CN103316926B - 一种l型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法 - Google Patents

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CN103316926B CN201310228647.5A CN201310228647A CN103316926B CN 103316926 B CN103316926 B CN 103316926B CN 201310228647 A CN201310228647 A CN 201310228647A CN 103316926 B CN103316926 B CN 103316926B
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Abstract

本发明涉及一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法,其特征是包括如下步骤:1)环坯设计与制造:根据环件尺寸和轧制比确定环坯形状和尺寸,制成冷轧环坯;2)孔型设计:根据环件形状及尺寸,确定驱动辊和芯辊型腔尺寸,再根据环坯尺寸、冷轧变形条件和设备参数设计驱动辊和芯辊工作面径向尺寸;3)冷轧成形:将加工好的驱动辊和芯辊安装于冷轧环机内,将加工好的环坯放入冷轧环机内,按高速轧制、中速轧制、低速轧制三个阶段合理分配芯辊进给速度和进给量进行控制,当所测环件外径达到预定值时,冷轧过程结束。本发明具有生产效率高、生产成本低、产品质量好的特点。

Description

一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法。
背景技术
[0002] 汽车轮毂轴承环件通常具有复杂的截面形状,L型截面为其中一种典型的截面形 状。环件冷轧是通过室温连续局部塑性变形获得高精度高性能轴承环件的先进塑性加工方 法。由于截面形状特征,L形截面汽车轮毂轴承环件冷轧过程金属流动填充和几何运动变化 规律复杂,常出现截面轮廓充不满、蝶形等缺陷,冷轧废品率高,无法稳定批量生产。因此, 目前L型截面汽车轮毂轴承环件均是通过冷轧获得矩形截面环件,然后切削加工出截面轮 廓形状,切削加工浪费大量材料和加工工时,而且破坏了环件表层金属流线分布,削弱了环 件机械性能,导致L型截面汽车轮毂轴承环件生产材料利用率低、效率低、成本高、产品质 量差。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法,该方法可 提高生产效率和产品质量,降低冷轧废品率和生产成本。
[0004] 为了实现上述目的,本发明的技术方案是:一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧 成形方法,其特征在于它包括如下步骤:
[0005] (1)环坯设计与加工
[0006] 环坯形状设计成内表面带锥度和台阶的斜L型截面环坯,环坯尺寸按如下步骤确 定:
[0007] a)计算环件各部分体积
[0008] 将L型截面环件从台阶处分成台阶以上的大孔环部分和台阶以下的小孔环部分, 设D、db、4分别为环件外径、大孔环内径、小孔环内径,B、B3分别为环件高度和台阶高度,L 为台阶长度,V、Vs分别为环件体积和小孔环体积,k3为小孔环占整个环件的体积比,计算可 得:
[0009]
Figure CN103316926BD00041
[0010]b)选择轧制比
[0011] 以环件小孔环内径ds与环坯小孔环内径dsQ之比为轧制比λ,即X=ds/dsQ,轧制比 λ取值为I. 1〜2 ;
