采用轧辊滚轧外螺纹专利技术分析

马 琳

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215000）

螺纹件(丝杠、蜗杆、螺杆)是机械制造业中的关键传动联接零部件，其制造工艺水平和产品质量，直接影响各类机械的总成质量。滚压螺纹是一种无屑加工方法，其实质是利用某些材料在冷态下的可塑性来进行加工，使工件在滚压工具压力的作用下产生塑性变形，滚制出相应的螺纹。它不切断金属的纤维使金属塑性变形而形成螺纹，是一种优质、高效、低成本的先进的少无切削加工方法，尤其对高生产率以及高机械性能要求的精密螺纹零件，这种加工方法显示出极大的优越性，因此螺纹冷滚压加工得到广泛应用。其中，轧辊滚压加工为两个以上的带螺纹牙形的轧辊安装在相互平行的轴上，工件在轧辊带动下旋转，表面受径向挤压形成螺纹，可以滚压出各种各样的螺纹、蜗杆、齿轮、螺杆、双头螺柱、定位螺钉等以及空心件，用途最广，广泛用于加工高强度、高精度及形状复杂的螺纹[1]。

1 数据库的选择和检索

为了研究采用轧辊滚轧外螺纹专利技术在国内外的发展情况，对该领域的中国专利申请数据和全球专利申请数据进行检索并统计分析，中文数据库选择CPRSABS，外文数据库选择DWPI和SIPOABS来获得进行统计分析的专利样本，在具体检索过程中，首先使用准确的二点组分类号B21H3/04（用成型辊加工）进行检索；鉴于采用轧辊滚轧外螺纹的专利技术起步较早，仅检索该二点组分类号会导致漏检，因此，笔者对大组B21H3/00（制造螺旋形物体或具有部分螺旋形的物体）和一点组B21H3/02（外螺纹）均进行了检索。

2 采用轧辊滚轧外螺纹专利技术国外申请状况

采用轧辊滚轧外螺纹国外专利申请趋势大致可以分为四个时期：

（1）萌芽期早在1869年，专利US93256A便公开了一种行星式的外螺纹滚轧机，在1937年之前，国外一直都有采用轧辊滚轧外螺纹的专利申请，但在技术发展的萌芽期，总体申请量较少。在此时期内，专利申请量在美国最为集中，一枝独秀，其申请量占这一时期总量的54%，其次是德国占24%，可见，由于美国和德国的工业化发展较早，其相应的螺纹滚轧技术也较发达，对滚轧外螺纹的研究也处于领先地位。

（2）平稳增长期在1938～1968年之间，关于采用轧辊滚轧外螺纹的专利申请增长较快，在20世纪50年代出现了一个小高峰，在这一平稳增长期，德国的申请量迎头赶上，与美国一道占据了总申请量的半壁江山，在此期间还出现了一些苏联的申请。

（3）快速增长期在1969～1990年之间，关于采用轧辊滚轧外螺纹的申请数量如雨后春笋一般快速增长，可谓是该技术发展的黄金时期。这主要是由于在该时期，一些发达国家的工业技术非常发达，同时其他后起的国家的技术力量也相当雄厚，很多国家对采用轧辊滚轧外螺纹的改进和研究也日趋增多。这段时期内，美国和德国的申请量急剧减少，但两国还是在持续进行申请，保持稳步发展的状态，可见这两个国家的采用轧辊滚轧外螺纹技术已经发展的相当成熟。相比之下，经济处于迅速发展期的日本和苏联两个国家成为了该领域的专利申请巨头，其中，苏联的申请量占该时期申请总量的36.94%，日本的申请量占该时期申请总量的32.88%。

（4）成熟期采用轧辊滚轧外螺纹专利申请量从1991年以后有所减少，但申请量依然不少，相关技术的发展也到了成熟期，在此期间，人们对外螺纹轧辊的辊形进行了多方面的尝试和进一步地优化，同时也注重了对滚轧过程的控制和滚轧参数的优化，注重提高滚轧精度和滚轧效率的研究，以及采用滚轧方法生产多种产品。在这一时期以日本专利的申请居多，占总申请量的39.31%，德国和美国仍然持续了对采用轧辊滚轧外螺纹的专利申请，苏联/俄罗斯的申请量已经急剧下降，另外，出现了一些韩国的专利申请。

