CN101648332B - 一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，包括以下步骤：1)锻造环件：将轴承钢棒料锻造成矩形截面的环形件；2)球化退火：将制成的锻件进行球化退火获得较低的硬度以实施冷辗；3)粗车：对锻件进行车削加工，消除锻造产生的壁厚差；4)预辗锥度：在常温下对粗车后的环件的两端进行局部辗压；5)修整形状：对预辗后的环件实施切削加工，去除外圆两端的隆起，在预辗出的斜度基础上继续延长斜度接近成品长度；6)精辗成形：在常温下对修整好形状的环件进行整体辗环，直到环件尺寸达到要求辗环终止。本发明具有加工效率高、精度好、材料省、成本低，以及铁路轴承环件性能好的优点，对于提高铁路轴承的寿命和可靠性具有积极意义。

Description

一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法

技术领域

本发明属轴承零件加工技术领域，涉及一种铁路轴承环件的精密冷辗环工艺成形方法。

背景技术

铁路轴承包括为机车、货车、客车、动车组、地铁和轻轨等车辆配套的轴承。铁路轴承是保持行车安全的重要部件。在铁路不断提速和重载化的情况下，铁路轴承的运行工况日益苛刻和严酷，要求以最大限度的可靠性保持其高性能。同时，要延长维修周期，提高工作寿命。使用最广泛的铁路轴承是双列圆锥滚子轴承，其外环的内径有两段锥度用作轴承滚子的滚道，其截面为梯形。这种轴承既可承受很大的径向力，也可承受一定的轴向力，且可以补偿间隙，故在货车普遍采用，近年来高速客车轴承采用双列圆锥滚子轴承的比例也越来越高，对其环件的制作工艺也提出更高的要求。

目前这一类零件的典型加工工艺为：钢材圆钢经加热后墩粗、反挤、切底并平高、扩孔然后车加工成形。这种传统的加工方法具有以下不足之处：

1)材料利用率低：由于铁路轴承环件高度较大，通常在140mm以上，形状较复杂，壁厚变化悬殊，壁厚最大处20mm左右，而最薄处仅7mm，在热扩孔时为保证成形，不得不增大留量，导致材料利用率很低，通常不超过55％；

2)加工较为困难：由于锻造留量较大，需要多次走刀才能完成一个工作面的加工，生产效率较低；

3)切削过程切断了金属纤维，使工件的机械性能受到影响，导致轴承环件抗疲劳强度降低，影响到整套轴承的寿命。

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、材料利用率高的铁路轴承环件的精密冷辗环成形工艺。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，包括以下步骤：

1)锻造环件：将轴承钢棒料锻造成矩形截面的环形件；

2)球化退火：将制成的锻件进行球化退火，获得较低的硬度以便于实施冷辗；

3)粗车：对锻件进行车削加工，基本去除氧化皮与脱碳层，消除锻造时产生的壁厚差，粗车后的环件重量相互差小于1.6％；

4)预辗锥度：在常温下对粗车后的环件的两端进行局部辗压，两端金属受模具挤压后产生局部变形被辗压出一段锥度，而环件基体有少量变形，内、外径略有胀大，高度沿环件轴向略有延展，预辗需符合以下要求：

a.d₁/d₀＝k₁  k₁＝1.005～1.03

b.D₁₁/D₁≤1.025

c.H₀＝H₁-(1.75～2.5)

d.α₁＝α₂-(1°～1°30′)

e.β₁＝10°～12°

d₁：预辗环件内径  d₀：毛坯内径  k₁：预辗的辗扩比

D₁：预辗环件基体外径  D₁₁：预辗环件隆起部外径

H₀：毛坯高度  H₁：预辗环件高度  α₂：成品环件内锥面斜度

α₁：预辗环件内锥面斜度  β₁：预辗环件脱模角

5)修整形状：对预辗后的环件实施切削加工，去除其外圆两端的隆起，在预辗出的斜度基础上继续延长斜度接近成品长度，修整完形状的环件重量相互差小于1.2％；

6)精辗成形：在常温下对修整好形状的环件进行整体辗环，环件口径扩大，壁厚减薄，内锥面的斜度、倒角、油沟等形状在辗环过程中逐步成形，直到环件尺寸达到要求辗环过程终止，精辗必需符合以下要求：

a.d/d₂＝k₂  k₂＝1.35～1.38

b.H＝H₂-(0.7～1.2)

