專利名稱：一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置及方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料表面處理領域，具體涉及一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置及方法。
背景技術：
金屬材料表面的微觀結構對于零件的工作性質具有重要的影響。微觀結構所在基體結構主要有平面立體和曲面立體等。對于平面上的微觀結構的加工相對較為成熟，而對于回轉體上的微觀結構的加工相對比較困難。微觀結構如槽的成形方法主要有機加工、材料成形等工藝。對于軸上規則分布的微觀結構如液體軸承(需要在軸的表面形成5 20微米深的槽)的成型主要依賴于微細機加工等方法。但是，精細微加工方法成形周期長，力口工成本高。對于大批量工件加工，材料成型方法具有成形效率高，但是成形的精度較低的特點。針對不同的成形形狀，材料成形工藝主要有旋壓、劈切、壓印等方法。一般而言，材料成形工藝是一種材料坯料的成形方法，屬于粗加工的范疇。壓印是一種典型的金屬材料成形工藝，在材料成形中具有重要的地位。但是，壓印工藝在軸的微型槽的加工方面的應用卻鮮有相關報道。
發明內容
本發明一個目 的是針對現有技術的不足，提出了一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置。為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下:
一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置，包括兩個結構相同的軋輥裝置；所述的軋輥裝置包括軋輥軸和環形軋輥，環形軋輥套置在軋輥軸上，并與軋輥軸固定連接，環形軋輥的兩端分別設置有滾子軸承，滾子軸承通過軸承座固定在機架上，機架與電機驅動的機械手連接，電機通過機械手控制機架沿工件軸推進方向直線往復移動；軋輥軸穿過滾子軸承設置，軋輥軸的一端設置有壓蓋，另一端固定設置有電機驅動的機械手上的一個齒輪，兩個軋輥軸通過機械手的齒輪組實現軋輥軸相對轉動，進而帶動兩個環形軋輥相對轉動；兩個軋輥裝置的環形軋輥上下對稱設置，且位于同一平面。所述的環形軋輥為圓柱形，環形軋輥的外側壁上沿圓周開有凹槽，所述的凹槽的截面為半圓形，凹槽內的圓弧面上設置有多個凸起；兩個軋輥裝置的環形軋輥的凹槽相對，形成圓孔；
圓環的凹槽從起始工作部位展開成水平直線的凹槽，且將凹槽的圓弧面展開成平面后，多個凸起在該平面上成矩陣排列，橫向相鄰的凸起間的距離相同，縱向相鄰的凸起間的距離相同；所述的所有凸起的橫截面尺寸相同，位于凸起矩陣同一縱向序列的凸起高度相同；位于橫向序列的凸起分為成形段和整形段，所述的成形段從第一個凸起開始，成形段的凸起高度逐個遞增，成形段凸起上底面的中心連線與水平線成a角為2° 5。，整形段從成形段最高凸起的下一個凸起開始，整形段的所有凸起高度與成形段最高凸起的高度相同；成形段的長度為成形段和整形段總長度的70 80 % ;相鄰橫向序列凸起的距離與工件軸的相鄰微型槽距離相同。本發明的另一個目的是提供了利用該軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置進行壓印形成槽的方法。電機驅動提供動力，電機的正反轉驅動機械手拉動機架，使機架進行直線往復進給運動，同時電機驅動機械手的齒輪組帶動軋輥軸旋轉，進而帶動環形軋輥旋轉，實現環形軋輥在工件軸軸向直線往復運動和環形軋輥自身旋轉。步驟(I).工件軸上的微型槽壓印成形過程。