CN111230409A - 一种轴承滚道流线控制近净成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴承滚道流线控制近净成形工艺，包括以下步骤：S1、下料，得到料段；S2、对料段进行镦粗，再进行预挤压，得到纵截面为工字形的坯料，然后采用正冲头和反冲头对坯料进行对称冲孔，将冲孔芯料留于坯料沿高度方向的中心位置，再冲连皮去芯料，得到流线沿轴向对称分布的冲孔环坯，然后进行表面粗车；S3、利用轧制孔型对粗车后的冲孔环坯进行轧制，实现滚道近净成形。本发明通过下料‑制坯‑成形工艺协同匹配，可以控制滚道金属流线随形连续分布，提高滚道疲劳性能和轴承寿命。

Description

一种轴承滚道流线控制近净成形工艺

技术领域

本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种轴承滚道流线控制近净成形工艺。

背景技术

轴承滚道的金属流线分布对轴承质量性能有着重要影响，金属流线沿轴承滚道轮廓随形连续分布，能够明显改善滚道的滚动接触疲劳性能，从而提高轴承服役寿命。轴承滚道金属流线主要通过轴承套圈锻造成形获得，然而现有的套圈锻造工艺对金属流线质量控制还存在明显问题：(1)料锻镦粗-冲孔制坯过程金属流动不对称，导致套圈毛坯初始流线分布不对称；(2)套圈锻件滚道通常简化成形再车削加工，导致成形滚道流线形状与实际滚道轮廓不贴合，并且车削加工量大，会破坏表面流线。上述成形问题造成轴承滚道流线分布杂乱缺失，削弱滚道疲劳性能，影响轴承服役寿命。因此，需要提出一种有效的成形工艺来改善轴承滚道流线分布，这对于高性能轴承制造具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴承滚道流线控制近净成形工艺，它通过下料-制坯-成形工艺协同匹配，控制滚道金属流线随形连续分布，进而提高滚道疲劳性能和轴承寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轴承滚道流线控制近净成形工艺，包括以下步骤：

S1、下料，得到料段；

S2、对料段进行镦粗，再进行预挤压，得到纵截面为工字形的坯料，然后采用正冲头和反冲头对坯料进行对称冲孔，将冲孔芯料留于坯料沿高度方向的中心位置，再冲连皮去芯料，得到流线沿轴向对称分布的冲孔环坯，然后进行表面粗车；

S3、利用轧制孔型对粗车后的冲孔环坯进行轧制，实现滚道近净成形。

按上述技术方案，步骤S1中，棒料采用冷剪切精密下料，合理控制剪切速度和剪切料段圆度、锥度和平面度误差，剪切速度通v_c＝(1+0.05D_b)m/s，剪切料段圆度、锥度和平面度误差均按公式α＝(5+0.4D_b)/D_b％控制，其中，D_b为料段直径，单位为mm，m/s为速度单位米/秒。

按上述技术方案，步骤S2中，采用预挤压模具对料段进行预挤压，对于对称截面滚道，预挤压模具的型腔的几何形状为矩形，通过预挤压获得矩形截面坯料；对于非对称滚道，预挤压模具的型腔的几何形状与滚道几何形状近似，通过预挤压获得近形截面坯料。

按上述技术方案，步骤S2中，表面粗车具体为：将锻造后的环坯冷却至室温后，在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺。

按上述技术方案，步骤S2中，成型圆锥滚子轴承外圈时，表面粗车具体为：当锻造后的环坯冷却至室温后，将冲孔环坯沿高度方向的中间位置切为两个相同的梯形截面环坯，再在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺。

按上述技术方案，步骤S3中，为获得近净形滚道，轧辊孔型采用端面封闭式结构，其几何形状与滚道截面形状一致，轧制变形量λ＝v·δ·(D-d)，根据变形量范围，确定环坯的最小内径

