CN101176903B - 内外球面金属环件的冷辗扩加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种内外球面金属环件的冷辗扩加工方法及其装置，涉及轴承零件加工技术领域；所要解决的是轴承零件的内、外球面金属环件加工的技术问题；所述的内、外球面金属环件加工方法包括如下步骤：1)钢材改制，将金属棒料改制成环件；2)材料软化，将环件进行热处理获得较低的硬度以便于实施冷辗扩；3)冷辗毛坯制备，采用切削加工将环件加工成一定精度的冷辗扩毛坯；4)冷辗扩成型，执行冷辗扩过程，模具部分中辗压轮的外圆凹型槽和芯轴的外圆凸型槽轴使工件实现成型，而所述托辊和支撑轮的止推面用于稳定工件位置和限制工件轴向移动。本发明具有能提高环件的机械性能，生产效率高，工件形状一致性好，加工精度高、材料利用率高的特点。

Description

内外球面金属环件的冷辗扩加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及轴承零件加工技术，特别是涉及一种以冷辗扩的方法加工内、外球面金属环件的方法及其相应装置的技术。

背景技术

内、外球面金属环件广泛应用于轴承领域，典型的工件例如：带座轴承的外环、调心轴承的外环、关节轴承的关节、万向球笼保持器等。所采用的材料常见的有轴承钢、不锈钢和低碳合金钢等。这一类型的零件除了要求有较高的制造精度外，由于其工作场合多数用于汽车、农机和机械等领域，对其内在质量也有较高要求。

目前这一类零件的典型加工工艺为：钢材经锻造或穿孔拔管改制，形成具有一定加工留量的金属环件，再以各种类型的金属切削机床通过多道工序加工成具有一定尺寸精度和形位公差的零件。这种传统的加工方法具有以下不足之处：

1)球面加工效率低，由于内球面或外球面多用仿形车床、数控车床或专用球面车床加工，加工时刀具沿一定轨迹对工件进行切削，并且受毛坯形状限制，需要多次走刀才能完成一个工作面的加工，因此生产效率较低；

2)浪费材料，受锻造和制管条件限制，工件毛坯是按照成品工件的内、外径的最大直径处放机加工留量的，受球面弧度的影响，大量的材料被白白浪费；

3)切削过程切断了金属纤维，使工件的机械性能受到影响。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能提高环件的机械性能，生产效率高，工件形状一致性好，加工精度高、材料利用率高的内、外球面金属环件的冷辗扩加工方法及其装置。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种内、外球面金属环件的冷辗扩加工装置，包括轴线平行的辗压轮、芯轴、二个支撑轮、托辊，其特征在于，芯轴中部的凸型槽用于冷辗工件内球面的成形，即芯轴的外圆凸型槽轴向截面的形状与成品工件轴向截面的内球面(径)形状一致，以形成环件的内球面，芯轴凸型槽(轴向)的二侧为左右二支撑轮；辗压轮的外圆凹型槽用于冷辗工件外球面的成形，即所述凹型槽截面形状与成品工件轴向截面的外形吻合，以形成环件的外球面；辗压轮外圆凹型槽的圆弧的中线与芯轴外圆凸型槽的圆弧的中线相重合；左右二支撑轮之间对应的侧面为工件的止推面，其与工件两端面为动配合，以限制辗扩过程中工件的轴向移动；冷辗扩过程中，工件置于辗压轮的外圆凹型槽与芯轴的外圆凸型槽形成的半封闭的加工孔型内，所述辗压轮为主动轮，支撑轮和芯轴向辗压轮方向做进给运动，在凹型槽与凸型槽的共同作用下使工件逐步辗扩为成品。

进一步的，所述托辊在辗扩加工过程中(径向的)从外向内始终顶住工件，用于稳定工件位置和限制工件轴向移动；所述托辊轴向截面圆弧凹型槽的形状与成品工件轴向截面的外形吻合，托辊截面的圆弧的中线与辗压轮外圆凹型槽的圆弧的中线和芯轴外圆凸型槽的圆弧的中线相重合，以保证工件受力的平衡并保证成品的外形。

进一步的，所述托辊通过滚针轴承绕托辊轴回转，锁紧螺母通过隔套消除两端推力轴承的轴向间隙，微调螺杆调整托辊轴向位置，百分表用作位置指示，使托辊(截面)的圆弧的中线与辗压轮外圆凹型槽的圆弧的中线和芯轴外圆凸型槽的圆弧的中线相重合，紧定螺钉固定托辊轴向位置。

进一步的，所述的左右二支撑轮之间对应的侧面与工件两端面的间距均为0.5mm。

进一步的，所述的金属环件的材质为轴承钢、不锈钢和低碳合金钢。

进一步的，所述支撑轮采用Cr12MoV经过淬火，硬度范围HRc58～62，其左右二支撑轮之间对应的侧面(止推面)粗糙度Ra0.1，表面3～5μm TiC镀膜，与金属的摩擦系数小于0.15。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种内、外球面金属环件的冷辗扩加工方法，包括以下步骤；