固定裝置固定工件軸，使工件軸的一端置于環形軋輥的起始工作部位，第一次壓印時，在固定裝置的作用下推進工件軸沿軸向間歇進給一個進給距離，同時電機正轉使上方環形軋輥正轉、下方環形軋輥反轉，且兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的推進軸向方向平移，工件軸高度最低的凸起在工件軸上壓印第一微型槽的雛形，然后電機反轉使上方環形軋輥反轉、下方的環形軋輥正轉，兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的軸向推進反向平移，兩個環形軋輥退回至起始工作部位；第二次壓印時，工件軸在固定裝置的作用下推進工件軸沿軸向間歇進給一個進給距離，同時電機正轉使上方環形軋輥正轉、下方環形軋輥反轉，且兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的推進軸向方向平移，第一微型槽參與壓印成形，然后電機反轉使上方環形軋輥反轉、下方環形軋輥正轉，且兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的軸向推進反向平移，高度最低的凸起在工件軸上壓印第二微型槽的雛形，且兩個環形軋輥退回至起始工作部位；在電機正反轉的作用下使兩個環形軋輥旋轉并沿工件軸軸向直線往復運動，同時工件軸在固定裝置的作用下沿軸向推進方向間歇進給，工件軸表面微型槽逐個參與壓印成形過程，直至完成工件軸上最后的微型槽壓印雛形。微型槽壓印成形過程中所述的兩個環形軋輥沿工件軸軸向直線往復運動具體是:若已壓印成形的全部微 型槽軸向總距離小于等于環形軋輥的圓周長，則兩個環形軋輥在電機正反轉的作用下始終在起始工 作位置與第一微型槽位置沿工件軸軸向直線往復運動；若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離大于環形軋輥的圓周長，則環形軋輥在電機正反轉的作用下始終沿工件軸軸向推進方向旋轉一周后退回至起始工作位置。步驟(2).工件軸上的微型槽壓印整形過程。工件軸上的微型槽完成壓印成形過程后，工件軸重復多次進行整形過程，直至環形軋輥旋轉一周后無法到達工件軸上最后的微型槽位置，則微型槽壓印整形過程結束，形成壓印完全的工件軸；
所述的整形過程為工件軸在固定裝置的作用下推進工件軸軸向間歇進給一個進給距離，同時上方環形軋輥正轉、下方環形軋輥反轉，且環形軋輥在電機和機架的作用下并沿工件軸的軸線推進方向平移，工件軸上微型槽參與壓印整形，直至環形軋輥旋轉一周，然后上方環形軋輥反轉、下方環形軋輥正轉，且環形軋輥在電機和機架的作用下并沿工件軸的軸向推進反向平移，環形軋輥回歸起始工作位置。所述的起始工作位置為環形軋輥上沒有凸起且機架位于起始位置。所述的進給距離為工件軸表面軸向相鄰微型槽的距離。所述的環形軋輥的圓周長度小于等于工件軸軸長，環形軋輥的線速度與工件軸的推進進給速度相同，且兩個環形軋輥在相對點Q的凸起高度相同。本發明提出的軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置及方法與傳統的成形工藝比較所具有的優點如下:
(I)工作載荷小。滾動棍壓的方法，屬于一種局部成形工藝，工作載荷僅為整體的成形工藝如模鍛、擠壓工藝的幾分之一。此外，成形時，沿工件軸向方向，環形軋輥的凸起高度逐漸接近工件微型槽的高度，使工件軸表面微型槽逐步成形，屬于步進成形方法，從而可以進一步降低成形力。(2)生產效率高。工件軸的成形過程取決于軋輥軸的旋轉速度和工件軸的進給速度，軋輥軸旋轉速度頻率越高，工件軸進給速度越快，生產效率越高。設計環形軋輥時，將整個成形過程分為成形和整形兩個階段，這樣既可以保證成形效率，又可以大幅提高成形質量。(3)成形質量高。傳統的微成形擠壓工藝，成形時，材料向周邊流動，容易造成微型槽幾何形狀失真。另外微擠壓成形時的材料彈性回復，容易使微型槽的形狀不完整。而本發明的步進滾動輥壓壓印成形過程是一種步進成形工藝，單步變形小，同時環形軋輥設計成為成形和整形兩個部分，微型槽在后續的整形過程中，形狀精度可以得到大幅提高。本發明與傳統的機械加工工藝相比，成形效率大幅提高，加工成本大幅下降，并且由于采用了漸進成形的模具設計，所以成形質量得到較好的保證。