[0012] c)确定环坯尺寸
[0013] 首先根据轧制可确定环坯小孔环内径ds(l=ds/λ;
[0014] 环坯高度Btl,取Btl=B-ΛΒ,其中,ΛB为环件高度尺寸下偏差绝对值;
[0015] 取环坯台阶高度等于环件台阶高度,即Bstl=Bs,则环坯大孔环高度Bm=Bq-Bsq;
[0016] 取环坯台阶长度等于环件的台阶长度,即Ltl=L;
[0017] 环坯体积V。,取VQ=KvV,其中,Kv为体积补偿系数,%为1〜I. 03 ;
[0018] 环坯小孔环所占环坯体积比k's,k's=Φks,其中,Φ为修正系数,Φ为1〜1. 05 ;
[0019] 根据环坯小孔环体积,可确定环坯外径Dtl为
[0020]
Figure CN103316926BD00051
[0021] 根据环坯大孔环体积,可确定环坯大孔环内表面锥度Qtl为
Figure CN103316926BD00052
[0023] 从而可确定环坯大孔环内径db(l为
[0024] db0=ds0+2L0+2 (B0-Bs0)tanθ〇
[0025] 根据所设计环坯体积和几何尺寸,进行棒料下料、加热,然后经镦粗、冲孔、冲连 皮,制成冷轧用环坯;
[0026] (2)孔型设计
[0027] 采用闭式孔型来限制冷轧过程环坯轴向宽展,以保证成形环件端面平整;冷轧孔 型由驱动辊和芯辊工作面型腔构成,孔型形状与环件截面形状对应;其中,驱动辊工作面为 圆柱面,芯辊工作面为由圆柱状的大、小工作面构成的阶梯形工作面;驱动辊和芯辊尺寸设 计如下:
[0028] a)孔型型腔尺寸
[0029] 根据环件高度B、内台阶高度Bs和内台阶长度L,确定驱动辊型腔高度B,和芯辊型 腔高度Bp芯辊小工作面高度Bil和芯辊台阶面长度Li,
[0030] Bd=B+0 〜0. 2mm,Bi=BfO. 1 〜0. 5mm,Bil=Bs,Li=L
[0031] 驱动辊和芯辊闭合时的最小型腔宽度应不超过环件壁厚,可取为
[0032]
Figure CN103316926BD00053
[0033] 其中,Sd为驱动辊型腔宽度、S 芯辊型腔上端宽度;
[0034] 驱动辊和芯辊型腔上下端均设置脱模斜度,驱动辊型腔脱模斜度ad和芯辊型腔 脱模斜度Qi均可取值为3°〜7° ;
[0035] b)驱动辊和芯辊工作面径向尺寸
[0036] 驱动辊线速度Vd通常为I. 1〜I. 6m/s;根据驱动辊线速度Vd可确定驱动辊工作 面半径Rd=5〇〇Vd/3ind,其中,nd=n/n为驱动辊转速,n为电机转速,q为传动比,n、q由设 备参数确定;
[0037] 芯辊最小工作面半径RiS满足如下条件:
[0038]
Figure CN103316926BD00054
[0039] 其中,Ri为芯棍最小工作面半径;β=arctanμ为摩擦角,μ为摩擦系数,μ通常 取 0· 15 〜0· 2 ;
[0040]应满足4 + 4 + $ =f- 3 ~ 5歷;
[0041] 驱动辊和芯辊的闭合中心距应在轧环机极限闭合中心距范围内,有
[0042]
Figure CN103316926BD00061
[0043] 其中,Lmax和Lmin为乳环机允许的最大和最小闭合中心距;
[0044] 根据以上条件可综合确定驱动辊工作面半径以及芯辊大、小工作面半径;
[0045] (3)冷轧成形
[0046] 按上述冷轧孔型设计加工驱动辊、芯辊,并将驱动辊、芯辊安装于冷轧环机内,将 按上述环坯设计加工的环坯放入冷轧环机内进行轧制;冷轧过程按高速轧制、中速轧制、低 速轧制三个阶段进行控制;冷轧过程各阶段进给速度与进给量控制按如下确定:
[0047] 进给速度:高速乳制进给速度V1= (2. 5〜5)Vmin,中速乳制进给速度V2= (1〜2)vmin, 低速乳制进给速度V3= (0. 5〜0. 8)Vmin
