从管状工作上无切屑连续切开一个个环的方法和设备

摘要

本发明涉及一种借助于切辊从管状工件上无切屑连续切开一个个彼此相同的环的方法。为了具有高精度地制造最好为滚动轴承钢的环，按本发明建议，管状工件要切开的部分完全被切辊纵向轮廓所包围，并制成环的平面平行和垂直于工件轴线的端面。重要之点在于，在切开过程前，管状工作加热到一个显著降低所用材料变形抗力的温度。

说明书

本发明涉及一种按主权利要求属类定义所述用于从管状工件上无切屑连续切开一个个彼此相同的环的方法。

环形构件在工程技术中得到广泛采用。在滚动轴承技术中它们在数量上甚至占构件的绝大部分。众所周知，每个滚动轴承由至少两个环形零件组成，即内环和内环。在大量生产时这些环例如由滚动轴承钢的环形半成品获得。尤其在滚动轴承生产中，将管材分切成大小相同的环是按标准的加工步骤，在滚动轴承行业日益激烈的竞争中这一加工步骤具有重要意义。在谋求高生产率和低生产成本的情况下，这种加工步骤有突出的重要性，在这种情况下尤其通过切削加工进行分切时，这种昂贵的材料导致显著提高成本。

在DE-OS1602950中公开了用以从管状工件上无切屑切开一个个彼此相同的环的此类方法。在这种方法中，设有三个带螺旋形刀刃围绕着要加工工件的切辊。这些切辊被驱动同向旋转并压在工件表面。此管状工件相对于切辊反向旋转并与此同时沿轴向推进。三个切辊彼此的旋转位置应定向为，使刀刃与要切开工件的接触，发生在一个准确的公共切割面内。切辊的直径从开始朝末端的方向逐渐增加，并在这种情况下形成一个逐渐变窄的通道。这一设备不适用于制造高精度的滚动轴承环，因为所切下的环的端面区被严重倒圆。除此之外，切辊的刀刃迅速磨损，因为滚动轴承钢具有极高的变形抗力，而且没有采取降低变形抗力的措施。

由DE-PS1013487已知另一种分切管件的方法。在这种方法中一个工作头绕要切开的管旋转，工作头有设在一个横截面内沿圆周的刀夹，并有松动地支承在刀夹中的切辊。切辊设有刀刃，刀刃有基本上沿径向的侧面，在切开过程中可将它们与要切开的管端面相靠。采用这种方法只能不连续地切下一个个管段。设备不适用于在短的周期时间内从管材上连续切开彼此相同的环。

本发明的目的是提供一种从管状工件与无切屑连续切开一个个彼此相同的环的方法，采用这种方法可以高精度地制造最好是滚动轴承钢的环，从而或完全取消切削精加工，或将切削精加工量减到很少，并且可以在没有前置的热处理设备的情况下直接使用热轧管。本发明更进一步的目的在于，即使加工滚动轴承钢也能做到使工具有长的使用寿命。

上述目的通过权利要求1特征部件所述特征达到。有利的其他改进以及用于实施此方法的设备，是从属权利要求的组成部分。

与已知的先有技术不同，在切割过程前，要切开的管状工件加热到一个显著降低所使用材料变形抗力的温度。此加热温度可根据材料性能采用约800℃或更高。准确地确定此温度取决于所使用材料的变形特性和可氧化性、切割设备的设计参数、切辊材料以及力求达到的切辊使用寿命。

按本发明方法的另一个特征是，制造出被被切下环的平面平行和垂直于工件轴线的端面。尤其对于生产滚动轴承环这一点是非常有利的。在切割时制成的平面越准确，所需要的精加工量越小，这种精加工例如形式上为面平行的预研磨或粗研磨。

在真正的切割过程之前的定心进口阶段已证明是有利的，因为这样一来可以加工公差范围较大的管状工件。因此也可以直接加工例如热轧管，不用考虑到有公差而事先先进行冷压加工，例如通过冷轧或冷拉。这种使用热轧管的可能性极大地提高了此方法的经济性。