圖1為本發明中兩個軋輥裝置的結構示意 圖2為本發明工作狀態結構示意 圖3為環形軋輥的AA剖面結構 圖4(a)為水平展開后凸起的結構示意 圖4(b)為水平展開后橫向序列凸起的結構示意 圖5為工件軸壓印完成后的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的分析。如圖1所示，一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置，包括兩個結構相同的軋輥裝置；所述的軋輥裝置包括軋輥軸I和環形軋輥2，環形軋輥2套置在軋輥軸I上，并與軋輥軸I固定連接，環形軋輥2的兩端分別設置有滾子軸承3，滾子軸承3通過軸承座4固定在機架上，機架與電機驅動的機械手連接，電機通過機械手控制機架沿工件軸推進方向直線往復移動；軋輥軸I穿過滾子軸承3設置，軋輥軸I的一端設置有壓蓋5，另一端固定設置有電機的電機驅動的機械手上一個齒輪6，兩個軋輥軸通過機械手的齒輪組實現軋輥軸I相對轉動，進而帶動兩個環形軋輥2相對轉動；兩個軋輥裝置的環形軋輥2上下對稱設置，且位于同一平面。如圖3所示，所述的環形軋輥2為圓柱形，環形軋輥2的外側壁上沿圓周開有凹槽2-1，所述的凹槽2-1的截面為半圓形，凹槽2-1內的圓弧面上設置有多個凸起2-2 ;兩個軋輥裝置的環形軋輥2的凹槽2-1相對，形成圓孔；如圖4(a) ,4(b)所示，圓環的凹槽2-1從起始工作部位展開成水平直線的凹槽2-1，且將凹槽2-1的圓弧面展開成平面后，多個凸起2-2在該平面上成矩陣排列，橫向相鄰的凸起2-2間的距離相同，縱向相鄰的凸起2-2間的距離相同；所述的所有凸起2-2的橫截面尺寸相同，位于凸起2-2矩陣同一縱向序列的凸起2-2高度相同；位于橫向序列的凸起2-2分為成形段a和整形段b，所述的成形段a從第一個凸起2-2開始，成形段a的凸起2_2高度逐個遞增，成形段a凸起2-2上底面的中心連線與水平線成a角為2° 5。，整形段b從成形段a最高凸起2-2的下一個凸起2-2開始，整形段b的所有凸起2-2高度與成形段a最高凸起2-2的高度相同；成形段a的長度為成形段a和整形段b總長度的70 80 % ;相鄰橫向序列凸起2-2的距離與工件軸7的相鄰微型槽距離相同。如圖2、圖5所示，利用本發明裝置進行壓印形成槽的方法是:
電機驅動提供動力，電機的正反轉驅動機械手拉動機架，使機架進行直線往復進給運動，同時電機驅動機械手的齒輪組帶動軋輥軸旋轉，進而帶動環形軋輥2旋轉，實現環形軋輥2在工件軸7軸向直線往復運動和環形軋輥2自身旋轉。步驟⑴.工件軸7上的微型槽壓印成形過程。固定裝置固定工件軸7，使工件軸7的一端置于環形軋輥2的起始工作部位，第一次壓印時，在固定裝置的作用下推進工件軸7沿軸向間歇進給一個進給距離，同時電機正轉使上方環 形軋輥2正轉、下方環形軋輥2反轉，且環形軋輥2在電機和機架的作用下沿工件軸的推進軸向方向平移，工件軸高度最低的凸起2-2在工件軸7上壓印第一微型槽的雛形，然后電機反轉使上方環形軋輥2反轉、下方的環形軋輥2正轉，環形軋輥2在電機和機架的作用下沿工件軸7的軸向推進反向平移，環形軋輥2退回至起始工作部位；第二次壓印時，工件軸在固定裝置的作用下推進工件軸沿軸向間歇進給一個進給距離，同時電機正轉使上方環形軋輥2正轉、下方環形軋輥2反轉，且環形軋輥2在電機和機架的作用下沿工件軸的推進軸向方向平移，第一微型槽參與壓印成形，然后電機反轉使上方環形軋輥2反轉、下方的環形軋輥2正轉，且環形軋輥2在電機和機架的作用下沿工件軸7的軸向推進反向平移，高度最低的凸起2-2在工件軸上壓印第二微型槽的雛形，且環形軋輥2退回至起始工作部位；在電機正反轉的作用下使環形軋輥2旋轉并沿工件軸軸向直線往復運動，同時工件軸在固定裝置的作用下沿軸向推進方向間歇進給，工件軸表面微型槽逐個參與壓印成形過程，直至完成工件軸上最后的微型槽壓印雛形。微型槽壓印成形過程中所述的環形軋輥2沿工件軸軸向直線往復運動具體是:若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離小于等于環形軋輥2的圓周長，則環形軋輥2在電機正反轉的作用下始終在起始工作位置與第一微型槽位置沿工件軸軸向直線往復運動；若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離大于環形軋輥2的圓周長，則環形軋輥2在電機正反轉的作用下始終沿工件軸軸向推進方向旋轉一周后退回至起始工作位置。步驟(2).工件軸上的微型槽壓印整形過程。工件軸上的微型槽完成壓印成形過程后，工件軸重復多次進行整形過程，直至環形軋輥2旋轉一周后無法到達工件軸7上最后的微型槽位置，則微型槽壓印整形過程結束，形成壓印完全的工件軸7 ；