环坯的高度B₀＝B-(0.1～2)mm，其中，v为壁厚变化特征参数，v＝0.35～1.55，δ为材料室温条件下单向拉伸时的延伸率，D、d、B为最终冷轧锻件的外径、滚道内径、高度。

本发明产生的有益效果是：本发明采用锻车复合精密制坯，通过挤压预成型、对称冲孔和表面粗车，获得截面近形、流线沿轴向对称的高精度环坯；再结合近净轧制成形，通过轧制孔型结构和轧制变形量合理设计，获得近净成形滚道。本发明针对影响滚道流线分布的关键因素，通过对滚道主要成形工序进行工艺协同实现近净成形，获得沿滚道轮廓随形连续分布的高质量金属流线，提高滚道机械性能和轴承疲劳寿命。

本发明中制坯工艺采用锻车复合精密制坯工艺，主要包含预挤压、对称冲孔和表面粗车。预挤压为在压力机上利用冲头和挤压模具对料段进行挤压，以获得与滚道几何特征相近的坯料截面形状，便于滚道近净成形。对称冲孔为在压力机上利用冲头对挤压预成型坯料进行冲孔，采用正、反对冲工艺，将冲孔芯料留于坯料高度中心位置，然后冲连皮去芯料，通过对称冲孔使金属流动变形对称，从而获得流线沿轴向对称分布的冲孔环坯。表面粗车为将锻造后的环坯冷却至室温后，再在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺等缺陷，提高环坯尺寸精度及一致性，保障滚道成形精度。因此，本发明采用合理的制坯工艺，控制环坯锻制过程材料流动变形，获得截面形状与流线合理的高精度环坯，因环坯流线分布和几何精度直接影响锻件成形流线演化分布和几何精度，因此本发明可以保障锻件成形流线和精度控制的重要保障。

另外，本发明采用近净轧制成形，其在轧环机上利用轧制孔型对粗车后的环坯进行轧制，通过轧制孔型几何设计和轧制变形量控制，实现滚道近净成形，获得沿滚道轮廓随形连续分布的高质量金属流线。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例1中球轴承外圈滚道的结构示意图；

图2为本发明实施例1中球轴承外圈滚道流线控制近净成形过程挤压预成型示意图；

图3为本发明实施例1中球轴承外圈滚道流线控制近净成形过程对称冲孔示意图，

图4为本发明实施例1中球轴承外圈滚道流线控制近净成形轧制毛坯示意图；

图5为本发明实施例1中球轴承外圈滚道流线控制近净成形过程轧制示意图；

图6为本发明实施例2中圆锥滚子轴承外圈滚道的结构示意图；

图7为本发明实施例2中圆锥滚子轴承外圈流线控制近净成形过程挤压预成型示意图；

图8为本发明实施例2中圆锥滚子轴承外圈流线控制近净成形过程对称冲孔示意图；

图9为本发明实施例2中圆锥滚子轴承外圈流线控制近净成形轧制毛坯示意图；

图10为本发明实施例2中圆锥滚子轴承外圈流线控制近净成形过程轧制示意图。

图中：1-挤压预成型上模，2-挤压预成型下模，3-冲头，4-冲孔后球轴承外圈轧制毛坯，4′-冲孔后未分离圆锥滚子轴承外圈轧制毛坯，5-冲孔料芯，6-冲孔后球轴承外圈轧制毛坯，6′-分离后圆锥滚子轴承外圈轧制毛坯，11-驱动辊，12-芯辊，13-球轴承外圈冷轧锻件，13′-圆锥滚子轴承外圈冷轧锻件。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种轴承滚道流线控制近净成形工艺，包括以下步骤：

S1、下料，得到料段；

S2、对料段进行镦粗，再进行预挤压，得到纵截面为工字形的坯料，然后采用正冲头和反冲头对坯料进行对称冲孔，将冲孔芯料留于坯料沿高度方向的中心位置，再冲连皮去芯料，得到流线沿轴向对称分布的冲孔环坯，然后进行表面粗车；