为了使切下的环在几何上获得尽可能精确的外形，切辊在管状工件的材料中的切入运动，在所有的点均准确地沿着对准管状工件轴线的径向。变形力是压力，并在全部的切割过程期间压力始终准确地垂直于工件表面作用。要切下的环(它们一个个不断朝切割过程的最终成型移动)在纵剖面内看，在整个切割过程期间完全被切辊的纵向轮廓所包围，而在工件与切辊之间的接触线没有间断。环段被施加高的法向力，一方面在端面上作用轴向力，另一方面在外表面上作用径向力。这些法向力纯粹是压力，并在与切辊的接触区只产生压应力，因为由于刀刃侧面造成的侧向变形限制，防止了材料的侧向流走。在切割期间由于三面包围着环，所以环在单一的力作用下获得良好和稳定不变的外形精度。

另一项特征涉及在要切开的环形工件中的温度剖面。按本发明，在要切开的工件的外表面造成一个比内表面处要高的温度。因此在较冷的表层材料有较高的强度。其结果是增强了在由切辊产生的径向力作用下抵抗管状工件压缩的变形抗力，并提高了材料中的压应力。这一效果对于此方法产生正面的影响，因为它进一步提高了在材料中的已提及的压应力，并因而进一步改善了形状与尺寸的精度。此外，孔壁更硬一些的表层还可以避免形成毛边，并因而有利于环的切割。一种附加的如先有技术中提到的去毛刺设备，在按本发明的方法中因而是不需要的。此外，所建立的这种温度梯度允许免去在大多情况下采用的要切开的管状工件的内部支承装置，从而在总体上大大简化了结构。管状工件的加热主要通过感应法进行，因为可以通过频率调整加热的侵入深度。但可以根据送进量、壁厚和材料，要求进行预热，例如借助于马弗炉。

不过所建议的在切开过程之前加热管状工件导致加热工作间，因为工件的表面温度传给切辊，并除此之外有损耗的切割过程本身也会引起增高工件的温度。为了将切辊的温度保持在一个预定值以下，这一预定值不会降低切辊材料的强度特性和使用寿命，因而建议从内部冷却切辊。除此之外，为了减少摩擦力，在切辊的外表面和要切开的工件外表面上，供应组合的冷却和润滑剂。

在切开一个事先加热的管状工件时带来的另一个优点是，原材料的硬度没有影响，并因而例如可以直接使用轧制后从冷床来的轧制管。因此，对滚动轴承钢否则要求的基本退火只是需要对切下的单个环进行，退火使环处于无内应力的状态。这样的环在软的状态下经过精加工后，经过淬火和回火具有很小的淬火变形。因此，送往紧接在液火之后的磨床进行磨削的，可以是形状准确的只有很小的磨削余量的环。从而提高了成品质量，缩短了环的磨削时间。

按本发明的方法可用于从管状工件切下彼此相同的环，但也可用于在环上同时制成一种型面。例如，对于滚动轴承的内环可以使滚道一起成形。另一个例子可以是在环的外表面区内成形一个锥面。为此目的，在刀刃之间切辊制有相应的负的形状，它从零开始，从通道到通道连续增加，直至它的最终形状。

按本发明的设备按已知的方式由三个围绕着要加工的管状工件设备、同向驱动并带有螺纹形刀刃的切辊组成。在纵剖面内看，刀刃具有基本上沿径向延伸的侧面，它们的宽度从进口向出口方向连续增加。刀刃的这种宽度增加是需要的，为的是尽管刀刃的径向长度逐渐增加，但仍能保持规定的宽度/高度比。否则存在着刀刃断掉的危险，因此过窄的刀刃没有用于承力所需要的足够的横截面积。刀刃之间底面中的轮廓形状最好平行于切辊轴线。每一个切辊有一种从开始到末端连续增大的直径，并如已提及的那样构成一个逐渐变窄的通道。

各个切辊的旋转运动彼此必须准确同步。它们至少必须以相同的圆周速度被驱动，为此最简单的实施办法是，将所有的三个切辊的辊刚性地互相耦合在一起，并由唯一的一根公共的驱动轴驱动。如前面针对方法所已经阐明的那样，在进口端制有构成喇叭口的进口部分。这种进口部分是切辊本身的整体的一个组成部分，例如在形式上是一个短的固定的滑动倒角，或也可以是锥形的通过多个过程向外延伸的。按另一种方案也可以在切辊前装一个带滑动倒角的环形段。进口部分这种结构的优点在于，可以更好地适应进入的管状工件的公差波动。并还可直接加工轧制的和非定向的材料。替代这种往往惯用的精度管，也可使用成本不太高的半成品，而不会影响成品的质量，因而显著提高了经济性。