所述的整形過程為工件軸7在固定裝置的作用下推進工件軸7軸向間歇進給一個進給距離，同時上方環形軋輥3正轉、下方環形軋輥2反轉，且環形軋輥2在電機和機架的作用下并沿工件軸7的軸線推進方向平移，工件軸7上微型槽參與壓印整形，直至環形軋輥2旋轉一周，然后上方環形軋輥2反轉、下方環形軋輥2正轉，且環形軋輥2在電機和機架的作用下并沿工件軸7的軸向推進反向平移，環形軋輥2回歸起始工作位置。所述的起始工作位置為環形軋棍2上沒有凸起2-2且機架位于起始位置。所述的進給距離為工件軸7表面軸向相鄰微型槽的距離。所述的環形軋輥3的圓周長度小于等于工件軸7軸長，環形軋輥2的線速度與工件軸7的推進進給速 度相同，且兩個環形軋輥2在相對點Q的凸起2-1高度相同。
權利要求
1.一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置，包括兩個結構相同的軋輥裝置，其特征在于所述的軋輥裝置包括軋輥軸和環形軋輥，環形軋輥套置在軋輥軸上，并與軋輥軸固定連接，環形軋輥的兩端分別設置有滾子軸承，滾子軸承通過軸承座固定在機架上，機架與電機驅動的機械手連接，電機通過機械手控制機架沿工件軸推進方向直線往復移動；軋輥軸穿過滾子軸承設置，軋輥軸的一端設置有壓蓋，另一端固定設置有電機驅動的機械手上的一個齒輪，兩個軋輥軸通過機械手的齒輪組實現軋輥軸相對轉動，進而帶動兩個環形軋輥相對轉動；兩個軋輥裝置的環形軋輥上下對稱設置，且位于同一平面。
2.如權利要求1所述的一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置，其特征在于環形軋輥為圓柱形，環形軋輥的外側壁上沿圓周開有凹槽，所述的凹槽的截面為半圓形，凹槽內的圓弧面上設置有多個凸起；兩個軋輥裝置的環形軋輥的凹槽相對，形成圓孔； 圓環的凹槽從起始工作部位展開成水平直線的凹槽，且將凹槽的圓弧面展開成平面后，多個凸起在該平面上成矩陣排列，橫向相鄰的凸起間的距離相同，縱向相鄰的凸起間的距離相同；所述的所有凸起的橫截面尺寸相同，位于凸起矩陣同一縱向序列的凸起高度相同；位于橫向序列的凸起分為成形段和整形段，所述的成形段從第一個凸起開始，成形段的凸起高度逐個遞增，成形段凸起上底面的中心連線與水平線成a角為2° 5°，整形段從成形段最高凸起的下一個凸起開始，整形段的所有凸起高度與成形段最高凸起的高度相同；成形段的長度為成形段和整形段總長度的70 80 % ;相鄰橫向序列凸起的距離與工件軸的相鄰微型槽距離相同。
3.利用權利要求1所述的一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置進行壓印形成槽的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 電機驅動提供動力，電機的正反轉驅動機械手拉動機架，使機架進行直線往復進給運動，同時電機驅動機械手的齒輪組帶動軋輥軸旋轉，進而帶動環形軋輥旋轉，實現環形軋輥在工件軸軸向直線往復運動和環形軋輥自身旋轉； 步驟(1).工件軸上的微型槽壓印成形過程； 固定裝置固定工件軸，使工件軸的一端置于環形軋輥的起始工作部位，第一次壓印時，在固定裝置的作用下推進工件軸沿軸向間歇進給一個進給距離，同時電機正轉使上方環形軋輥正轉、下方環形軋輥反轉，且兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的推進軸向方向平移，工件軸高度最低的凸起在工件軸上壓印第一微型槽的雛形，然后電機反轉使上方環形軋輥反轉、下方的環形軋輥正轉，兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的軸向推進反向平移，兩個環形軋輥退回至起始工作部位；第二次壓印時，工件軸在固定裝置的作用下推進工件軸沿軸向間歇進給一個進給距離，同時電機正轉使上方環形軋輥正轉、下方環形軋輥反轉，且兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的推進軸向方向平移，第一微型槽參與壓印成形，然后電機反轉使上方環形軋輥反轉、下方環形軋輥正轉，且兩個環形軋輥在電機和機架的作用下沿工件軸的軸向推進反向平移，高度最低的凸起在工件軸上壓印第二微型槽的雛形，且兩個環形軋輥退回至起始工作部位；在電機正反轉的作用下使兩個環形軋輥旋轉并沿工件軸軸向直線往復運動，同時工件軸在固定裝置的作用下沿軸向推進方向間歇進給，工件軸表面微型槽逐個參與壓印成形過程，直至完成工件軸上最后的微型槽壓印雛形； 