S3、利用轧制孔型对粗车后的冲孔环坯进行轧制，实现滚道近净成形。

在本发明的优选实施例中，步骤S1中，棒料采用冷剪切精密下料，合理控制剪切速度和剪切料段圆度、锥度和平面度误差，剪切速度通v_c＝(1+0.05D_b)m/s，剪切料段圆度、锥度和平面度误差均按公式α＝(5+0.4D_b)/D_b％控制，其中，D_b为料段直径，单位为mm，m/s为速度单位米/秒。棒料精密剪切下料，通过合理控制下料速度和下料精度，获得高质量料段

对于以棒料为原材料的轴承锻件锻制过程，料锻的几何精度会直接影响后续材料制坯过程变形分布，进而影响流线分布。采用合理的下料工艺控制料段形位公差是流线控制成形的首要步骤。因此，本发明采用冷剪切精密下料，将棒料进行径向定位和模具夹紧，并合理剪切速度进行剪切下料，控制剪切料段圆度、锥度和平面度。

在本发明的优选实施例中，步骤S2中，采用预挤压模具对料段进行预挤压，对于对称截面滚道，预挤压模具的型腔的几何形状为矩形，通过预挤压获得矩形截面坯料；对于非对称滚道，预挤压模具的型腔的几何形状与滚道几何形状近似，通过预挤压获得近形截面坯料。

在本发明的优选实施例中，步骤S2中，表面粗车具体为：将锻造后的环坯冷却至室温后，在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺。

在本发明的优选实施例中，步骤S2中，成型圆锥滚子轴承外圈时，表面粗车具体为：当锻造后的环坯冷却至室温后，将冲孔环坯沿高度方向的中间位置切为两个相同的梯形截面环坯，再在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺。

本发明实施例中，步骤S2采用锻车复合精密制坯，主要包含挤压预成型、对称冲孔和表面粗车三个步骤，具体如下：

1)挤压预成型：在压力机上利用冲头和挤压模具对料段进行挤压，获得与滚道几何特征相近的坯料截面形状，便于滚道近净成形，模具型腔几何形状根据轴承滚道几何特征进行设计，对于对称截面滚道，模具型腔几何形状为矩形，通过挤压获得矩形截面坯料；对于非对称滚道，模具型腔几何形状与滚道几何形状相似，通过获得近形截面坯料；

2)对称冲孔：在压力机上利用冲头对挤压预成型坯料进行冲孔，采用正、反对冲工艺，将冲孔芯料留于坯料高度中心位置，然后冲连皮去芯料，通过对称冲孔使金属流动变形对称，从而获得流线沿轴向对称分布的冲孔环坯；

3)表面粗车：将锻造后的环坯冷却至室温后，在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺等缺陷，提高环坯尺寸精度及一致性，保障滚道成形精度。

在本发明的优选实施例中，步骤S3中，为获得近净形滚道，轧辊孔型采用端面封闭式结构，其几何形状与滚道截面形状一致，轧制变形量λ＝v·δ·(D-d)，根据变形量范围，确定环坯的最小内径

环坯的高度B₀＝B-(0.1～2)mm，其中，v为壁厚变化特征参数，v＝0.35～1.55，δ为材料室温条件下单向拉伸时的延伸率，D、d、B为最终冷轧锻件的外径、滚道内径、高度。

本发明实施例中，步骤S3采用近净轧制成形，具体为在轧环机上利用轧制孔型对粗车后的环坯进行轧制，通过轧制孔型几何设计和轧制变形量控制，实现滚道近净成形。最终冷轧锻件外径、滚道内径、高度依次为D、d、B。为获得近净形滚道，轧辊孔型采用端面封闭式结构、几何形状与滚道截面形状一致，轧制变形量λ根据λ＝v·δ·(D-d)设计，以合理调控轧制过程金属流动，促使滚道截面充型和近净成形。根据变形量范围，以及内径和高度的公式，可以确定轧制毛坯最小内径、高度。

