CN102740992B - 用于滚柱轴承罩的标准统一的轧制与弯曲工艺 - Google Patents

Abstract

一种用于制造大直径的锥形滚柱轴承罩（10B）的方法。将在宽度、长度、和厚度方面进行精确地尺寸确定的、具有或不具有预制窗口或凹口的直金属带、卷、板供给到滚轧机（100）中。滚轧机结合有一对非平行的成形辊（102A、102B），该成形辊设置成使得在成形辊之间的间隙（G）呈楔形。当将罩毛坯材料（10）供给穿过楔形的成形辊间隙（G）时，罩毛坯材料的一个横向侧塑性地变形，以减小其厚度（T）并且延长其长度，而没有变形或仅将非常小的变形引至罩毛坯的另一侧，由此使罩毛坯形成弧形。设置在成形辊（102）的出口侧上、处于预先计算好的位置中的第三辊（104）使轧制好的罩毛坯弯曲成圆锥形环（10A）。在将整个罩毛坯轧制成锥形环构造之后，圆锥形环可再次经过滚轧机（100）以获得最终尺寸。在组装过程期间，将成形的锥形环罩毛坯（10A）的相邻的对接端（12A、12B）对齐并接合在一起以形成大直径的锥形滚柱轴承罩（10B）。

Description

用于滚柱轴承罩的标准统一的轧制与弯曲工艺

相关申请的交叉引用

本申请涉及于2010年2月1日提交的美国临时专利申请No.61/300,175，并要求其优先权。

关于联邦政府资助研究的声明

不适用。

背景技术

本公开内容主要涉及一种用于制造大直径的锥形滚柱轴承罩的方法，并且特别地，涉及一种利用直钢带或板材料来制造该种锥形滚柱轴承罩的方法。

制造直径通常大于500mm的大型锥形滚柱轴承罩是充满挑战性的工作，这是以下事实所导致的：这些轴承罩必须满足高技术标准，通常产量较低，需要大型工具，并且可经历频繁的设计改变。目前，大型锥形滚柱轴承罩通过旋压加工或环轧/机加工工艺来制造。旋压加工是一种高成本的工艺，它需要部分专用的巨型心轴和尾架。随着罩尺寸的增大，旋压加工变成一种昂贵的工艺，这是由找出用于心轴的足够大的坯料以满足所需的罩尺寸的难度所导致的。大型钢板的成本也按指数规律地增大。同样，用于大型罩的环轧和机加工工艺同样是非常昂贵的。

因此，有利的是，不利用部分专用的巨型心轴和尾架以显著降低大直径的锥形滚柱轴承罩的制造成本，特别是在罩类型的数量较大并且每种类型的罩年销量较小的情形下更是如此。更为有利的是，在制造工艺中，仅将直金属带、卷、或板用作原材料，从而甚至是在罩尺寸较大时也减少了材料供应问题并且实现材料的最大利用。

用于制造大直径的锥形滚柱轴承罩的诸如旋压加工或环轧/机加工工艺之类的传统制造方法被局限于与具有最大厚度的材料一起使用，受到材料可成形性和成形过程的工具载荷承载能力的限制。因此，更为有利的是，提供了一种不局限于可成形的罩的最大厚度的制造方法。

最后，有益的是，提供一种用于大直径的锥形滚柱轴承罩的制造工艺，该工艺对于快速的部件转换和尺寸调节是极为灵活的，并且在利用先进的厚度控制统、反馈系统以及数字控制系统时，该工艺可实现高尺寸和几何精度。

发明内容

简述之，本公开内容提供了一种用于将直金属带、卷、或板用作原材料来制造包括大直径锥形滚柱轴承罩在内的锥形滚柱轴承罩的方法。该方法始于将直金属带、卷、或板（在下文中称作罩毛坯）供给到滚轧机中，该直金属带、卷、板在宽度、长度和厚度上被精确地确定尺寸，并且具有或不具有预制的窗口或凹口。滚轧机结合有一对非平行的成形辊，该成形辊设置成使得在成形辊之间的间隙呈楔形构型。当将罩毛坯供给穿过楔形的成形辊间隙时，使罩毛坯的一侧塑性地变形以减小其厚度并且延长其长度，而未将变形或仅将非常微小的变形引入罩毛坯的另一侧。这引入了厚度的从一个横向边缘处的零值到另一横向边缘处的预定值的线性且均匀的减小。由此，将起初直的罩毛坯成形为弧形。设置在成形辊的出口侧上、处于预先计算好的位置中的第三辊将轧制好的罩毛坯弯曲成圆锥形环。在将整个罩毛坯轧制成圆锥形环之后，圆锥形环可经过滚轧机一次或更多次以用于获得最终尺寸。在对具有非精确的尺寸和几何构造的部分进行任何必要的修整之后，将成形的锥形环的对接端接合在一起以形成完整的大直径的锥形滚柱轴承罩。

