僅為被成型材料厚度50倍的軋輥。而本發明使用比被成型材料的厚度大70倍以上直徑的大徑軋輥，所以能夠提高孔型的填充率。而且，也可以在提高孔型的填充率的基礎上，僅將強加工側的成型軋輥的口徑增大。
還有，雖然也希望非驅動特克頭的成型軋輥的口徑增大，以提高孔型的填充率，但是必須考慮與設備費用的平衡等問題。
而且，在所述成型單元或多個成型單元列的後方，希望能夠前後直排地配置有精軋輥列的非驅動4方軋輥特克頭。還有，希望精軋輥列的特克頭的斷面收縮率為10％以下，進而希望在3％以下。這樣，由成型單元的大的斷面收縮率而成型的線材的精度，可以由精軋輥列的特克頭而提高。該精軋輥列的特克頭由一個或多個所構成。
而且，希望控制所述成型單元的非驅動特克頭與動力驅動特克頭之間對被成型材料的張力在300N以下，所述多個成型單元之間以及成型單元與精軋輥列特克頭之間對被成型材料的張力為50～200N而進行線材的成型。
如前所述，由於在給予成型材料的張力增大時，使軋輥的填充率降低，從而必須增大原材料的尺寸，所以必須對張力進行控制。本發明的成型單元，是由後段驅動特克頭給予被成型材料以拉拔力，在由動力驅動特克頭所產生的拉拔力過大時，會產生軋輥的滑動。所以，希望前段的非驅動特克頭與後段的動力驅動特克頭之間對被成型材料的張力在300N以下。該張力可由孔型設計與後段的動力驅動特克頭的旋轉數控制所進行。
另一方面，雖然成型單元之間以及成型單元與精軋輥列特克頭之間的張力也可以為零，但為了提高成型材料的伸直度而進行成型，希望張力為50～200N。
希望在所述多個成型單元之間以及成型單元與精軋輥列特克頭之間設置對被成型材料的張力進行控制的控制手段，以簡易地確保所規定的張力。
而且，在近似H型異型線材的成型中，希望圓拱的壓下率，在非驅動特克頭的軋輥孔型中為10～50％，在動力驅動特克頭的軋輥孔型中為20～60％。這裡所謂近似H型，是指例如在圖3中所示的具有圓拱8與邊緣9的截面形狀。圓拱的壓下率是指，設壓延前的圓拱尺寸為T1，壓延後的尺寸為T2，則壓下率％＝[(T1-T2)/]T1×100。非驅動特克頭的壓下率小於10％時，使成型的次數增加，而當驅動特克頭的壓下率大於60％時，軋輥的強度不足，有破損的危險。
所述本發明的異型線材的製造方法及裝置，可以廣泛適用於複雜截面形狀的異型線材的成型，特別是適用於活塞環材料的成型。
圖1是表示本發明中異型線材的成型裝置全體結構圖。
圖2是表示本發明成型實驗的特克頭軋輥的配置圖。
圖3是表示本發明的成型實驗的最終成型形狀的圖。
圖4是表示本發明的成型實驗的成型工序的圖。
圖5是表示本發明的成型實驗的實驗結果數據的表。
圖6是總結本發明的成型實驗的實驗結果的圖。
圖7是表示油環形狀一例的圖。
圖8是表示由本發明的異型線材的成型裝置所批量生產的成品的截面形狀的圖。
圖9是表示非驅動特克頭的立體圖。
圖中1-活塞環、2-線圈擴展器(coil expander)、4-特克頭(TurksHead)、7，7′-軋輥、8-圓拱(web)、9-邊緣、11-卷出機、15-成型單元、16-前段非驅動特克頭、17-後段動力驅動特克頭、21-精軋輥列非驅動特克頭、23-絞盤(capstan)、24-卷取機、25-浮動(dancer)軋輥(儲線機軋輥)。
具體實施例方式
成型實驗首先，以異型線材成型裝置的設計為目標，使用如圖2所示的軋輥配置的特克頭，按以下的條件進行成型實驗。由動力驅動特克頭驅動圖2中的上下軋輥。
原材料材質0.85C-17Cr鋼實驗成型工序實驗成型的工序如圖4所示。
①使用圖4(A)中的厚度/寬度H0/W0＝2.30/3.20mm的矩形截面的線材。
②由No.1非驅動特克頭，按照圖4(B)中的初步成型尺寸，邊緣高度H1/圓拱尺寸T1/寬度W1＝2.30/1.50/3.10mm，進行初步成型。
③使用圖4(B)中的初步成型材料，改變為下述特克頭的軋輥徑及壓下率，最終成型為圖4(C)所示的截面形狀。
最終成型的實驗條件使用軋輥①φ125非驅動特克頭②φ250非驅動特克頭③φ250動力驅動特克頭最終成型的圓拱尺寸T2①1.20②1.10③1.00④0.95實驗結果如圖5所示，圖6是總結圖5的實驗結果所得到的圖。這裡壓下率與填充率的定義如下，設壓延前的圓拱尺寸為T1，設壓延後的圓拱尺寸為T2，則壓下率％＝[(T1-T2)/T1]×100；設壓延前的邊緣高度為T1，設壓延後的邊緣高度為T2，則填充率％＝(T2/T1)。
