CN104707924A - 航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于航空主轴短圆柱滚子的轴承外圈的成形方法。一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，其特征在于它包括如下步骤：1)下料：将棒材锯切成料段；2)制坯：将料段从室温均匀加热到热变形温度，然后将热态的料段镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用的环形毛坯；3)轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形：将环形毛坯放入加热炉中加热，当温度达到热变形温度时取出，放入轧环机孔型内，同时驱动主辊和芯辊搓轧成形，轧制过程中环形毛坯与轧辊间保持良好的润滑，环形毛坯经过多转轧制成近矩形截面的环形锻件；4)锻件机械切削加工，得到用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈。本发明具有塑性变形质量高、成本低、生产效率高的特点。

Description

航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法

技术领域

本发明涉及一种用于航空主轴短圆柱滚子的轴承外圈的成形方法，具体涉及一种利用主辊芯辊双主动搓轧成形用于航空主轴短圆柱滚子的轴承外圈的方法。

背景技术

我国航空和高端装备制造业过去几十年发展，通过真空感应熔炼和真空电弧重熔基本解决了原材料制备问题，通过高精度数控加工和热处理装备能够保证轴承表面高精度加工和强化要求，但是，由初生碳化物构成的晶粒流线出现分断从而导致疲劳损伤、接触表面以下出现严重的塑形流动并伴有破裂的碳化物，以及晶界和硬质相被高温及流体腐蚀出现材料物质流失等等观测到的现象，仍然直接或间接造成航空主轴承在服役过程出现表面剥落、划伤和尺寸不稳定等严重后果，严重影响其使用寿命。只有采用塑性变形的方法，使材料基体原生晶粒更加细小致密、次生硬质相更加均匀弥散、晶界与晶粒成分更加均匀一致，才是得到轴承圈合理晶粒流线，达到基体综合强韧性要求，从而填补从高纯度材料制备到高精度机械加工之间缺失的重要工艺环节的唯一途径。

但是目前，航空主轴短圆柱滚子轴承外圈通常采用锻造制坯、环件轧制和机械切削加工联合完成，即先通过将AISI-M50NiL铸坯经过反复镦粗拔长后，制成饼状坯料，再经冲孔得到环形坯料，再通过机械切削加工成航空主轴短圆柱滚子轴承外圈。这种工艺生产航空主轴短圆柱滚子轴承外圈的主要问题是：1)镦粗拔长的塑性变形不均匀充分，造成晶粒粗大、硬质相分布不均匀；2)加工余量大、材料利用率低；3)材料热流动应力大；4)加工时间长，生产成本高。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，该方法成本低、生产效率高。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，其特征在于它同时采用主动驱动的主辊和主动驱动的芯辊，对环形坯料形成变形区可控的搓轧成形制造，具体包括如下步骤：

1)下料：将棒材锯切成料段；

2)制坯：将料段从室温均匀加热到热变形温度(高塑性、低抗力的热变形温度)，然后将热态的料段镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用的环形毛坯；

3)轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形：将环形毛坯放入加热炉中加热，当温度达到热变形温度时取出(AISI-M50NiL特种钢环形毛坯热变形温度为950℃～1200℃)，放入轧环机孔型内，同时驱动主辊和芯辊搓轧成形，轧制过程中环形毛坯与轧辊间保持良好的润滑，环形毛坯经过多转轧制成近矩形截面的环形锻件；

4)锻件机械切削加工成产品(即用于航空主轴短圆柱滚子的轴承外圈)。

所述的环形毛坯的底部孔径为轧制比为λ＝2～8，环形毛坯的外径D根据环形锻件体积与环形毛坯体积相等条件确定；环形锻件(轴承外圈)的孔径为d_f，环形锻件外径为D_f。

所述的将料段从室温均匀加热到热变形温度(高塑性、低抗力的热变形温度)，AISI-M50NiL特种钢环形毛坯热变形温度为950℃～1200℃。

所述的轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形，主辊以恒定转速主动旋转，并向着芯辊方向进给，同时给芯辊施加一个主动反向力矩；