在一个替代实施方式中，第四辊设置于滚轧机的入口侧处以解决成形的罩毛坯的尾端由于成形辊与第三辊之间的距离而具有平的或具有较小曲率的区段。第四辊上升至预定高度以在罩毛坯的尾部进入滚轧机之前，使罩毛坯的尾部弯曲到所需的曲率。

在本公开内容中阐述的前述特征和优点以及目前优选的实施方式将通过阅读结合附图进行的下列描述而变得更加明白。

附图说明

在形成说明书的一部分的附图中：

图1A是本公开内容的用于标准统一的罩轧制和弯曲工艺的辊装置在使用期间的侧视图；

图1B是图1A的辊装置的端视图；

图2A是大直径的锥形滚柱轴承罩的尺寸表示的视图；

图2B是利用本公开内容的方法形成图2A的锥形罩所需的带或板材毛坯构造的视图；

图2C是图2B的板材毛坯的截面图；

图3A是示出了图2的带或板材毛坯的缩小侧处的厚度尺寸的计算的俯视图；

图3B是图3A的带或板材毛坯的截面图；

图4A和4B示出了用于计算锥形滚柱轴承罩尺寸的尺寸表示；

遍及附图中的若干附图，对应的附图标记指代对应的部件。将会明白的是，附图用于示出在本公开内容中阐述的概念并且未按比例绘制。

在对本发明的任何实施方式进行详细地说明之前，将会明白的是，本发明在其应用中并非局限于在下列描述中阐述或在附图中示出的结构的细节和部件的布置。

具体实施方式

下列详细说明作为示例而非限制示出了本发明。本说明使所属领域技术人员能够实施和利用本公开内容，并描述了本公开内容的若干实施方式、修改、变型、替代实施方式、及使用，本公开内容包括目前被认为是实施本公开内容的最佳模式的内容。

转向附图，并特别参照图1A和1B，所看到的是，本公开内容的工 艺始于已经在宽度、长度和厚度上被精确地确定尺寸的直金属带或板（在下文中，称之为罩毛坯材料（10））。该罩毛坯材料（10）可由诸如钢之类的任何适当的材料形成，并且可包括用于容纳轴承滚动元件的预制窗口和凹口（未示出）。

可在轧制罩之前或之后通过机械或非机械的方式制造位于罩上的用以限制轴承滚柱的窗口或凹口。当在罩轧制之前预制窗口或凹口时，窗口或凹口或者可制成成品尺寸和几何构造，或者可制成半成品构造，该半成品构造在轧制罩之后可最终被精加工成符合规格的构造。为了满足罩毛坯在轧制方向和横向方向上的均匀且持续的变形，窗口或凹口的去除部可在轧制操作期间保持附接于罩毛坯材料（10）。

最初，将罩毛坯材料（10）通过横向导向辊（101）供给到滚轧机（100）中，该滚轧机（100）构造成用于本公开内容的方法，其具有设置成彼此不平行的一对成形辊（102A、102B），使得成形辊之间的间隙（G）是楔形的，如在图1B中最佳所见。当罩毛坯材料（10）通过该楔形的成形辊间隙（G）时，罩毛坯材料（10）的一个横向侧塑性地变形，使得其厚度减小并且其长度延长，而罩毛坯材料（10）的相对的横向侧不发生变形或发生非常轻微的变形。罩毛坯材料（10）的一个横向侧的变形导致最初直且平的罩毛坯材料（10）成形为弧形，如图2B中所见。

当成形的罩毛坯材料（10）离开成形辊（102）时，成形的罩毛坯材料（10）接合处于预先计算好的位置中的第三辊（104），该第三辊（104）使成形的罩毛坯材料（10）向上弯曲成锥形圆环（10A）。由于成形辊（102）与第三辊（104）之间的距离，成形的罩毛坯材料（10）的尾端可具有这样的区段：该区段是平的或在离开成形辊（102）并经过该第三弯曲辊（104）之后具有小曲率。可选择地，这可通过将可调节的第四辊（106）放置在滚轧机（100）的邻近用于成形辊（102）的供给点的入口侧中来实现。第四辊（106）构造有受到适当控制的致动机构，该第四辊（106）上升至预定高度以在罩毛坯材料（10）的尾部进入成形辊（102）之前，使罩毛坯材料（10）的尾部弯曲成所需的曲率。在上述操作之后，如果在成形的罩毛坯（10A）的前端和尾端中依然存在不精确的构造（例如较小的曲率），则对成形的罩毛坯的这种部分进行修整。因此，应当使罩毛坯材料（10）具有额外的长度，使得成形的罩毛坯（10A）获得所 需的尺寸。