3 中国专利申请状况

国内的采用轧辊滚轧外螺纹的专利申请起步较晚，大致可以分为两个时期，第一时期为1985～2009年，第二时期为2010年至今。在第一时期内，一方面中国专利关于采用轧辊滚轧外螺纹的数量较国外专利在量的方面要少很多；另一方面，中国专利申请数量随年份增长不明显。这主要是由于一方面，从中国当时的国情来看，改革开放之后，中国经济刚开始增长，人们刚开始注重科技和研发；另一方面，中国的专利制度也才刚刚建立，很多人并没有意识到知识产权的重要性，极少申请专利。在第二时期内，中国专利申请趋势呈现明显的上升趋势，势如破竹，这段时间，随着中国加入世贸组织，各行各业都发展迅猛，采用轧辊滚轧外螺纹也不例外。

4 采用轧辊滚轧外螺纹专利技术发展分析

4.1 单辊结构

采用单辊结构进行滚轧外螺纹的专利申请量较少，主要是由于其结构较为单一，所应用的范围受到限制。1938年，美国的UNKE HERMAN A最早申请了相关专利US2182906A，使用了单辊对管材的外螺纹进行加工，将管材套在芯轴上，辊子围绕芯轴转动。1950年的专利申请DE913886C中提出在单辊滚轧外螺纹时，使用轴线交错的螺旋齿进行滚压。1981年的专利申请JPS58101040A也对单辊滚轧管材外螺纹进行了研究，与US2182906A不同的是，其将轧辊设置在齿轮内，通过与齿轮啮合实现轧辊的旋转，结构较为新颖，成形精度也有所提高，并且，其轧辊采用了轧轮的形式，沿工件轴向逐渐滚压螺纹。随后，在20世纪90年代，单辊滚轧引入了类似于旋压的理念，轧辊可看做一个外围有螺纹的旋压轮，在1993年的专利申请US5417095A中，轧辊的角度可通过腰形槽进行调节，在1994年的专利申请JPH07256375A中，其通过单辊滚轧的方法直接对皮带轮的轴向轮槽进行加工，与旋压方法的原理非常接近。

4.2 二辊结构

1912年申请的专利GB191225234A中公开了一种二辊的螺纹滚轧装置，其采用切向的进给方式。1914年申请的专利US1188461A公开的二辊螺纹滚轧机采用了轴向进给的方式。1920年申请的专利US1359572A公开的二辊螺纹滚轧机采用了径向进给的方式，其一个辊轴固定，另一个辊轴可滑动地安装，从而实现径向进给。1938年申请的专利GB499277A中，首次提出了一种螺纹轧辊头结构，其能够在自动车床上进行螺纹加工，一般用于加工短螺纹。1972年的专利申请BE786267A1中提出了一种新的结构，其在普通二辊滚轧的基础上，将四个轧辊均布在一个轧辊四周，形成四组二辊滚轧机构，这种组合式的结构大大提高了生产效率。1979年的专利申请JPS55112145A中，其利用送料盘对多个螺栓加工件进行连续旋转送料，当送至二辊滚轧装置处时进行螺纹滚轧，也大大提高了生产效率。1984年的专利申请US4571972A中通过将两个轧辊分别分为不同的几段，并对工件进行轴向进给的滚压，从而成形复合螺纹。1988年的专利申请EP0296594A2中，其采用传感器对轧辊的位置定位，从而提高滚轧精度。此后，出现了大批日本专利申请，借助先进的技术对二辊滚轧进行自动控制，大大提高了滚轧精度和滚轧效率，1997年的专利申请JPH10296370A中，其利用传感器对工件在成形时的位移进行检测，从而能够有效避免工件的轴向弯曲；1999年的专利申请JP2001001096A通过电阻加热装置对工件进行加热，从而提高工件强度和成形性能。进入21世纪，有一部分日本申请对二辊滚轧的辊形进行了较为详细的研究，通过设计合理的辊形，使得滚轧成形过程更加顺畅，精度更高，2001年的专利申请JP2003033841A中，将轧辊的辊形进行分段设计，螺纹沿母线方向分为三段，一段为切入部分，一段为正常成形的校准部分，一段为退刀部分，采用该辊形的轧辊生产效率高、精度高，光洁度好，并可加工任意长度的螺纹；2008年的专利申请JP2008119753A中，将轧辊的辊面分为几段，每一段的螺纹均不同，通过两个轧辊的相互配合可以在一个转动周期内生产出具有不同螺纹形状的多个工件，生产效率大大提高。