1)材料改制；将材料制成环件；

2)材料软化；将制成的环件进行热处理退火，获得较低的硬度以便于实施冷辗扩；

3)冷辗毛坯制备；

冷辗毛坯的内径：

φd₀＝φd/k其中k＝1.35-1.55

φd₀：冷辗毛坯内径φd：冷辗成品内径

冷辗毛坯的高度：

δ＞9时

H₀＝H-0.15

3≤δ≤9时

$H_0=H-0.10-f_1-f_2=H-0.10-{5\mathrm{\δ}}^{-2}-\frac{1}{2}(k-1.4)$

其中H：成品工件高度    H₀：毛坯高度  δ：成品法向壁厚

f₁：壁厚修正系数  f₂：辗扩比修正系数    k：辗扩比

冷辗毛坯外径的确定：根据辗扩前后工件重量不变的原则，由上述公式确定毛坯内径和高度后，通过重量与体积计算能求得对应的外径；

将软化后的环件经过切削加工制成符合所述冷辗毛坯内径、外径和高度的冷辗毛坯；以供冷辗扩；

4)冷辗扩成型；使用冷辗毛坯，在冷辗扩机床上，采用内、外球面金属环件加工装置，并经调整，使托辊的圆弧的中线、芯轴的圆弧的中线与工件圆弧的中线吻合，同时调节支撑轮，使支撑轮止推面与工件的间距到合适状态；执行冷辗扩过程，模具部分中辗压轮的外圆凹型槽和芯轴的外圆凸型槽轴使工件实现成型，而所述托辊和支撑轮的止推面用于稳定工件位置和限制工件轴向移动。

进一步的，所述步骤2)中热处理退火后制成环件的硬度范围为HB160～217，σ_s≤320MPa。

进一步的，所述步骤1)中将材料(棒料)锻造成管状的环件。

进一步的，所述步骤1)中将材料制成钢管再切断成环件。

利用本发明提供的内、外球面金属环件的冷辗扩加工方法及其装置，由于采用冷辗扩成型的方法加工内、外球面金属环件，具有效率高，精度好的优点。由于是利用成型模具一次辗扩加工成型，被加工件的形状精度由模具保证，因此工件形状一致性好，精度高；内、外球面一次成型，其同轴度远高于切削加工获得的工件。在冷辗扩过程中，金属材料的流线按模具轮廓取向，无断头，金属组织更致密，因此有利于提高环件的机械性能。冷辗扩本身是无切削加工，所用毛坯形状简单，口径小，容易制备，其切削余量小，相对传统方式，可节约大量原材料，有利于降低成本。

附图说明

图1-1为本发明实施例内、外球面金属环件形式之一示意图；

图1-2为本发明实施例内、外球面金属环件形式之二示意图；

图1-3为本发明实施例内、外球面金属环件形式之三示意图；

图2为本发明实施例内、外球面金属环件冷辗用毛坯的示意图；

图3为本发明实施例内、外球面金属环件冷辗扩状态的示意图；

图4为本发明图3实施例的A向视图；

图5为本发明实施例内、外球面金属环件冷辗扩用轴向微调托辊示意图。

图中：1-辗压轮；2-芯轴；3-内、外球面金属环件；4-支撑轮；5-托辊；6-托辊架；7-滚针轴承；8-推力轴承；9-托辊轴；10-微调螺杆座；11-微调螺杆；12-紧定螺丝；13-隔套；14-锁紧螺母；15-百分表架；16-百分表。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似方法、结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种内、外球面金属环件的冷辗扩加工方法及其装置。