在将整个罩毛坯材料（10）轧制成成形的罩毛坯（10A）的具有通常所需尺寸的锥形环构造中之后，可使成形的罩毛坯（10A）可选择地通过滚轧机一次或多次以获得最终所要求的尺寸。一旦将最终的尺寸实现为处于所需公差内，可通过诸如焊接或粘接之类的适当的方式将成形的罩毛坯（10A）的相邻的对接端（12A、12B）接合或紧固在一起，以形成完整的大直径的锥形滚柱轴承罩结构（10B）。

在可将直带或板材切割成罩毛坯（10）并且使其通过成形辊（102）之前，应当完成锥形滚柱轴承罩的设计，使得可获得下列尺寸参数（如图2A、2B、和2C中所示）：

T₁—成品罩（10B）的小直径端的厚度，其也是未加工的带或板材在成形之前的原始厚度。

W—成品罩（10B）于其中性面处测量到的斜高。

R₁—成品罩（10B）的小直径端的中性面处的半径。

α—成形的锥形罩（10B）的坡口角度的一半。

成形的罩（10B）在其中性面处测量到的轴向高度H可根据下列等式通过斜宽计算而得：

H＝Wcosα                等式1

形成成形的罩（10B）所需的平带或板材的总长度可通过下列等式来确定：

L＝2πR₁                 等式2

最初，将具有诸如金属级品位之类的预定材料特性以及厚度T₁的平带或板材（1）切割为所需的长度L和斜宽W。为了在最终的成品或成形的轴承罩（10B）中实现高精度要求，带或板材（10）应当在最终轧制工艺期间在其厚度上具有紧公差，并且在切口加工或切割工艺中在其宽度上具有紧公差。

将平的罩毛坯材料（10）供给到滚轧机（100）中，在该滚轧机上， 成形辊（102A、102B）之间的间隙（G）呈楔形，这意味着两个成形辊（102）并未设置成是平行的，以实现从罩毛坯材料（10）的一侧处的零值到另一边缘处的预定量的线性且均匀的厚度减小。因此，这种厚度减小将遍及罩毛坯材料（10）的宽度在长度上导致线性增大的延长。当轧制平的罩毛坯材料（10）而不存在来自第三辊（104）的任何弯曲时，罩毛坯材料（10）将形成弧形，如在图2B中所见。该弧形的尺寸r和θ可出于验证的目的而使用，并且可从对罩表面积和罩毛坯弧形表面积的计算来获得。该轴承罩的表面积表示为：

A_罩＝πW(R₁+R₂)            等式3

式中：R₂＝R₁+Wsin α       等式4

弧形的表面积表示为：

等式5

式中 等式6

由于A罩=A弧形，因此，将会看出

θ＝2πsinα               等式7

以及 等式8

轧制后，罩毛坯（10A）的一侧将具有如图2C和3B中所示的减小的厚度T₂。T₂的理论值可从下列等式计算出：

罩毛坯（10A）的减小侧处始于原始厚度T₁的厚度减小量为：

ΔT＝T₁-T₂                 等式9

罩毛坯的体积是：

V₀＝LT₁W                   等式10

同一罩毛坯的轧制弧形的体积是：

$V_1=\underset{0}{\overset{W}{\∫}}{L}_x{t}_x\mathrm{dx}$ 等式11

式中L_x＝(r+x)·θ          等式12

$\mathrm{\θ}=\frac{L}{r}$ 等式13

$t_x=T_1-\frac{x}{W}\mathrm{\ΔT}$ 等式14

通过代入法，等式11现在可表示为：

$V_1=\underset{0}{\overset{W}{\∫}}\frac{L}{r}(r+x)[T_1-\frac{x}{W}\mathrm{\ΔT}]\mathrm{dx}=L[T_{1}W+\frac{W^2}{6r}(3T_1-2\mathrm{\ΔT})-\frac{1}{2}\mathrm{W\ΔT}]$ 等式15