管状工件的轴向推进运动，通过沿径向压在工件上的切辊径向侧面的滚转强迫进行。但是这一强迫运动并不是在引入管状工件时立即便在工具机构内给出的。由于这一原因，在切辊机前的进口端设有一个可拆式的推进装置，它作用在管状工件上。这一强迫推进(它同时还使管状工件沿着与切辊的反向旋转)沿轴向作用，并在它的运动中与切辊的转速和刀刃的螺距准确匹配，以及至少在一段切辊长度是有效的。从而保证在插入后，通过此设备仅仅由切辊的旋转和刀刃侧面的轴向压力，保持此管状工件的材料无干扰地沿轴向不断输送。

刀刃通道的几何形状由移植到要切开的环上去的环外部型面的负形状以及用于切割过程的刀刃侧面作为侧向边界组成。环的型面是在刀刃之间的底面的投影，并最好平行于切辊轴线定向。刀刃的几何形状由两部分组成。在较大直径处的刀头按传统的方式设计成锐利的尖角或刀刃形，以便能容易地侵入要切开的材料中。相对于整个刀刃长度而言，此头部比较短。刀底有几乎平行的径向侧面，或有相对于切辊径向平面倾斜仅有微小的+≤5°的屋顶状侧面。刀底的侧面作为刀刃通道形状的侧向边界。侧面究竟是几乎沿径向或从底面出发微量地向外倾斜设备，亦即通道向外扩张，取决于切辊的直径与管状工件的直径之比。当此比值≥3时，刀刃侧面必须略向外倾斜。以便达到刀刃能在刀刃滚道中无约束和没有楔入作用地滚转。

为了合理地分配产生的力，上述直径比最好＜3，所以刀底设计成具有几乎准确地沿径向的侧面。放对于管状工件的直径为40毫米时，采用直径为100毫米的切辊。从而保证，通过刀刃上方向较斜的开始部分，在切辊与要切开的材料的接触区中朝着刀刃滚道产生一个很大的轴向力而没有径向力。与轴向力一起形成切割过程剪切力的切向力分量很少，对此方法的操作没有影响。

为了加热管状工件最好在进口端设感应线圈，此管状工件通过此线圈移动。根据频率和通过时间，更靠近表面加热或加热材料更远的部分。在根据要切开的材料厚度调谐好的感应加热器适当的频率和功率的情况下，可以做到朝孔的方向温度较低，因此在比较冷的表层中材料有较高的强度。

切辊的形状与所要求的环的外轮廓相匹配。通常刀刃通道之间轮廓底面是直线，并具有一个沿几乎所有通道不变的直径。但按另一种可供选择的方案这样做也可以是有利的，即，在真正的加工区略微增加轮廓底面的直径。这种轻度增加的目的在于加大径向压力。在出口区轮廓底面的直径保持常数，或甚至略有后撤。这样做的意义是使得切下的环的直径，等于在出口区中切辊机构的净跨度。否则在过大的径向压力作用下环会回弹，从而会使直径波动的分散带很宽。出自于同样的考虑还建议，在最后一个刀刃通道后面，在切辊上连接一个校准段。它可以是切辊整体的一个组成部分，或设计为单独分开的环形段。此校准段的优点是，与切割过程无关地制造一个尽可能圆的只有微小直径波动的环。如前面已提及的那样，在进口端设有进口段，它或设计为短的滑动倒角，或设计为一个段，其中轮廓底面的直径朝进口端方向不断增大。此进口部分的优点在于，也可以无困难地加工外径波动较大的材料。

切辊的螺纹原则上既可设计为单头螺纹也可设计为多头螺纹。单头螺纹的结构是一种最佳实施形式，因为在这种情况下螺距可减到最小程度，并因而可以最有效地传递在切辊与材料之间作用的轴向送进力。

在使用三个切辊时工件的径向位置唯一性地确定，从而使其他导向件成为多余的。切辊的直径一方面应与要切开的工件直径有规定的比例，但另一方面应设计得尽可能大。不是任意大的切辊都能使用而有极限，否则在这种情况下它们将彼此干扰。