环件轧制中芯辊进给速度按下式计算

$\mathrm{\υ}=\frac{f^2{n}_1{R}_1^2}{R{(1+\frac{R_1}{R_2})}^2}(1+\frac{R_1}{R_2}+\frac{R_1}{R}-\frac{R_1}{r})$

其中，v为轧制进给速度，n₁为主辊转速，R₁，R₂分别为主辊和芯辊半径，R，r分别为环形锻件外半径和内半径，f为轧制中的环形毛坯与轧制孔型之间的摩擦系数，f为0.05～0.4。

本发明的有益效果是：采用环件搓轧工艺，环形毛坯经过多转连续轧制变形达到预定尺寸的环形锻件，改善工件的金属组织和性能，缩短了生产时间，减少了锻件加热次数，节约了原材料，提高了生产效率；通过合理设计环形毛坯尺寸，节约了原材料，降低成本；减小了端面鱼尾变形和翘曲变形，保证了航空主轴短圆柱滚子轴承外圈环件的质量。

附图说明

图1是本发明的环形锻件(轴承外圈)的结构示意图。

图2是本发明的环形毛坯的结构示意图。

图3是本发明的环件主辊和芯辊双驱动径向搓轧原理图。

图4是图3的左视图。

图中1-主辊，2-环形毛坯，3-导向棍，4-芯辊，5-信号辊。

具体实施方式

如图1-4所示，一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，它包括如下步骤：

1)下料：将棒材锯切成料段，料段长度为L＝(1～3)b，b为环形锻件(轴承外圈)轴向高度(也是环形毛坯的轴向尺寸)。

2)制坯：将料段从室温均匀加热到高塑性、低抗力的热变形温度，然后将热态的料段镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用的环形毛坯。

所述的将料段从室温均匀加热到高塑性、低抗力的热变形温度，AISI-M50NiL特种钢环形毛坯热变形温度为950℃～1200℃(即环形毛坯的材料为AISI-M50NiL特种钢)。

所述的环形毛坯(如图2所示)的底部孔径为轧制比为λ＝2～8，环形毛坯的外径D根据环形锻件体积与环形毛坯体积相等条件确定；环形锻件(轴承外圈)的孔径为d_f，环形锻件的外径为D_f。

如图1、图2所示，要求轧制成形的AISI-M50NiL特种钢航空主轴短圆柱滚子轴承外圈环件(即环形锻件)尺寸为：外径D_f为Φ340mm，内孔直径d_f为Φ300mm，环形锻件(轴承外圈)轴向尺寸b＝25mm。设计环形毛坯的内孔直径d为Φ100mm，环形毛坯轴向尺寸b为25mm(与环形锻件轴向尺寸相同)，根据环形锻件体积与环形毛坯体积相等条件确定毛坯尺寸，设计环形毛坯的外径D为Φ189mm(如图2所示)。

为了便于轧制成形，锻造制坯时要严格保证轧制用毛坯几何精度，消除毛坯内孔偏心、表面锤头印、冲孔毛刺等缺陷。

3)轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形：将设计好的环形毛坯放入加热炉中加热，当温度达到AISI-M50NiL特种钢材料环形毛坯热变形温度为1200℃～950℃)时取出，放入轧环机孔型内，同时驱动主辊和芯辊搓轧成形，轧制过程中环形毛坯与轧辊间保持良好的润滑，通过搓轧增大环形毛坯截面上的剪切变形量细化晶粒，通过径向轧制，使环形毛坯壁厚减小、内外直径扩大、截面轮廓成形，当环形毛坯经过多转轧制变形且直径扩大到预定尺寸时，最终成为规定形状尺寸的航空主轴短圆柱滚子轴承外圈锻件(即环形锻件)。

所述的轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形，主辊以恒定转速主动旋转，并向着芯辊方向进给，同时给芯辊施加一个主动反向力矩；

航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形如图3、图4所示，在主辊1的旋转轧制运动和直线进给运动，以及芯辊4的反向主动力矩作用下，环形毛坯2连续地咬入主辊1和芯辊4构成的轧制孔型，产生壁厚减小、内外直径扩大、截面轮廓成形的连续局部塑性变形。通过多转反复轧制变形，使环形毛坯直径扩大到与信号辊5接触时，则达到了规定形状尺寸的环形锻件，这时环件轧制过程结束。图4中导向辊3的作用是保证轧制过程平稳。