通过使V₀和V₁相等，罩毛坯（10A）在其经过成形辊（102A、102B）时的厚度减小量可获得为：

$\mathrm{\ΔT}=T_1\left(\frac{3W}{3r+2W}\right)$ 等式16

减小侧处的厚度T₂是：

$T_2=T_1\left(\frac{3r-W}{3r+2W}\right)$ 等式17

式中，r从等式8获得。

成形辊（102A、102B）的间隙（G）通过T₁（最大距离）、T₂（最短距离）、以及W（导向辊之间的距离）进行设置。这些尺寸应当在整个轧制工艺期间可靠且持续地保持以便在不存在任何尺寸和几何变形的情况下形成罩毛坯（10B）。

如图4中所示，在轧制和弯曲后，在修整或机加工该罩毛坯的任何部分之前，成形罩（10B）应当满足下列直径尺寸：

理论小端内（SEI）径是：

D_SEI＝2R₁-T₁cosα           等式18

理论小端外（SEO）径是:

D_SEO＝2R₁+T₁cosα           等式19

理论大端内（LEI）径是：

D_LEI＝2R₂-T₂cosα           等式20

理论大端外（LEO）径是：

D_LEO＝2R₂+T₂cosα           等式21 罩的理论总高度（从尖端到尖端）是：

等式22

式中 等式23

$h_{T_2}=T_2\sin \mathrm{\α}$ 等式24

$h_m=[W\cos \mathrm{\α}-\frac{1}{2}(T_1+T_2)\sin \mathrm{\α}]$ 等式25

当罩毛坯材料（10）经过成形辊（102A、102B）之间的辊间隙（G）时，放置在成形辊的出口（即处于用于轧制好的罩毛坯（10A）的出口点处）中、处于预先计算好的位置中的第三辊（104）将随后使轧制好的罩毛坯（10A）弯曲成圆锥形环，如图1A和1B中所示。由于成形辊（102）与第三辊（104）之间的距离，罩毛坯（10）的尾部可具有平的或具有较小曲率的区段。该问题可通过将可调节的第四辊（106）放置在滚轧机（100）的入口中来解决。该第四辊构造有适当的致动和控制机构以上升至预定高度，从而使罩毛坯材料（10）的尾部在它进入成形辊（102）之间的辊间隙（G）之前弯曲成所需的曲率。

在将整个罩毛坯（10A）轧制成圆锥形环之后，可使该罩毛坯经过滚轧机（100）一次或多次以获得最终所要求的尺寸。

优选地，滚轧机（100）装配有用于成形辊的自动厚度控制（AGC）系统和闭环反馈（CLFB）系统以及CNC系统，以便可维持成形的罩（10B）中的高精度和重复精度。将第三辊（104）和可选择的第四成形辊（106）优选地集成到滚轧机的AGC系统、CLFB系统和CNC系统中，以维持所需的定位、精度、和可重复性。由于该楔形的成形辊间隙（G），在轧制期间，罩毛坯（10A）将朝向该辊间隙（G）的较大部分横向移动。需要于滚轧机的入口端处和出口端处设置一组横向导向辊（101）以确保罩毛坯（10A）在轧制工艺期间位于指定的横向位置中。横向导向辊（10）在其横向空间中优选地是可调节的，以适应于各种各样的罩毛坯宽度。

考虑到所产生的成形轴承罩（10B）可具有穿孔的窗口或凹口以提供对于轴承滚柱的约束，罩毛坯（10A）也可在轧制和弯曲之前通过机械的或非机械的方式预先穿凿有精确的最终尺寸的或较小尺寸的窗口或凹口。对罩毛坯（10A）进行预穿孔具有若干优点。例如，预穿孔工 艺在罩毛坯（10A）为平的时需要较为简单的工具、机器配置和程序设计，并且需要较少的设置时间和制造时间，并因而降低了成本。此外，预穿孔工艺可减小残余应力的不均匀分布并由此减少了罩在成形工艺期间的变形。在罩毛坯（10A）成形并通过滚轧机（100）进行轧制之后，通过机加工或其它加工方法将使尺寸不够大的窗口或凹口获得它们的最终尺寸和几何构造。为了满足罩毛坯材料（10）中沿轧制方向和横向方向的均匀且持续的变形，窗口或凹口的穿孔部分可在轧制期间保持附接于带。

优选地，滚轧机（100）装配有适当的材料处理设备以支承和引导罩毛坯（10A）的未轧制部分和轧制好的部分，使得将没有滚轧机外侧的罩毛坯（10A）的部分的运动和重力的影响施加至轧制和弯曲工艺。该材料处理设备可在尺寸上调节成适应于一系列锥形滚柱轴承罩直径，它们通常将超过500mm。