4.3 三辊结构

相对于二辊滚轧外螺纹而言，三辊滚轧的效率必然要更高一些，早在1904年，便已经出现了采用三个轧辊滚轧外螺纹的专利申请FR4010E，随即在1928年和1937年先后出现了径向进给方式的三辊滚轧和轴向进给方式的三辊滚轧；1931年的专利GB388099A中首次将多个轧辊组合在一起形成多个三辊组，这种结构使得螺栓在成形时受到更大的压力，能够有效避免螺栓的侧向偏移，一种结构是在一个直径较小的轧辊四周设置四个直径较大的轧辊，这种结构能够同时滚轧四个螺栓，将中间轧辊的直径设置为较小是因为需要考虑到螺栓的均匀分布，另外一种结构是在中间轧辊四周布置六个轧辊，这种结构能够同时滚轧六个螺栓，由于六个螺栓能够均匀分布，因此这些轧辊的直径都相等；在1943年有一个典型专利申请GB567700A，该专利的三个轧辊布置在一个空心环内，该空心环内部为偏心结构，由此，三个轧辊在偏心环内转动时能够实现轧辊径向的移动，这种结构使得轧辊结构简单小巧，能够用于小型设备中，这也是最初产生的轧辊头；随后在1948年的专利CH271702A中介绍了一种设计较为成熟的轧辊头，工件在三个轧辊之间沿轴向进给，同时三个轧辊还能在偏心结构中沿径向少量位移，从而便于轧辊压住工件和退出工件，该专利中轧辊安装有滚珠轴承，轧辊的转动更为顺畅；1974年的专利SU484926A2中，在三辊轧辊头的其中一个轧辊上设置了一个锁止销，从而对该轧辊进行定位，提高成形精度；1974年的专利DE2438937A1进一步对轧辊头进行改进；2000年的专利JP2001276948A通过设置传感器能够实时感应辊轴的角度位置信号，从而任意确定辊子开始转动的位置以及转动停止位置，提高成形精度，将现代科技应用到三辊滚轧中来。

4.4 多辊结构

随着工业生产复杂程度的提高，在二辊滚轧和三辊滚轧的基础上相继出现了不同辊数的多辊滚轧，最早在1926年的专利FR630246A中出现了四辊滚轧，四个轧辊均匀布置，工件从轧辊中间沿轴向进给，1952年的专利DE1002276B也采用了四辊滚轧，不同的是，其采用的是径向进给的结构，四个轧辊两两配对，其中一对轧辊设置在滑块上，能够相对于另一对固定设置的轧辊移动，实现径向进给；2015年的专利CN204685929A提出了一种新的轧辊头，机头主体中间部位为调整套安装座，加工仓的四周加工有四个滚丝刀架，四个刀架安装孔14内固定有四个滚丝刀架，滚丝刀架3包括一个U型安装座31，U型安装座31的顶部为弧形设计，U型安装座31内固定有滚丝牙轮33，滚丝牙轮33通过在其中心处插入一根淬火圆轴34将其安装在U型安装座上，四个滚丝牙轮33直径依次减小1/4，原理同螺旋状弹簧，在加工仓内形成了一个螺旋升角结构，滚压螺纹时，滚丝牙轮33分四次依次滚压，顺势爬升，这种结构特点为滚压省力，对牙轮伤害小，延长牙轮寿命。1963年的专利DE1225136B设计了一种五辊滚轧结构，其使用手柄进行手动操作；1997年的专利JPH10244340A将轧辊辊数增加到了七个，提高了生产效率。不过，在轧辊个数增多使生产效率提高的同时，也不能忽略其结构的复杂程度的提高，这使得设备维修、设备使用成本等增加。

5 结语

从国外采用轧辊滚轧外螺纹的专利技术发展来看，该技术领域的技术已经趋于成熟，国内该技术领域的发展起步较晚，技术水平较低，对于国内的申请人来说，想要绕开国外公司的专利壁垒，开辟新的途径较为困难。由于国外的相应技术发展已经非常成熟，因此，国内申请人一方面应当多借鉴国外的各种先进技术，另一方面应在国外技术的基础上加强自主研发，设计出更合理的螺纹牙形、轧辊辊形，设计出适合复杂工件加工的轧辊装置，同时提高装置的自动化程度，由小批量小作坊生产向大批量生产转化，提高生产效率和滚轧精度。