微型槽壓印成形過程中所述的兩個環形軋輥沿工件軸軸向直線往復運動具體是:若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離小于等于環形軋輥的圓周長，則兩個環形軋輥在電機正反轉的作用下始終在起始工作位置與第一微型槽位置沿工件軸軸向直線往復運動；若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離大于環形軋輥的圓周長，則環形軋輥在電機正反轉的作用下始終沿工件軸軸向推進方向旋轉一周后退回至起始工作位置； 步驟(2).工件軸上的微型槽壓印整形過程； 工件軸上的微型槽完成壓印成形過程后，工件軸重復多次進行整形過程，直至環形軋輥旋轉一周后無法到達工件軸上最后的微型槽位置，則微型槽壓印整形過程結束，形成壓印完全的工件軸； 所述的整形過程為工件軸在固定裝置的作用下推進工件軸軸向間歇進給一個進給距離，同時上方環形軋輥正轉、下方環形軋輥反轉，且環形軋輥在電機和機架的作用下并沿工件軸的軸線推進方向平移，工件軸上微型槽參與壓印整形，直至環形軋輥旋轉一周，然后上方環形軋輥反轉、下方環形軋輥正轉，且環形軋輥在電機和機架的作用下并沿工件軸的軸向推進反向平移，環形軋輥回歸起始工作位置。
4.如權利要求3所述的利用軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置進行壓印形成槽的方法，其特征在于步驟(I)所述的兩個環形軋輥沿工件軸軸向直線往復運動具體是:若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離小于等于環形軋輥的圓周長，則兩個環形軋輥在電機正反轉的作用下始終在起始工作位置與第一微型槽位置沿工件軸軸向直線往復運動；若已壓印成形的全部微型槽軸向總距離大于環形軋輥的圓周長，則環形軋輥在電機正反轉的作用下始終沿工件軸軸向推進方向旋轉一周后退回至起始工作位置。
5.如權利要求3所述的利用軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置進行壓印形成槽的方法，其特征在于所述的起始工作位置為環形軋輥上沒有凸起且機架位于起始位置。
6.如權利要求3所述的利用軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置進行壓印形成槽的方法，其特征在于所述 的進給距離為工件軸表面軸向相鄰微型槽的距離。
7.如權利要求3所述的利用軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置進行壓印形成槽的方法，其特征在于所述的環形軋輥的圓周長度小于等于工件軸軸長，環形軋輥的線速度與工件軸的推進進給速度相同，且兩個環形軋輥在相對點Q的凸起高度相同。
全文摘要
本發明公開一種軸上微型槽的步進滾動輥壓壓印成形裝置及方法。現有槽成形方法成形精度低、成本高、加工效率低。該裝置包括兩個結構相同的軋輥裝置；軋輥裝置包括軋輥軸和環形軋輥，環形軋輥的兩端分別設有滾子軸承，滾子軸承通過軸承座固定在機架，機架與機械手連接；軋輥軸一端設有壓蓋，另一端固定設有機械臂的一個齒輪。該方法是電機的正反轉驅動機械臂拉動機架，使得機架進行直線往復運動，同時機械臂的齒輪組帶動環形軋輥旋轉，實現環形軋輥在工件軸軸向直線往復運動和環形軋輥自身旋轉，使環形軋輥在工件軸上進行微型槽壓印成形、整形過程。本發明工作載荷小，成形效率大幅提高，加工成本大幅下降，且漸進成形的模具設計使成形質量高。
文檔編號B21H7/18GK103230994SQ20131014454
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月23日 優先權日2013年4月23日
發明者吳欣, 李紅霞 申請人:杭州電子科技大學