按本发明的环制造方法特别适用于环的外径从16至80毫米，壁厚为直径的约8％至15％。环宽度与环直径最有利的比值为0.2至0.5。采用这种方法在制造下列这种环时是有利的，即对于这种环其材料成本占环成本的主要部分，因为这里不存在由于切削加工造成的材料损失，并为后续的加工过程制备了准确的、降低成本的环。最佳的使用是将加温到约800℃的滚动轴承钢管无切屑地加工为环。为了实施此方法，在工件的表面要求有较高的温度，它将传输给切辊，并显著加热工作间。通过在切辊内的冷却通道，将具有高吸热能力的介质泵入循环中通过设在切割设备外部的热交换器。切辊由一个带有加工而成的冷却通道的内部和一个其中加工有刀刃型面的外套筒组成。带有刀刃型面的套筒用高强度耐热材料制造，如烧结材料，或用一种适用的母体材料，它在与要切开的工件的接触区内镀有耐热的硬质材料。底部和成型套筒紧密和旋转固定地组合成切辊。在附图中详细表示了按本发明的方法以及设备。

其中：

图1按本发明设备主要构件的总体结构；

图2一个带有制在其上的螺纹状刀刃的切辊，其中切辊圆柱形外轮廓的直往以及刀刃的直径不断增加；

图3一个外轮廓直径不变而刀刃直径逐渐增大的切辊；

图4刀刃型面的横截面；

图4a刀刃型面与要切开的管组合在一起时的俯视图；

图5具有连续增大的刀刃型面螺距的切辊；

图6通过带内冷却装置的切辊纵剖面。

图1表示按本发明设备带有它的主要构件的总体结构原理。要切开的管1受到一个沿轴向的推进运动，它在感应线圈5中加热，并在三个切辊2之间插入。这三个切辊2的轴线互相平行，并平行于要切开的管1的送进运动方向设备，在这种情况下切辊2与要切开的管1之间的距离应设计为，使切辊2的刀刃3沿径向侵入管1的壁内。三个切辊2按等边三角形的形状围绕着要切开的管1排列。这三个切辊2通过一个图中没有表示的驱动机构被驱动作均匀、同步的旋转运动。这一同步的旋转运动与要切开的管1的轴向推进运动在运动学上耦合起来，使得制在切辊2上的刀刃3绐终准确地在一个公共的平面内侵入此要切开的管1内。三个切辊2同向的旋转运动以及管1反向的旋转运动和推进运动在图中用箭头标明。

如前面已提及的那样，要切开的管1还附加地进行绕自身轴线的转动，这一转动是由切辊2在此要切开的管1上的滚动运动引起的，并因而导致要切开的管1在圆周上的所有区域实际上都与切辊2接触。刀刃3的凸出量不是常数，在要切开的管1开始插入的那一端起先完全是平的，因此它们在这一区内几乎侵入要切开的管1内。朝相对端的方向，刀刃3的高度越来越大，所以它们越来越深地侵入要切开的管1的壁中。在这种强迫运动的过程中，要切开的管1最终在切辊2另一个轴向端处分离成一个个离散的环4。

上述实际情况在图2中作了特别详细的说明。此图表示了要切开的管1与单个切辊2的协同动作。图中没有表示的其他切辊2成三角形围绕着要切开的管1排列。在切辊2上要切开的管1从那里插入的那一端上的刀刃3设计得非常矮小。在这一端要做的事主要是要可靠地夹住要切开的管1、支持管的旋转运动以及保证它的在运动学上无可指摘的轴向运动。刀刃3被设计为无论是直径还是宽度朝相对端方向都不断增加。在一定的情况下这样做也可能是有利的，即，在真正的加工区轮廓底面6的直径略有增加，但在出口区内保持不变，在可能的情况下甚至略有回撤。因此可以避免在离开切辊2后环的弹性回跳。为了也能可靠地夹住外径波动较大的管1，切辊2上有一个进口部分7。在这一部分中，轮廓底面6的直径显著减小，从而形成一个喇叭口状的区域。在切辊2实际上的切割段中，轮廓底面6无间隙地贴靠在管1的外壁上，而刀刃3越来越深地侵入要切开的管1中，使管1最终被肢解为离散的的环4，这些环本身彼此大小相同。刀刃3设计为使它们既侵入材料中，又使要切开的环4的端面留下尽可能平的面。出自于这一原因，如图4所示，刀刃3平好由两部分组成。刀头8成形为锐利的尖角形，所以它可以侵入材料中。与之相连的刀底则相反，它被设计为其侧面基本上垂直于切辊2的旋转轴线定向，所以由此形成的被切出环4的端面基本上是平的。在要切开的管1插入处的那一端，刀刃3只由逐渐变高的锐利的尖角形刀头8构成，在设备相对端则相反，刀刃3主要由刀底9构成。