[0048] 进给量:高速乳制进给量ΛIi1=O. 6Λh,中速乳制进给量Λh2=0. 3Λh,低速乳制 进给量Λh3=0. 1Λh
[0049] 其中,Vmin为使环坯产生轧制变形所需的最小进给速度,Λh为轧制总进给量,有
[0050]
Figure CN103316926BD00062
[0051] 本发明的有益效果是:采用环件冷轧工艺加工L型截面汽车轮毂轴承环件,通过 环坯和孔型设计以及冷轧过程控制,可合理分配环件体积流动,控制冷轧过程环件外径扩 大和截面轮廓充型速度,从而有效抑制由于环件大孔环和小孔环外径扩大速度差异而形成 的蝶形缺陷,并实现环件外径与截面轮廓同步成形,减少了截面轮廓切削加工材料和工时 消耗,改善了金属流线分布,提高了生产效率和产品质量,降低了生产成本。
附图说明
[0052] 图1是L型截面轮毂轴承环件示意图。
[0053] 图2是内台阶环件冷轧成形原理图;
[0054] 1-驱动棍,2-芯棍,3-环件,4-信号棍,5-导向辊,V表示芯辊速度。
[0055] 图3是图2的截面效果图。
[0056] 图4是斜L型截面环还示意图。
[0057] 图5是驱动辊结构示意图。
[0058] 图6是芯辊结构示意图。
[0059] 图7是L型截面轮毂轴承环件冷轧过程进给量与进给速度控制曲线图;
[0060] ①高速轧制阶段,②中速轧制阶段,③低速轧制阶段。
具体实施方式
[0061] 一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法,它包括如下步骤:
[0062] (1)环坯设计与加工
[0063] 环坯形状设计成内表面带锥度和台阶的斜L型截面环坯(图4所示),环坯尺寸可 按如下步骤确定:
[0064] d)计算环件各部分体积
[0065] 将L型截面环件从台阶处分成台阶以上的大孔环部分和台阶以下的小孔环部分 (图1所示),设D、db、ds*别为环件外径、大孔环内径、小孔环内径,B、BS分别为环件高度和 台阶高度,L为台阶长度,V、Vs分别为环件体积和小孔环体积,ks为小孔环占整个环件的体 积比,计算可得:
[0066]
Figure CN103316926BD00071
[0067] e)选择轧制比
[0068] 以环件小孔环内径ds与环坯小孔环内径ds(l之比为轧制比λ,gpλ=ds/ds(l,轧制 比过小,环坯内径大,加工时芯料浪费多,且环坯轧制变形量过小,内部晶粒组织不能通过 轧制塑性变形得到有效细化;乳制比过大,乳制时间长、效率低,且环坯变形量过大容易导 致内部组织损伤、断裂和较大残余应力;对于本发明L型截面汽车轮毂轴承环冷轧成形,综 合考虑环坯加工芯料浪费、乳制效率和环件内部组织质量,乳制比λ取值为1.1〜2较合 理;环件外径越大,λ取值越大;当采用套锻工艺同时加工轴承内环和外环的环坯时,由于 受轴承内环的外径尺寸限制,轴承外环环坯的内径不能太小,这种情况下λ通常取1. 1〜 1. 3;
[0069] f)确定环坯尺寸
[0070] 首先根据轧制可确定环坯小孔环内径ds(l=ds/λ;
[0071] 考虑环坯便于放入轧制孔型,环坯高度Btl应略小于环件高度Β,可取BQ=B_ΛΒ,其 中,ΛB为环件高度尺寸下偏差绝对值,即环坯高度取环件高度的最小值;
[0072] 取环坯台阶高度等于环件台阶高度,即Bstl=Bs,则环坯大孔环高度Bm=Bq-Bsq;
[0073] 取环坯台阶长度等于环件的台阶长度,即Ltl=L;
[0074] 考虑环坯冷轧过程中轴向宽展,环坯体积Vtl略大于环件体积V,可取V^KvV,其中, 心为体积补偿系数,通常取为1〜1. 03,轧制比越大,Kv越大;