如图1-1所示，所述的内、外球面金属环件，为万向球笼保持器，材料为20CrMo；图1-1中：H为环件高度，φD为环件外径，φd为环件内径，δ为环件法向壁厚；

本发明实施例所提供的一种内、外球面金属环件的冷辗扩加工方法实现的步骤如下：

1)钢材锻造(改制)；将适当重量的金属棒料切断-加热-锻造，锻造成金属环形件；

2)材料软化；对锻造后的环件进行球化退火处理，以获得较低的硬度以便于实施冷辗扩，经退火软化后的环件硬度范围HB160～217。σ_s≤320MPa；

3)冷辗扩毛坯制备；经过软化后的环件经过切削加工达到一定几何精度后供冷辗扩，冷辗毛坯的重量与冷辗后成品重量相同；冷辗扩毛坯应符合一定的精度要求；其几何尺寸由以下方法确定：如图1-1，图1-2，图1-3所示，成品工件内径为φd，辗扩比k＝1.35～1.55，若取k＝1.35，则毛坯内径φd₀＝φd/k＝φd/1.35。成品工件高度为H，设工件法(径)向壁厚δ＜9，则毛坯高度H₀＝H-0.10-5δ^-2-1/2(1.35-1.4)＝H-0.125-5δ^-2；在冷辗扩前后，毛坯与成品工件重量是一致的，则在计算出毛坯的内径φd₀和高度H₀后，由成品工件的重量即可计算出毛坯的外径φD₀；按照计算出的毛坯尺寸，对经过软化的毛坯锻件进行加工，采用切削形式去除锻件的余量，以获得一定精度的毛坯。毛坯的尺寸公差应与成品工件的尺寸公差一致，通过冷辗扩口径扩大后，误差会有所减小。根据工件的不同要求，冷辗毛坯的尺寸精度、形状、外观需要相应调整；

4)冷辗扩成型；冷辗毛坯在冷辗机上需要通过冷辗(专用)装置才能完成冷辗扩成型过程。所述的冷辗(专用)装置如图3、4所示，包括转轴方向一致(轴线平行)的辗压轮1、芯轴2、支撑轮4、托辊5等，其中，芯轴2(轴向)的中部的凸型槽21用于冷辗工件3内球面的成形，即芯轴的外圆凸型槽21轴向截面的形状与成品工件轴向截面的内球面(径)形状一致，以形成环件的内球面，芯轴2凸型槽(轴向)21的二侧为芯轴的驱动段22，分别对应于左右二支撑轮4，辗压轮的外圆的凹型槽11用于冷辗工件外球面的成形，即所述凹型槽截面形状与成品工件轴向截面的外形吻合，以形成环件的外球面；辗压轮1外圆凹型槽11的圆弧的中线与芯轴2外圆凸型槽21的圆弧的中线X相重合；冷辗扩过程中，工件3置于辗压轮的外圆凹型槽与芯轴的外圆凸型槽形成的半封闭的加工孔型内，辗压轮1为主动轮，带动工件3旋转，支撑轮4与芯轴2的驱动段22接触后，驱动芯轴2向辗压轮1方向做进给运动，当芯轴切入工件后，在摩擦力的作用下，带动芯轴和支撑轮被动转动；同时采用润滑油或润滑液对工作区进行润滑兼冷却。当芯轴持续进行进给时，模具孔型截面逐步减小，工件逐步变形，壁厚减薄，直径扩大，其截面逐步与模具孔型所吻合直至完全成型。

内外球面环件在辗扩过程中，由于球面具有调心作用，导致其容易在模具孔型内偏摆，导致辗扩过程恶化，破坏工件甚至模具，因此必须通过专用装置对其辗扩状态进行控制。

所述的专用装置如图4所示，支撑轮4采用Cr12MoV或类似牌号的材料制成。经过淬火后硬度范围HRc58～62，左右二支撑轮之间对应的侧面为工件3的止推面F，所述止推面F经精密磨削并研磨后粗糙度Ra0.1，对表面进行CVD处理，获得3～5μm的TiC镀膜，镀膜经研磨去除氧化层后，与金属的摩擦系数小于0.15。当工件3居于正中位置时，分别调整左右二支撑轮的止推面F，使其与工件两端面间距r均为0.5mm，当辗扩过程工件发生偏摆后，某一端面在与同侧支撑轮接触后被止推面F限位，由于止推面F的镀膜与环件之间的摩擦系数很低，同时有润滑液的作用，两者之间不会产生划伤或粘连，从而对工件起到纠偏作用，使芯轴凸型槽截面的圆弧的中线与工件截面圆弧的中线X在辗扩过程中始终保持吻合。

所述的专用装置如图5所示，所述托辊5在辗扩加工过程中从外向内始终顶住工件3，起稳定工件位置和限制工件轴向移动的作用。托辊5在工件3的作用力下旋转，并对工件3起反作用力，工件辗扩过程中逐步涨大，推动托辊5向工件下方退让。所述托辊5轴向截面圆弧凹型槽的形状与成品工件轴向截面的外形吻合，托辊5截面的圆弧的中线与辗压轮1外圆凹型槽的圆弧的中线和芯轴2外圆凸型槽的圆弧的中线相重合，才能保证工件受力的平衡并保证工件的外形。托辊通过滚针轴承7绕托辊轴9回转，托辊轴9安装在支架板6上，锁紧螺母14通过隔套13消除两端推力轴承8的轴向间隙。调整时，旋动固定在微调螺杆座10上的微调螺杆11，即可带动托辊做轴向移动，在支架板6上固定有百分表架15，百分表架上安装有百分表16，用作位置指示。当调整到位后，锁紧紧定螺钉12，避免托辊受力后位置变动。在整个辗扩过程中，由于托辊的圆弧始终与工件圆弧吻合，可有效限制工件的摆动。

