Research and industrialization of near-net rolling technology used in shaft parts

Abstract

Shaft part rolling is an efficient and green near-net shaping technology offering many advantages, including high production efficiency, high material utilization rate, high product quality, and excellent production environment. In this paper, the features of shaft part rolling are introduced along with the working principles of two main shaft part rolling technologies, namely, cross wedge rolling (CWR) and skew rolling (SR). In relation to this technology, some R&D achievements gained by the University of Science and Technology Beijing are summarized. Finally, the latest developments in shaft part rolling are presented, including SR steel balls, precise forming of camshaft blank by CWR, SR phosphorous copper balls at room temperature, and CWR hollow axle sleeve. Although the shaft part rolling technology has been widely used in China, it only accounts for about 15% of applicable parts at present. Nevertheless, this technology has broad application prospects.

Keywords

cross wedge rolling / skew rolling / near-net rolling / shaft part

References

[1] Hu Z H, Zhang  K S, Wang  B Y,  Technology and Simulation of Part Rolling by Cross Wedge Rolling. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2004, 1 (in Chinese)

[2] Pater Z. A study of cross wedge rolling process. Journal of Materials Processing Technology, 1998, 80–81: 370–375

[3] Hu Z, Yang  C, Wang B. Development of part rolling technology in China. Journal of Mechanical Engineering, 2012, 48(18): 7–12 (in Chinese) 

[4] Pater Z. Finite element analysis of cross wedge rolling. Journal of Materials Processing Technology, 2006, 173(2): 201–208

[5] Hu Z, Hua  L. Technology of Rotary Metal Forming. Beijing: Chemical Industry Press, 2010, 70 (in Chinese)

[6] Pater Z, Gontarz  A, Tofil A. Analysis of the cross-wedge rolling process of toothed shafts made from 2618 aluminium alloy. Journal of Shanghai Jiaotong University (Science), 2011, 16(2): 162–166 

[7] Peng W, Zheng  S, Chiu Y, Multi-wedge cross wedge rolling process of 42CrMo4 large and long hollow shaft. Rare Metal Materials and Engineering, 2016, 45(4): 836–842

[8] Pater Z, Tomczak  J, Bulzak T. Analysis of a cross wedge rolling process for producing drive shafts. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 1–9 (in press) 

[9] Bulzak T, Pater  Z, Tomczak J. Numerical and experimental analysis of a cross wedge rolling process for producing ball studs. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2017, 17(4): 729–737

[10] Pater Z. Multi-wedge cross rolling of balls. Journal of Iron and Steel Research International, 2013, 20(10): 46–50

[11] Li Z, Wang  B, Zuo B,  Forming technique for the input shaft of a vehicle gearbox. Chinese Journal of Engineering, 2015, 37(10): 1364–1369 (in Chinese)

[12] Ji H, Liu  J, Wang B, Numerical analysis and experiment on cross wedge rolling and forging for engine valves. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 221: 233–242 

[13] Ji H, Liu  J, Wang B, Cross-wedge rolling of a 4Cr9Si2 hollow valve: Explorative experiment and finite element simulation. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 77(1–4): 15–26

[14] Behrens B A, Stonis  M, Blohm T,  Investigating the effects of cross wedge rolling preforming operation and die forging with flash brakes on forging titanium hip implants. International Journal of Material Forming, 2016, 1–10 (in press)

[15] Behrens B A, Stonis  M, Rasche N. Influence of the forming angle in cross wedge rolling on the multi-directional forging of crankshafts. International Journal of Material Forming, 2016, 1–11 (in press)

[16] Knust J, Podszus  F, Stonis M,  Preform optimization for hot forging processes using genetic algorithms. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 89(5–8): 1623–1634

[17] Ji H, Liu  J, Wang B,  A new method for manufacturing hollow valves via cross wedge rolling and forging: Numerical analysis and experiment validation. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 240: 1–11 

[18] Zhang K, Du  H, Yang C,  Study of the cause of spiral groove in cross wedge rolling. Journal of Mechanical Engineering, 2011, 47(8): 93–98 (in Chinese) 

[19] Zheng Z, Liu  J, Wang B,  Effect of forming angle on the central quality of 21-4N valves by cross wedge rolling. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2013, 35(2): 228–233 (in Chinese)

[20] Huang J, Liu  J, Wang B,  Process research on 4Cr9Si2 martensite steel valve in CWR. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(7): 2744–2750 (in Chinese)

[21] Huang J, Liu  J, Wang B. Effect of stretching angle on the forming quality of cross wedge rolling 4Cr9Si2 valves. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2013, 35(9): 1188–1194 (in Chinese)

[22] Huang J, Liu  J, Wang B,  Effect of the process parameters on surface spiral in cross wedge rolling of 4CR9Si2. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2014, 35(12): 1778–1782 (in Chinese)

[23] Huang J, Liu  J, Wang B,  Influence analysis of wedging tip fillet for forming in the process of cross wedge rolling 4CR9Si2 valve. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 50(24): 93–99 (in Chinese) 

[24] Zhou J, Xiao  C, Yu Y, et al. Influence of tool parameters on tool wear in two-roll cross-wedge rolling. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 65(5–8): 745–753

[25] Huo Y, Wang  B, Lin J,  Damage mechanisms research for the high-speed railway axle steel 25CrMo4 during hot cross wedge rolling. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2013, 34(11): 1625–1629 (in Chinese)

[26] Huo Y, Bai  Q, Wang B,  A new application of unified constitutive equations for cross wedge rolling of a high-speed railway axle steel. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 223: 274–283

[27] Huo Y, Lin  J, Bai Q,  Prediction of microstructure and ductile damage of a high-speed railway axle steel during cross wedge rolling. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 239: 359–369