由實驗所得的圖5、圖6的結果，可以得出①φ250動力驅動特克頭，比φ125及φ250非驅動特克頭，能夠獲得高的填充率。
②在使用φ125及φ250非驅動特克頭時，成型後的邊緣高度比原材料的厚度略有減少，沒有超出原材料，而在使用φ250動力驅動特克頭時，成型後的邊緣高度比原材料的厚度要高，即增大了填充率。
③對於φ125及φ250非驅動特克頭中的任一個，增大壓下率就使線材所承受的張力增大，所以填充率下降；對於φ250動力驅動特克頭，則填充率卻隨著壓下率的增大而提高。
④在非驅動特克頭中，φ250的大徑軋輥比φ125的小徑軋輥能夠獲得高的填充率。
基於以上的實驗結果設計了本發明的異型線材成型裝置。以下，對圖示的實施形式加以具體的說明。圖1是表示本發明中異型線材的成型裝置全體的概念圖。圖中自左向右順序排列著卷出機11、成型單元15、最終加工特克頭21、絞盤23、以及卷取機24。在卷出機11與成型單元15之間，以及成型單元15與最終加工特克頭21之間，分別設置有浮動軋輥25，構成控制線材張力的控制手段，由其位置將軋輥間的被成型材的張力控制為所規定的值。
成型單元15，由一臺非驅動前段特克頭16及動力驅動的後段特克頭17所構成。
非驅動前段特克頭16，由4方軋輥特克頭，使用了軋輥直徑為(原材料邊緣高度H×50)mm的軋輥。動力驅動後段特克頭17，由4方軋輥特克頭，使用了軋輥直徑為(原材料邊緣高度H×100)mm的軋輥，僅上下軋輥由馬達驅動。
最終加工特克頭21，由與前段特克頭16相同的4方軋輥特克頭，由絞盤23所給予的拉拔力進行拉拔成型。由該最終加工特克頭列可以得到高尺寸精度的異型線材。
在本實施形式中，雖然前段特克頭16相對於後段特克頭17為1∶1臺，但也可以將前段特克頭16設置為2臺以上。而且在本實施形式中，雖然一行的成型單元作為一個成型單元，但也可以將兩個以上的多個單元進行前後直排地排列。在這種情況下，各部件之間配置浮動軋輥25，對部件之間線材張力進行控制。還有，在本實施形式中，是使用了一臺最終加工特克頭，但也可以使用兩臺以上。
使用具有上述結構的異型線材的成型裝置，由0.65C-13Cr鋼進行了如圖8所示截面形狀的異型活塞環的批量生產成型。成型時控制前段特克頭16與後段特克頭17之間的被成型材料的張力約為200N，成型單元15與最終加工特克頭21之間的張力約為100N。
其結果是，在兩次成型中間沒有退火，得到了邊緣尺寸H與寬度W的尺寸精度均為10μm的高精度成品。
在使用傳統的裝置來製造本實施例中形狀的異型活塞環的情況下，.需要前後(tandem)配置的3臺非驅動特克頭進行拉拔成型。而且，必須分成三次拉拔，其間還必須進行兩次中間退火。而在本發明中，對此僅需要如圖1所示的計3臺(特克頭)進行2次成型，且可以省去中間退火。
由以上的說明可知，本發明的異型線材的成型裝置，由於是由4方軋輥的非驅動特克頭與動力驅動特克頭的前後段組合的成型單元進行的成型，所以能夠得到尺寸精度良好的非驅動特克頭與對成型材不施加張力、能以高的填充率成型的動力驅動特克頭的特性的組合。
這樣，歷來需要進行分為3～5次成型，2～3次中間退火的複雜截面形狀的異型線材，(在本發明中)僅需要1～2次的成型，1次或不需要中間退火，就可以完成其成型。
而且，由於動力驅動特克頭的成型軋輥僅僅兩軸驅動，所以結構簡單，軋輥的替換等操作也容易。
還有，由於動力驅動特克頭的成型軋輥，是具有比被成型材料的厚度大70倍以上直徑的大徑軋輥，所以能夠提高孔型填充率，減少成型次數。
還有，由於能夠將前段非驅動特克頭與後段動力驅動特克頭之間對被成型材料的張力在300N以下，將成型單元之間的張力控制在50～200N之間進行成型，所以能夠得到伸直率高的成品。
還有，由於在成型單元列的後方前後配置有4方軋輥特克頭，所以由成型單元能夠以高的斷面收縮率進行成型，由最終加工列的特克頭提高尺寸精度。
還有，在近似H型異型線材的成型的情況下，由圓拱的壓下率在非驅動特克頭軋輥的孔型為10～50％，在動力驅動特克頭為20～60％，使填充率提高。
由以上的說明可知，例如歷來需要3、3、3計9臺軋輥分為3次成型，中途需要兩次中間退火的製造工序，(在本發明中)可以僅使用3臺，經兩次成型，且不需中間退火而完成。
根據上述可知，由本發明的異型線材的成型方法及裝置，可以對高精度的異型線材，經不需中間退火的兩次成型而完成，所以可達到大幅度降低成本、提高生產能力的目的。本發明的異型線材的成型方法及裝置，不僅可以適用於活塞環材料的成型，還可以廣泛適用於其它用途的異型線材的成型。
權利要求