[0075] 考虑冷轧过程中环坯小孔环和大孔环之间金属轴向流动现象,取环坯小孔环所占 环坯体积比k's略大于环件小孔环所占环件体积比ks,即k's=Φks,其中,Φ为修正系数,一 般取为1〜1. 05 ;
[0076] 根据环坯小孔环体积,可确定环坯外径Dtl为
[0077]
Figure CN103316926BD00072
[0078] 根据环坯大孔环体积,可确定环坯大孔环内表面锥度Θ。为
Figure CN103316926BD00073
[0080] 从而可确定环还大孔环内径db(l为
[0081 ] db0=ds0+2L0+2 (B0-Bs0)tanθ〇
[0082] 根据所设计环坯体积和几何尺寸,进行棒料下料、加热,然后经镦粗、冲孔、冲连 皮,制成冷轧用环坯;
[0083] (2)孔型设计
[0084] 采用闭式孔型来限制冷轧过程环坯轴向宽展,以保证成形环件端面平整;冷轧孔 型由驱动辊和芯辊工作面型腔构成,孔型形状与环件截面形状对应;其中,驱动辊工作面为 圆柱面,芯辊工作面为由圆柱状的大、小工作面构成的阶梯形工作面(图5、6所示);驱动辊 和芯辊尺寸设计如下:
[0085] c)孔型型腔尺寸
[0086] 根据环件高度B、内台阶高度Bs和内台阶长度L,确定驱动辊型腔高度B,和芯辊型 腔高度Bp芯辊小工作面高度Bil和芯辊台阶面长度Li,
[0087] Bd=B+0 〜0· 2mm,Bi=BfO. 1 〜0· 5mm,Bil=Bs,Li=L
Figure CN103316926BD00081
[0088] 根据设备结构要求,驱动辊和芯辊闭合时的最小型腔宽度应不超过环件壁厚,可 取为
[0089]
[0090] 其中,Sd为驱动辊型腔宽度、S,为芯辊型腔上端宽度;
[0091] 为了便于冷轧成形环件脱离型腔,驱动辊和芯辊型腔上下端均设置脱模斜度,驱 动辊型腔脱模斜度ad和芯辊型腔脱模斜度α1可取值为3°〜7°;
[0092] d)驱动辊和芯辊工作面径向尺寸
[0093] 为了保证环件冷轧过程稳定,驱动辊线速度Vd通常为I. 1〜I. 6m/s;根据驱动辊 线速度Vd可确定驱动辊工作面半径Rd=500Vd/3ind,其中,nd=n/n为驱动辊转速,n为电机 转速,η为传动比,η、η由设备参数确定;
[0094] 为了使环坯在冷轧中能够咬入孔型并被塑性穿透而产生连续局部塑性变形,芯辊 最小工作面半径Ri应满足如下条件:
[0095]
Figure CN103316926BD00082
[0096] 其中,氏为芯棍最小工作面半径(即芯棍小工作面半径);β=arctanμ为摩擦角, μ为摩擦系数,通常取〇. 15〜0. 2;
[0097] 为了使芯辊能够顺利穿入环坯并保证其强度,应满足疋+4+4= +-
[0098] 为了满足轧环机设备结构要求,驱动辊和芯辊的闭合中心距应在轧环机极限闭合 中心距范围内,通常有
[0099]
Figure CN103316926BD00083
[0100] 其中,Lmax和Lmin为轧环机允许的最大和最小闭合中心距;
[0101] 根据以上条件可综合确定驱动辊工作面半径以及芯辊大、小工作面半径;
[0102] (3)冷轧成形
[0103] 按上述冷轧孔型设计加工驱动辊、芯辊,并将驱动辊、芯辊安装于冷轧环机内,将 按上述环坯设计加工的环坯放入冷轧环机内进行轧制;冷轧过程按高速轧制、中速轧制、低 速轧制三个阶段进行控制:高速轧制阶段,芯辊采用较大的进给速度,使环件能够快速锻透 而产生充分均匀变形性;中速轧制阶段,随着环件截面轮廓逐渐充型,芯辊与环件内表面完 全接触,可适当降低芯辊的进给速度,缩小环件大孔环和小孔环外径扩大速度差异,从而减 小蝶形缺陷;低速轧制阶段,当环件外径尺寸接近预定值时,控制芯辊慢速进给,消除环件 变形产生的壁厚差和椭圆度,当所测环件外径达到预定值时,停止进给,乳制过程结束;冷 轧过程各阶段进给速度与进给量控制曲线如图7所示,图中各参数可按如下确定:
[0104] 进给速度:高速乳制进给速度V1= (2. 5〜5)Vmin,中速乳制进给速度V2= (1〜2)vmin, 低速乳制进给速度V3= (0. 5〜0. 8)Vmin
[0105] 进给量:高速乳制进给量ΛIi1=O. 6Λh,中速乳制进给量Λh2=0. 3Λh,低速乳制 进给量Λh3=0. 1Λh
[0106] 其中,Vmin为使环坯产生轧制变形所需的最小进给速度,Λh为轧制总进给量,有
[0107]
Figure CN103316926BD00091
[0108] 本发明通过合理地设计冷轧环坯、孔型和规划冷轧过程,可实现L型截面汽车轮 毂轴承环件直接冷轧成形,不仅降低了切削加工材料和工时消耗,并且可获得仿形的金属 流线分布,提高了生产效率和产品质量,降低了冷轧废品率和生产成本。
[0109] 具体实例:
[0110] 以图1所示L型截面汽车轮毂轴承环件为具体实例,要求冷轧成形的环件外径D、 大孔环内径db、小孔环内径ds分别为59. 3mm、49mm和46mm,环件高度B、内台阶高度Bs分别 为17. 7_和7_,其冷轧成形方法包括以下步骤:
[0111] (1)环坯设计与加工
[0112] 根据本发明环坯尺寸设计方法,由于采用塔形锻造工艺同时加工轴承内环和外 环,选取乳制比λ为1.13,则确定环还小孔环内径ds(!为40. 8mm,取环还高度Btl为1.75mm、 环坯台阶高度Bstl为7mm、台阶长度Ltl为I. 5mm,取体积补偿系数K¥为1.00,修正系数Φ为 1.012,则可确定环还外径Dtl为55. 22mm,大孔环内表面锥度Θ^为1.7°,大孔环内径db(l为 44. 42mm〇
[0113] (2)孔型设计
[0114] 取轧制线速度%为I. 5m/s,根据本发明孔型设计方法,设计驱动辊结构如图5所 示,驱动辊型腔高度Bd、型腔宽度Sd、端面斜度ad、工作面半径Rd分别为17. 7mm、3. 1mm、 6°、210mm;设计芯辊结构如图6所示,芯辊型腔高度Bi、上型腔宽度Sp凹槽高度Bil、凹 槽长度Q、型腔端面斜度α丨、工作面最小半径1^分别为18. 05mm、l. 8mm、7mm、l· 5mm、5°、 13. 5mm〇
[0115] (3)冷轧成形
[0116] 按上述冷轧孔型设计加工驱动辊、芯辊,并将驱动辊、芯辊安装于冷轧环机内,将 按上述环坯设计加工的环坯放入冷轧环机内进行轧制。冷轧过程按高速轧制、中速轧制、 低速轧制三个阶段进行控制,各阶段进给速度与进给量按图7所示曲线进行分配:高速轧 制阶段,进给速度V1S〇. 25mm/s,进给量Λhi为0. 426mm;中速乳制阶段,进给速度V2为 0.lmm/s,进给量Λh2为0. 213mm;低速乳制阶段,进给速度V3为0. 05mm/s,进给量Λh3为 0. 071mm。当环件外径所测值达到预定值时,芯棍停止进给,冷乳过程结束。
[0117] 按上述冷轧成形方法加工L型截面汽车轮毂轴承环,产品合格率可达到99%,实现 了稳定生产。说明该方法可提高生产效率和产品质量,降低冷轧废品率和生产成本。

Claims (1)

1. 一种L型截面汽车轮毂轴承环件冷轧成形方法,其特征在于它包括如下步骤: (1) 环坯设计与加工 环坯形状设计成内表面带锥度和台阶的斜L型截面环坯,环坯尺寸按如下步骤确定: a) 计算环件各部分体积 将L型截面环件从台阶处分成台阶以上的大孔环部分和台阶以下的小孔环部分,设D、 db、4分别为环件外径、大孔环内径、小孔环内径,B、B 3分别为环件高度和台阶高度,L为台 阶长度,V、Vs分别为环件体积和小孔环体积,k 3为小孔环占整个环件的体积比,计算可得:
Figure CN103316926BC00021
b) 选择乳制比 以环件小孔环内径ds与环坯小孔环内径d s(l之比为轧制比A,g卩A =d s/ds(l,轧制比入 取值为I. 1〜2 ; c) 确定环坯尺寸 首先根据轧制可确定环坯小孔环内径ds(l=ds/入; 环坯高度Btl,取Btl=B- A B,其中,A B为环件高度尺寸下偏差绝对值; 取环坯台阶高度等于环件台阶高度,即Bstl=Bs,则环坯大孔环高度B bci=Btl-Bstl; 取环坯台阶长度等于环件的台阶长度,即Ltl=L ; 环坯体积Vtl,取Vtl=KvV,其中,K v为体积补偿系数,K ¥为1〜1. 03 ; 环坯小孔环所占环坯体积比k's,k's= it ks,其中,it为修正系数,it为1〜1. 05 ; 根据环坯小孔环体积,可确定环坯外径Dtl为
Figure CN103316926BC00022
从而可确定环坯大孔环内径dM为 db〇=ds〇+2L〇+2 (B0-Bs0) tan 0 〇 根据所设计环坯体积和几何尺寸,进行棒料下料、加热,然后经镦粗、冲孔、冲连皮,制 成冷轧用环坯; (2) 孔型设计 采用闭式孔型来限制冷轧过程环坯轴向宽展,以保证成形环件端面平整;冷轧孔型由 驱动辊和芯辊工作面型腔构成,孔型形状与环件截面形状对应;其中,驱动辊工作面为圆柱 面,芯辊工作面为由圆柱状的大、小工作面构成的阶梯形工作面;驱动辊和芯辊尺寸设计如 下: a)孔型型腔尺寸 根据环件高度B、内台阶高度Bs和内台阶长度L,确定驱动辊型腔高度B d和芯辊型腔高 度Bi、芯辊小工作面高度Bil和芯辊台阶面长度L P Bd=B+0 〜0. 2mm,Bi=BfO. 1 〜0. 5mm,Bil=Bs, Li=L 驱动辊和芯辊闭合时的最小型腔宽度应不超过环件壁厚,可取为
Figure CN103316926BC00031
其中,Sd为驱动辊型腔宽度、s 芯辊型腔上端宽度; 驱动辊和芯辊型腔上下端均设置脱模斜度,驱动辊型腔脱模斜度a d和芯辊型腔脱模 斜度a i均可取值为3°〜7° ; b)驱动辊和芯辊工作面径向尺寸 驱动辊线速度Vd通常为I. 1〜I. 6m/s ;根据驱动辊线速度V d可确定驱动辊工作面半 径Rd=500Vd/jind,其中,nd=n/q为驱动辊转速,n为电机转速,n为传动比,n、n由设备参 数确定; 芯辊最小工作面半径氏应满足如下条件:
Figure CN103316926BC00032
其中,Ri为芯辊最小工作面半径;e=arctany为摩擦角,y为摩擦系数,y通常取 0• 15 〜0• 2 ;
Figure CN103316926BC00033
其中,^_和Lmin为乳环机允许的最大和最小闭合中心距; 根据以上条件可综合确定驱动辊工作面半径以及芯辊大、小工作面半径; (3)冷轧成形 按上述冷轧孔型设计加工驱动辊、芯辊,并将驱动辊、芯辊安装于冷轧环机内,将按上 述环坯设计加工的环坯放入冷轧环机内进行轧制;冷轧过程按高速轧制、中速轧制、低速轧 制三个阶段进行控制;冷轧过程各阶段进给速度与进给量控制按如下确定: 进给速度:高速乳制进给速度V1=Q. 5〜5) Vmin,中速乳制进给速度V2= (1〜2) Vmin,低 速乳制进给速度V3= (0. 5〜0. 8) Vmin 进给量:高速乳制进给量AIi1=O.6 A h,中速乳制进给量A h2=0. 3 A h,低速乳制进给 量A h3=0. I A h 其中,Vmin为使环坯产生轧制变形所需的最小进给速度,A h为轧制总进给量,有
Figure CN103316926BC00034
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