在图2的示图中，要切开的管1在进入切割设备前，被一个弹簧夹头式的固定装置围绕，此装置由内部11和外部12组成，它们可以按夹头组的形式通过轴向操纵力彼此压合，使它们通过共同的摩擦连接与要切开的管1连接。因为在这种状态下它们不仅要跟随要切开的管1的轴向运动，而且还要跟随管1的旋转运动，所以必须通过止推轴承脱开旋转运动，止推轴承在这里由滚动件13和第二个止推轴承环14组成。通过一个离合器与切辊2的旋转运动适当地连接，迫使止推轴承14具有运动上正确的轴向速度。这种保护当一根新管1插入设备时在任何情况下都是必要的。在继续进行的切割过程中，弹簧夹头式固定装置的内部11和外部12，通过撤走操纵力互相松开，返回它们的起始位置，并只有在插入新管时才重新处于运动状态。在图2的示图中表示的固定装置具有弹簧夹头和轴向的滚动轴承。实际上还可考虑有其他的结构形式。在图3中推进装置设计为一个旋转的定心顶尖15，它在管子的孔中定心，并有已知类型的驱动刃。

与图2不同，切辊20(图3)有一个沿切辊长度其直径不变的轮廓底面6。但是刀刃3的直径从一端到另一端以已知的方式连续增大。为了引入要切开的管1和为了定心，切辊20有一个滑动倒角10。为了例如在被切下的环16上成形一个滚道17，轮廓底面6有相应的负形状18。这一负形状18从进口端为零开始连续增加，直至达到所要求的最终形状。与单纯的切割过程不同，轮廓底面6的宽度逐渐增加直至最终形状，因为由于负的形状18发生材料挤出。在数控操纵的机器中，这种切辊2、20可制成具有不断改变的螺纹状刀刃曲线或刀刃与型面曲线。

图4a表示刀刃型面与要分切的管或被切开的环4组合在一起的俯视图。这一视图清楚表示环段与切辊2不间断地接触。对于中间的环4这一接触表示为接触线19。

图5主要表示切辊2带有螺距不断增大的刀刃3。在单纯切割的情况下只有很少的材料挤出，故轮廓底面6的宽度保持不变，在这种情况下这一宽度与要切开的环所要求的宽度一致。如开始时已经提及的，因为出自于强度和稳定性的考虑，刀刃3的宽度随着径向长度的增加也同样必须增加，所以为了满足轮廓底面6的等宽度条件，要求螺纹的螺距适当增加，以恰好补偿刀刃3增加的宽度。在要切下的环再附加成型的情况下有较大的材料挤出，这时必须连续增加轮廓底面6的宽度，只有出口区例外，在出口区内材料挤出的程度趋近于零，以及环只还要进行校准。图5中的点划线表示，与选择的轮廓底面6的宽度无关，刀刃3的径向长度从进口到出口方向连续增加，因此，在与其他两个图中没有表示的切辊2协同工作的情况下，构成一个逐渐变窄的通道。

图6表示一个切辊，它由一个轴21的内部和带有刀刃3的切割工具30组成。轴21在两端有圆柱形栓状凸肩22、23，它们以它们的外径装在切辊机架中切辊的轴承中。在环的出口端23固定有联轴节部分24，它为了同步驱动切辊而建立刚性的连接，在切辊的进口端，在轴颈22上固定有一个可旋转的联接器25，它通过适当安排的通道和孔保证冷却剂在旋转的切辊中循环。冷却剂进口26与一个图中没有表示的高压泵连接，它将冷却剂通过轴21中的中心孔27，并通过一个或多个径向孔28，泵往加工在轴21外径上的螺旋形冷却通道29。在冷却通道(此冷却通道向外被切割工具30封闭)中流动的冷却剂，逆工件的送进方向流向一个或多个径向出口孔31。这些出口孔31借助于一个或多个孔32通过轴颈22与出口33连通。从这里起，被加热的冷却剂经过一热交换器引回冷却剂泵。切割工具30通过在轴21上热压配合，紧密和旋转固定地与轴21连接。

在切割工具30上接轴向加长连接一个环形的校准段34，它将被切下的环再次精校准。在进口端连接在切割工具30上轴向的环形段35上制有一个倒角，用于使新插入切割设备中的管状工件易于定心。