[28] Novella M F, Ghiotti  A, Bruschi S,  Ductile damage modeling at elevated temperature applied to the cross wedge rolling of AA6082-T6 bars. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 222: 259–267

[29] Huang X, Wang  B, Zhou J,  Comparative study of warm and hot cross-wedge rolling: numerical simulation and experimental trial. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 1–11 (in press) 

[30] Wang X, Zhang  K, Liu J,  Effect of stretching angle on internal defects in valve roughcasts produced by single cross wedge rolling. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2011, 33(12): 1538–1543 (in Chinese)

[31] Zhang N, Wang  B, Hu Z. Theremomechanical coupled numerical simulation of GH4169 alloy for cross wedge rolling. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2011, 33(11): 1396–1401 (in Chinese)

[32] Zhang N, Wang  B Y, Lin  J. Effect of cross wedge rolling on the microstructure of GH4169 alloy. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2012, 19(9): 836–842 

[33] Çakırcalı M,  Kılıçaslan C, Güden M,  Cross wedge rolling of a Ti6Al4V (ELI) alloy: The experimental studies and the finite element simulation of the deformation and failure. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2013, 65(9–12): 1273–1287

[34] Mirahmadi S J,  Hamedi M,  Ajami S. Investigating the effects of cross wedge rolling tool parameters on formability of Nimonic® 80A and Nimonic® 115 superalloys. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 74(5–8): 995–1004 

[35] Li J, Wang  B, Ji H,  Effects of the cross-wedge rolling parameters on the formability of Ti-6Al-4V alloy. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, (1–2): 1–13

[36] Hu Z, Wang  B, Liu J,  Technology of Skew Rolling. Beijing: Chemical Industry Press, 2014, 4–5 (in Chinese)

[37] Pater Z, Tomczak  J, Bartnicki J,  Experimental and numerical analysis of helical-wedge rolling process for producing steel balls. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, 67: 1–7 

[38] Gao G, Hu  Z. Analysis and research on curved surface of roller for rolling steel balls. Forging & Stamping Technology, 1997, 22(4): 17–22 (in Chinese)

[39] Gao G, Hu  Z. New method of groove designing for ball skew rolling. Iron and Steel, 1998, 33(10): 44–46 (in Chinese)

[40] Wang B, Zhang  K, Liu J,  NC machining of roller of skew rolling and error analysis. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2001, 23(2): 152–154 (in Chinese)

[41] Zheng Z, Wang  B, Hu Z. Metal flow law of steel ball forming by skew rolling. Chinese Journal of Engineering, 2015, 37(6): 782–788 (in Chinese)

[42] Zhang K, Hu  Z. The shaping curve of dense right angle step. Journal of Plasticity Engineering, 1996, 3(1): 44–49 (in Chinese)

[43] Zhang K, Hu  Z. Shaping curve of right angle step in cross wedge rolling. Forging & Stamping Technology, 1996, 12(6): 27–33 (in Chinese)

[44] Zhang K, Wang  B, Liu J,  Technology of cross wedge rolling to produce camshaft blank. Forging & Stamping Technology, 2000, 25(3): 28–30 (in Chinese)

[45] Du H, Zhang  K, Hu Z. Study on accurate shaping curve of inside right-angle step of cross wedge rolling. China Mechanical Engineering, 2005, 16(12): 1100–1103 (in Chinese)

[46] Zhao R, Zhang  K, Hu Z. Differential equations for solving shaping curve of inside right-angle steps in cross wedge rolling. Forging & Stamping Technology, 2012, 37(4): 70–74 (in Chinese)

[47] Zhao R, Zhang  K. Differential equation solution of shaping curves for narrow steps in cross wedge rolling. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2013, 35(3): 358–364 (in Chinese)

[48] Zhou Y, Wang  B, Hu Z. Numerical simulation of copper ball forming process during skew rolling. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2008, 30(2): 161–164 (in Chinese)

[49] Wang B, Wang  S, Hu Z,  Numerical simulation on temperature field of phosphor copper ball during cold skew rolling. Forging & Stamping Technology, 2008, 33(4): 47–50 (in Chinese)

[50] Hu X, Wang  B. Experiment of two grooves skew rolling phosphor copper ball. Forging & Stamping Technology, 2009, 34(3): 75–77 (in Chinese)

[51] Yang C, Hu  Z. Influence of the flattening deformation on the forming of hollow parts in cross wedge rolling. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2014, 34(9): 881–885 (in Chinese)

[52] Ma J, Yang  C, Zheng Z,  Influence of process parameters on the microstructural evolution of a rear axle tube during cross wedge rolling. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials, 2016, 23(11): 1302–1314

[53] Ding W, Zhang  K, Yang C,  Study on the ovality of hollow shafts with equal inner diameter formed by cross wedge rolling. Journal of Plasticity Engineering, 2010, 17(3): 27–31 (in Chinese)

[54] Yang C, Zhang  K, Hu Z. Numerical simulation study on the casue of ellipse generation in two-roll cross wedge rolling the hollow parts with uniform inner diameter. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2012, 24(12): 1426–1431 (in Chinese)

[55] Yang C, Hu  Z. Research on the ovality of hollow shafts in cross wedge rolling with mandrel. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 83(1–4): 67–76

[56] Yang C, Ma  J, Hu Z. Analysis and design of cross wedge rolling hollow axle sleeve with mandrel. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 239: 346–358

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge the support given by the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. FRF-BD-16-002A) and by the Yang Fan Innovative and Entrepreneurial Research Team Project (Grant No. 201312G02).

Open Access

This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the appropriate credit is given to the original author(s) and the source, and a link is provided to the Creative Commons license, indicating if changes were made.

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 The Author(s) 2017. This article is published with open access at link.springer.com and journal.hep.com.cn