对于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形，设计如图4所示的半封闭孔型，该孔型的主辊直径较闭式孔型的小，也不要求轧环机主辊与芯辊有很大的中心距，且改善了芯辊的强度和刚度。随着轧制的进行，环形毛坯截面逐渐进入孔型，并在轧制结束时，环形毛坯截面完全进入孔型，有利于环件端面质量。轧制开始前，要保证环形毛坯在孔型中的准确定位。要保证良好的润滑和冷却，以防止芯辊回火软化。

工艺参数：

航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形工艺参数主要包括轧制温度、轧制进给速度、芯辊反向力矩和轧制比。通过研究和试验，AISI-M50NiL特种钢材料环形毛坯轧制温度为1200℃～950℃。实际轧制操作中，应严格控制始锻和终锻温度，防止低于终锻温度的轧制变形，以保证环件内部组织质量。毛坯轧制前加热应严格控制加热温度、保温时间，保温时间根据环形毛坯壁厚按(1～2)分钟/毫米计算确定，以保证毛坯整体均匀热透，并防止过热和过烧。

为了保证锻透并减小端面鱼尾变形，环件轧制中采用较大进给速度亦即快速进给轧制，轧制进给速度数值按下式计算

$\mathrm{\υ}=\frac{f^2{n}_1{R}_1^2}{R{(1+\frac{R_1}{R_2})}^2}(1+\frac{R_1}{R_2}+\frac{R_1}{R}-\frac{R_1}{r})$

其中，v为轧制进给速度，n₁为主辊转速，R₁，R₂分别为主辊和芯辊半径，R，r分别为环形锻件外半径和内半径，f为轧制中的环形毛坯与轧制孔型之间的摩擦系数，f为0.05～0.4。

通过计算确定轧制速度为5mm/s。轧制比取为4，芯辊反向主动力矩为67牛*米。

4)锻件机械切削加工成产品。

Claims (4)

1.一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，其特征在于它同时采用主动驱动的主辊和主动驱动的芯辊，对环形坯料形成变形区可控的搓轧成形制造；具体包括如下步骤：

1)下料：将棒材锯切成料段；

2)制坯：将料段从室温均匀加热到热变形温度，然后将热态的料段镦粗、冲孔、冲连皮，制成轧制用的环形毛坯；

3)轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形：将环形毛坯放入加热炉中加热，当温度达到热变形温度时取出，放入轧环机孔型内，同时驱动主辊和芯辊搓轧成形，轧制过程中环形毛坯与轧辊间保持良好的润滑，环形毛坯经过多转轧制成环形锻件；

4)锻件机械切削加工，得到用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈。

2.根据权利要求1所述的一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，其特征是：所述的环形毛坯的底部孔径为轧制比为λ＝2～8，环形毛坯的外径D根据环形锻件体积与环形毛坯体积相等条件确定；环形锻件的孔径为d_f，环形锻件外径为D_f。

3.根据权利要求1所述的一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，其特征是：所述的将料段从室温均匀加热到热变形温度，AISI-M50NiL特种钢环形毛坯热变形温度为950℃～1200℃。

4.根据权利要求1所述的一种用于航空主轴短圆柱滚子轴承外圈主辊芯辊双主动搓轧成形的方法，其特征是：所述的轧环机主辊芯辊双主动搓轧成形，主辊以恒定转速主动旋转，并向着芯辊方向进给，同时给芯辊施加一个主动反向力矩；

环件轧制中芯辊进给速度按下式计算

$\mathrm{\υ}=\frac{f^2{n}_1{R}_1^2}{R{(1+\frac{R_1}{R_2})}^2}(1+\frac{R_1}{R_2}+\frac{R_1}{R}-\frac{R_1}{r})$

其中，v为轧制进给速度，n₁为主辊转速，R₁，R₂分别为主辊和芯辊半径，R，r分别为环形锻件外半径和内半径，f为环形毛坯与轧制孔型之间的摩擦系数，f为0.05～0.4。