1.一種異型線材的成型裝置，其特徵在於把由非驅動前段4方軋輥特克頭與動力驅動的後段4方軋輥特克頭組合而成的成型單元，以一個單元或多個單元呈前後直排配置。
2.根據權利要求1所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於所述動力驅動的後段4方軋輥特克頭的成型軋輥，由縱橫中的任意一個強加工側的一對軋輥的2個軸所驅動。
3.根據權利要求1或2所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於在所述成型單元中的至少驅動特克頭的成型軋輥，為具有比被成型材料的厚度大70倍以上的直徑的大直徑軋輥。
4.根據權利要求1所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於在所述成型單元或多個成型單元列的後方前後直排地配置有精軋輥列的非驅動4方軋輥特克頭。
5.根據權利要求1～4中任意一項所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於把對在所述成型單元的非驅動特克頭與動力驅動特克頭之間的被成型材料的張力控制在300N以下，把對在所述多個成型單元之間以及在成型單元與精軋輥列特克頭之間的被成型材料的張力控制在50～200N的範圍內，進行異形型材的成型。
6.根據權利要求5所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於設有用於控制對在所述多個成型單元之間以及成型單元與精軋輥列特克頭之間的被成型材料的施加張力的控制裝置。
7.根據權利要求1～4中任意一項所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於在近似H型異型線材的成型裝置中，設定圓拱的壓下率，在非驅動特克頭的軋輥孔型中為10～50％，在動力驅動特克頭的軋輥孔型中為20～60％。
8.根據權利要求1～7中任意一項所述的異型線材的成型裝置，其特徵在於所述異型線材為活塞環線材。
9.一種異型線材的成型方法，其特徵在於使用把由非驅動前段4方軋輥特克頭與動力驅動的後段4方軋輥特克頭組合而成的成型單元，以一個單元或多個單元呈前後直排配置的成型機進行異型線材的成型。
10.根據權利要求9所述的異型線材的成型方法，其特徵在於所述成型單元中的至少驅動特克頭的成型軋輥，為具有比被成型材料的厚度大70倍以上直徑的大直徑軋輥。
11.根據權利要求9所述的異型線材的成型方法，其特徵在於由在所述成型單元或多個成型單元列的後方前後直排地配置有精軋輥列的非驅動4方軋輥特克頭的成型機進行異型線材的成型。
12.根據權利要求9～11中任意一項所述的異型線材的成型方法，其特徵在於把對在所述成型單元的非驅動特克頭與動力驅動特克頭之間的被成型材料的張力控制在300N以下，把對在所述多個成型單元之間以及成型單元與精軋輥列特克頭之間的被成型材料的張力控制在50～200N的範圍內而進行線材的成型。
13.根據權利要求11所述的異型線材的成型方法，其特徵在於設定所述精軋輥列的特克頭斷面收縮率為10％以下。。
14.根據權利要求9～11中任意一項所述的異型線材的成型方法，其特徵在於在近似H型異型線材的成型裝置中，設定圓拱的壓下率，在非驅動特克頭的軋輥孔型中為10～50％，在動力驅動特克頭的軋輥孔型中為20～60％。
15.根據權利要求9～14中任意一項所述的異型線材的成型方法，其特徵在於所述異型線材為活塞環線材。
全文摘要
本發明提供一種異型線材的成型方法及裝置，該裝置設有由非驅動前段4方軋輥特克頭(Turks Head)(16)與動力驅動的後段4方軋輥特克頭(17)組合而成的成型單元(15)，在成型單元的後方前後直排地配置有精軋輥列的非驅動4方軋輥特克頭(21)。動力驅動特克頭(17)的成型軋輥具有比被成型材料的邊緣高度大70倍以上的直徑，把在非驅動特克頭(16)與動力驅動特克頭(17)之間的被成型材料的所受張力控制在300N以下，把在成型單元(15)與完成列特克頭(21)之間的張力控制在50～200N範圍而進行成型。從而可高效率、高精度地成型異型線材。
文檔編號B21B1/16GK1507960SQ02157059
公開日2004年6月30日 申請日期2002年12月19日 優先權日2002年12月19日
發明者三神隆男, 舛形芳樹, 唐桶隆男, 樹, 男 申請人:日立金屬株式會社