本实施例所述的工件为20CrMo材质的球笼保持器。但应用不限于上述实施例，当加工如附图1-2、1-3的工件时，采用相应形状的辗压轮、芯轴及托辊，并正确调整支撑轮的止推面位置，即可进行冷辗扩加工。

Claims (7)

1.一种内外球面金属环件的冷辗扩加工装置，包括轴线平行的辗压轮、芯轴、二个支撑轮、托辊，芯轴中部的凸型槽用于冷辗工件内球面的成形，芯轴凸型槽的二侧为左右二支撑轮；辗压轮的外圆凹型槽用于冷辗工件外球面的成形；辗压轮外圆凹型槽的圆弧的中线与芯轴外圆凸型槽的圆弧的中线相重合；左右二支撑轮之间对应的侧面与工件两端面为动配合，冷辗扩过程中工件置于辗压轮的外圆凹型槽与芯轴的外圆凸型槽形成的半封闭的加工孔型内，所述辗压轮为主动轮，支撑轮和芯轴向辗压轮方向做进给运动，在凹型槽与凸型槽的共同作用下使工件逐步辗扩为成品，其特征在于，所述托辊在辗扩加工过程中从外向内始终顶住工件，用于稳定工件位置和限制工件轴向移动；所述托辊轴向截面圆弧凹型槽的形状与成品工件轴向截面的外形吻合，托辊截面的圆弧的中线与辗压轮外圆凹型槽的圆弧的中线和芯轴外圆凸型槽的圆弧的中线相重合，以保证工件受力的平衡并保证成品的外形。

2.根据权利要求1所述的内外球面金属环件的冷辗扩加工装置，其特征在于，所述托辊通过滚针轴承绕托辊轴回转，锁紧螺母通过隔套消除两端推力轴承的轴向间隙，微调螺杆调整托辊轴向位置，百分表用作位置指示，使托辊的圆弧的中线与辗压轮外圆凹型槽的圆弧的中线和芯轴外圆凸型槽的圆弧的中线相重合，紧定螺钉固定托辊轴向位置。

3.根据权利要求1所述的内外球面金属环件的冷辗扩加工装置，其特征在于，所述支撑轮采用Cr12MoV经过淬火，硬度范围HRc58～62，对左右二支撑轮之间对应的侧面经精密磨削并研磨使粗糙度达到Ra0.1后，对表面作CVD处理得3～5μmTiC镀膜，镀膜经研磨去除氧化层后与金属环件的摩擦系数小于0.15。

4.一种使用权利要求1所述的冷辗扩加工装置加工内外球面金属环件的冷辗扩加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)材料改制；将材料制成环件；

2)材料软化；将制成的环件进行热处理退火，以便于实施冷辗扩；

3)冷辗毛坯制备；

冷辗毛坯的内径：

φd₀＝φd/k其中k＝1.35-1.55

φd₀：冷辗毛坯内径φd：冷辗成品内径

冷辗毛坯的高度：

δ＞9时

H₀＝H-0.15

3≤δ≤9时

$H_0=H-0.10-f_1-f_2=H-0.10-5{\mathrm{\δ}}^{-2}-\frac{1}{2}(k-1.4)$

其中H：成品工件高度  H₀：毛坯高度       δ：成品法向壁厚

f₁：壁厚修正系数     f₂：辗扩比修正系数  k：辗扩比

冷辗毛坯外径的确定：根据辗扩前后工件重量不变的原则，由上述公式确定毛坯内径和高度后，通过重量与体积计算能求得对应的外径；

将软化后的环件经过切削加工制成符合所述冷辗毛坯内径、外径和高度的冷辗毛坯；以供冷辗扩；

4)冷辗扩成型；使用冷辗毛坯，在冷辗扩机床上，采用所述内、外球面金属环件加工装置，并经调整，使托辊的圆弧的中线、芯轴的圆弧的中线与工件圆弧的中线吻合，同时调节支撑轮，使支撑轮止推面与工件的间距为动配合；执行冷辗扩过程，所述辗压轮的外圆凹型槽和芯轴的外圆凸型槽使工件实现成型，而所述托辊和支撑轮的止推面用于稳定工件位置和限制工件轴向移动。

5.根据权利要求4所述的内外球面金属环件的冷辗扩加工方法，其特征在于，所述步骤2)中热处理退火后制成环件的硬度范围为HB160～217，σ_s≤320MPa。

6.根据权利要求4所述的内外球面金属环件的冷辗扩加工方法，其特征在于，所述步骤1)中将材料锻造成管状的环件。

7.根据权利要求4所述的内外球面金属环件的冷辗扩加工方法，其特征在于，所述步骤1)中将材料制成钢管再切断成环件。

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