c.β₂＝6°～8°

d：成品环件内径  d₂：修形后环件内径  k₂：精辗的辗扩比

H：成品环件高度  H₂：修形后环件高度  β₂：精辗环件脱模角

进一步的，所述步骤2)中球化退火后环件的硬度范围为HRB82～86。

进一步的，所述步骤3)中粗车后环件的壁厚差小于0.2，残余脱碳层厚度小于0.2；

进一步的，所述步骤5)中经过修整形状的环件壁厚差小于0.1。

本发明的积极效果是：采用预辗和精辗两步成形，合理分配每一工序的变形比率，并辅助进行形状修整，从而实现了复杂截面环件的精密冷辗环成形，所用锻造毛坯形状简单，口径小，容易制备，有利于提高精度；本发明仅在粗车和修形工序去除少量金属，加工一个环件材料利用率可达62～65％，而传统的热扩孔后车加工的工艺材料利用率仅50～55％，这意味着生产一个铁路轴承环件可节约3kg的优质轴承钢，有利于降低成本；利用模具辗环加工成形，被加工件的精度由模具保证，因此工件形状一致性好，精度高；内、外径一次成形，其同轴度远高于切削加工获得的工件；在冷辗环过程中，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。因此，本发明具有加工效率高、精度好、材料省、成本低，以及铁路轴承环件性能好的优点，对于提高铁路轴承的寿命和可靠性具有积极的意义。

附图说明

图1-1为本发明实施例粗车后的环件示意图；

图1-2为本发明实施例预辗锥度后的环件示意图；

图1-3为本发明实施例修整形状后的环件示意图；

图1-4为本发明实施例精辗成形后的环件示意图；

图2本发明实施例预辗锥度开始状态的示意图；

图3本发明实施例预辗锥度结束状态的示意图。

图中：1-辗压轮；2-辗压轮轴；3-冷辗环件；4-芯轴；5-预辗成形的锥度。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法作进一步描述。

本实施例以使用量最大的双列圆锥滚子铁路轴承35226X2-2RZ的外环为例，图1-4中：H＝151.5，D＝Ф230.65，d＝Ф193.1，α₂＝9°52′；材料为G20CrNi2MoA。

一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，包括步骤如下：

1)锻造环件：将轴承钢圆钢经加热后墩粗、反挤、切底并平高、扩孔、整形等工序锻造成矩形截面的环形件，本实施例所用的锻件净重为14850g；

2)球化退火：将锻造好的环件进行球化退火，退火后环件的硬度范围为HRB82～88；

3)粗车：对环件进行车削加工，基本去除氧化皮与脱碳层，粗车后的环件如图1-1所示。粗车消除锻造时产生的壁厚差，使之小于0.2；粗车后的环件重量相互差小于1.6％，本实施例的粗车后环件理论重量为12760g，故粗车后允许环件的重量变动约为12660g～12860g；由于环件后续工序还有多次切削加工过程并有足够留量，故粗车阶段，允许环件残余部分氧化皮和脱碳层，残余脱碳层的厚度不大于0.2即可，显然这样有利于压缩锻件的留量，以提高材料利用率；本实施例中，粗车后的环件内径d₀＝Ф140、外径D₀＝Ф184、高度H₀＝148。

4)预辗锥度：如图2所示，在常温下将粗车后的环件3置入由辗压轮1和芯轴4形成的工作区内进行辗压。开始辗压后，辗压轮1主动旋转带动环件3同步转动，芯轴4向环件微量进给切入环件3后在摩擦力带动下被动旋转，形成对环件3两端的局部辗压，金属材料在塑性变形时其金属流动趋势为向阻力最小的方向流动，由于环件3的轴向仅两端面与辗压轮1有很小的间隙，受压后轴向略有延展，端面与辗压轮1孔型填充基本完成后，环件3两端由辗压轮1和芯轴4形成的孔型截面进一步减小，在压应力的作用下，多余的金属沿外径方向流动，致使环件3两端外径变大，而环件3基体未受辗压，不足以产生足够的压应力，仅在两端金属带动下产生微量变形，在预辗过程中就形成了一个如图1-2所示的两端大，中间小的“哑铃形”环件。预辗完成时，如图3所示，环件3的内径在芯轴4的作用下，产生一段锥度5。本实施例中，预辗后内径由辗前的Ф140胀大到Ф141^+0.25，实际辗扩比为1.007；预辗后环件的隆起部外径(D₁₁)为Ф189.2，而基体外径(D₁)为Ф184.8，符合D₁₁/D₁≤1.025的要求；高度沿环件轴向略有延展，由毛坯的148增加到150.5；预辗形成的内锥度斜角α1取值9°，脱模角β1取值12°。预辗主要目的在于预成形环件两端的锥度，环件两端受辗压后，壁厚略有减薄；预辗应精确控制其辗扩比，由于冷辗过程中会在金属辗压区的表面产生一定深度的硬化层，必须在后续的修整形状步骤中去除，如硬化层遗传到精辗步骤，再经过较大变形比率的冷辗后，表面硬化层可能会发生晶格错位乃至撕裂，从而在环件的浅表层形成微裂纹，这对于铁路轴承来说是极大的隐患，故本发明对预辗所采用的辗扩比进行了严格的限定，可确保预辗产生的硬化层在后续的工序中全部去除。预辗过程为无切屑的金属冷塑性成形过程，预辗前后环件重量不变。