由于在不脱离本公开内容的前提下可对上述结构进行多种改变，因此，意图是，在上述说明书中包含的或在附图中示出的所有内容都应当被解释为是示例性的而非限制性的。所属领域技术人员将会认识到，尽管已经描述了本公开内容用于制造直径等于或超过500mm的锥形滚柱轴承罩的方法和设备，但该方法和设备可在不脱离本发明的范围的情况下构造成制造小于500mm的锥形滚柱轴承罩。

Claims (12)

1.一种用于锥形滚柱轴承罩(10B)的制造方法,包括:

提供罩毛坯材料(10)的直段，所述直段在宽度、长度和厚度上被精确地确定尺寸，所述宽度、长度和厚度被选定为获得所述锥形滚柱轴承罩(10B)的成品尺寸；

将所述罩毛坯材料(10)的直段供给到滚轧机(100)中，所述滚轧机结合一对非平行的成形辊(102)，所述成形辊(102)设置成使得在所述成形辊之间的间隙(G)具有楔形形状，所述罩毛坯材料通过所述间隙供给；

通过使直的所述罩毛坯材料(10)穿过所述间隙(G)而使所述罩毛坯材料(10)塑性地变形为弧形形状，以使所述罩毛坯材料(10)的一个横向侧的厚度减小并且长度延长；

使所述罩毛坯材料的所述弧形经过弯曲引入辊(104)，所述弯曲引入辊(104)使所述罩毛坯材料的所述弧形弯曲成圆锥形环(10A)；以及

将所述罩毛坯材料的所述圆锥形环(10A)的相对的对接端(12A、12B)紧固在一起以形成所述锥形滚柱轴承罩(10B)。

2.如权利要求1所述的制造方法，还包括在所述供给步骤之前，在所述罩毛坯材料(10)的所述直段中预制出窗口或凹口的步骤。

3.如权利要求1所述的制造方法，还包括相对于所述成形辊(102)选择性地定位所述弯曲引入辊(104)以将选定的半径给予穿过所述间隙(G)的所述罩毛坯材料的所述圆锥形环(10A)的步骤。

4.如权利要求1所述的制造方法，其中，所述将所述罩毛坯材料的所述圆锥形环(10A)的相对的对接端(12A、12B)紧固在一起的步骤包括将所述相对的对接端接合在一起。

5.如权利要求1所述的制造方法，还包括在将所述相对的对接端(12A、12B)紧固在一起以形成所述锥形滚柱轴承罩(10B)之前，将所述罩毛坯材料的所述圆锥形环(10A)供给通过所述滚轧机(100)至少一次的步骤。

6.如权利要求1所述的制造方法，还包括在使直的所述罩毛坯材料在所述成形辊(102)之间的所述间隙(G)内塑性地变形之前，向直的所述罩毛坯材料(10)的尾端施加弯曲的步骤。

7.如权利要求6所述的制造方法，其中，所述施加弯曲的步骤还包括在利用所述成形辊(102)使直的所述罩毛坯材料(10)塑性地变形之前，使辊(106)与直的所述罩毛坯材料(10)的所述尾端选择性地接合的步骤。

8.如权利要求1所述的制造方法，还包括在所述滚轧机(100)内的塑性变形期间，防止所述罩毛坯材料(10)发生横向移位的步骤。

9.如权利要求1所述的制造方法，其中，响应于第一横向边缘处的所述罩毛坯材料的厚度(T₁)的测量值、第二横向边缘处的所述罩毛坯材料的厚度(T₂)的测量值、以及所述第一横向边缘与第二横向边缘之间的横向距离(W)的测量值来选择所述成形辊之间的所述间隙(G)。

10.如权利要求1所述的制造方法，还包括步骤：在通过所述成形辊(102)进行的所述塑性变形期间监测所述罩毛坯材料(10)的一个或更多个尺寸，并且在所述滚轧机(100)的自动厚度控制系统和闭环反馈系统中利用监测到的所述尺寸来调节与所述成形辊相关联的一个或更多个设定值。

11.如权利要求1所述的制造方法，还包括在将所述相对的对接端紧固在一起以形成所述锥形滚柱轴承罩(10B)的步骤之前，将所述罩毛坯材料的所述圆锥形环(10A)修整成最终尺寸的步骤。

12.如权利要求1所述的制造方法，其中，将所述相对的对接端紧固在一起以形成所述锥形滚柱轴承罩(10B)的步骤形成具有至少500mm的内径的罩。