5)修整形状：环件在冷辗时的许用变形比率较小，故对截面形状较为复杂、壁厚变化悬殊的铁路轴承环件必须修整其形状以便于实现冷辗。本实施例中利用车床对环件实施切削加工，去除外圆两端的隆起，在预辗出的斜度基础上适当加深并继续延长斜度接近成品长度，并去除表面硬化层。修完成形状后的环件如图1-3所示，截面形状与成品环件相仿，但壁厚较大，锥度稍短。为保证精辗的精度，其重量相互差小于1.2％。本实施例中，预辗后的环件在修形过程中，外径单边金属去除量最大2，内径单边金属去除量最大为2.6，利用车床加工一次走刀即可去除，效率很高，并控制内、外径壁厚差小于0.1。本实施例中，经过修整形状后的环件净重为10880g。

6)精辗成形：在常温下将修整好形状的环件置入精辗用辗压轮和芯轴形成的工作区进行整体辗环，环件口径扩大，壁厚减薄，内锥面的斜度、倒角、油沟等形状在辗环过程中逐步成形，直到环件尺寸达到要求辗环过程终止。精辗完成的环件如图1-4所示。经过精辗后的环件再经过加工密封槽、打油孔、探伤、打标记等工序即可进行淬火工序，再制造成轴承。本实施例中，精辗前环件内径d2＝Ф142，精辗后内径d＝Ф193.1，精辗实际辗扩比k2＝193.1/142＝1.36，满足辗扩比的限制范围；脱模角取为8°，便于金属流动，避免出现粘连；辗扩后的环件高度略有增加。

经过精辗后的环件心部较软，其表面，尤其是用作滚道的内锥面，形成一个致密度很高的硬壳，晶粒细化，经热处理后对于铁路轴承环件的机械性能改善很大，尤其是有助于提高轴承滚道表面抗疲劳强度，对提高铁路轴承的使用寿命有很大帮助。由于采用了合理的辗扩比，滚道处的硬化层深度较大，在铁路轴承使用寿命到期后，对环件翻新，重新修磨滚道时，硬化层仍然得以保持。本实施例中，经过精辗及后续加工，交付淬火状态的35226X2-2RZ环件重量为10480g，其采用的锻件重量为14850g，而采用热扩孔-车加工生产环件时，所需锻件重量为18kg以上，可见本发明相比传统工艺每个环件可节约优质轴承钢至少3kg，国内每年生产以35226为代表的铁路轴承约30万套，如采用本发明，则每年可节约材料1000多吨，价值近千万元。

Claims (4)

1.一种铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)锻造环件：将轴承钢棒料锻造成矩形截面的环形锻造环件；

2)球化退火：将所述步骤1)制成的锻造环件进行球化退火，获得较低的硬度以便于实施冷辗；

3)粗车：对经所述步骤2)球化退火后的锻造环件进行车削加工，去除氧化皮与脱碳层，消除锻造时产生的壁厚差，粗车后的环件重量相互差小于1.6％；

4)预辗锥度：在常温下对经所述步骤3)粗车后的环件的两端进行局部辗压，两端金属受模具挤压后产生局部变形被辗压出一段锥度，而环件基体有少量变形，内、外径略有胀大，其高度沿环件轴向略有延展，预辗需符合以下要求：

a.d₁/d₀＝k₁ k₁＝1.005～1.03

b.D₁₁/D₁≤1.025

c.H₀＝H₁-(1.75～2.5)

d.α₁＝α₂-(1°～1°30′)

e.β₁＝10°～12°

d₁：预辗后环件内径         d₀：预辗前环件内径

k₁：预辗的辗扩比           D₁：预辗后环件基体外径

D₁₁：预辗后环件隆起部外径  H₀：预辗前环件高度

H₁：预辗后环件高度         α₂：成品环件内锥面斜度 

α₁：预辗后环件内锥面斜度  β₁：预辗后环件脱模角；

5)修整形状：对所述步骤4)预辗后的环件实施切削加工，去除外圆两端的隆起，在预辗出的斜度基础上继续延长斜度接近成品长度，修整完形状的环件重量相互差小于1.2％；

6)精辗成形：在常温下对所述步骤5)修整好形状的环件进行整体辗环，环件口径扩大，壁厚减薄，内锥面的斜度、倒角、油沟等形状在辗环过程中逐步成形，直到环件尺寸达到要求辗环过程终止，精辗需符合以下要求：

a.d/d₂＝k₂  k₂＝1.35～1.38

b.H＝H₂-(0.7～1.2)

c.β₂＝6°～8°

d：成品环件内径          d₂：修整形状后环件内径

k₂：精辗的辗扩比         H：成品环件高度

H₂：修整形状后环件高度   β₂：精辗后环件脱模角。

2.根据权利要求1所述的铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，其特征在于，所述步骤2)中球化退火后环件的硬度范围为HRB82～86。

3.根据权利要求1所述的铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，其特征在于，所述步骤3)中粗车后环件壁厚差小于0.2，残余脱碳层厚度小于0.2。

4.根据权利要求1所述的铁路轴承环件的精密冷辗环成形方法，其特征在于，所述步骤5)中修整形状的环件壁厚差小于0.1。 

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