以下列举两个具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，采用材料为GCr15，轴承套圈为某型号球轴承外圈。车削尺寸：外径、滚道内径、高度分别为68mm、61mm、15mm。根据直径与高度余量，最终冷轧锻件尺寸：外径、滚道内径、高度分别为68.4mm、60.65mm、16.3mm。

采用本发明成型该型号球轴承外圈，如图2-图5所示，包括以下步骤。

(1)棒料精密冷剪切下料

采用冷剪切下料，在室温下，将50mm直径棒料进行径向定位，随后用模具夹紧棒料后，以3.5m/s速度，快速剪切。下料后圆度、锥度以及平面度误差均小于α＝(5+0.4D_b)/D_b％＝(5+0.4×50)/50％＝0.5％，端面质量良好，无较大椭圆度，保证后续锻造过程中流线的对称分布。

(2)锻车复合精密制坯

1)挤压预成型：如图2所示，在压力机上利用冲头和挤压模具对料段进行挤压，获得与滚道几何特征相近的坯料截面形状，便于滚道近净成形。模具型腔几何形状根据滚动轴承外圈滚道几何特征进行设计，由于球轴承外圈截面对称，所以将模具型腔几何形状设为工字形，通过挤压获得工字形截面坯料。

2)对称冲孔：如图3所示，压力机包括挤压预成型上模1、挤压预成型下模2、冲头3，在压力机上利用冲头对挤压预成型坯料进行冲孔，采用正、反对冲工艺，将冲孔芯料5留于坯料高度中心位置，然后冲连皮去芯料，通过对称冲孔使金属流动变形对称，从而获得流线沿轴向对称分布的具有矩形截面的冲孔环坯，即冲孔后球轴承外圈轧制毛坯6。

3)表面粗车：如图4所示，将锻造后的环坯冷却至室温后，在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺等缺陷，提高环坯尺寸精度及一致性，保障滚道成形精度。

(3)近净轧制成形

1)组织均匀球化处理：在保护气氛条件下，将锻件3小时升温至790℃后保温3小时。随后冷却至720℃，耗时2小时。最后从720℃冷却至680℃，耗时3小时。最后炉冷至350℃出炉。

2)轧制成型：如图5所示，轧制装置包括驱动辊11和芯辊12，在轧环机上利用轧制孔型对粗车后的环坯进行轧制，通过轧制孔型几何设计和轧制变形量控制，实现滚道近净成形，获取球轴承外圈冷轧锻件13。为获得近净形滚道，轧辊孔型采用端面封闭式结构、几何形状与冷轧锻件滚道截面形状一致。室温下延伸率δ＝15％，壁厚变化特征参数v＝1.21，则轧制变形量λ＝v·δ·(D-d)＝1.21×0.15×(68.4-60.65)＝1.41，以合理调控轧制过程金属流动，促使滚道截面充型和近净成形。然后根据最小内径和高度的计算公式得到

B₀＝B-0.2＝16.3-0.2＝16.1mm。与最终精车尺寸相比，冷轧锻件到最终精车件的加工余量为外径0.4mm，内径0.35mm，高度余量为1.3mm。

实施例2

如图6所示，采用材料为GCr15，轴承套圈为某型号圆锥滚子轴承外圈。车削尺寸：外径、最小内径、高度分别为90.5mm、75mm、19mm。根据直径与高度余量，最终冷轧锻件尺寸：外径、最小内径、高度分别为91mm、74.64mm、20.4mm。

采用本发明成型该型号圆锥滚子轴承外圈，如图7-图10所示，包括以下步骤。

(1)棒料精密冷剪切下料

采用冷剪切下料，在室温下，将50mm直径棒料进行径向定位，随后用模具夹紧棒料后，以3.5m/s速度，快速剪切。下料后圆度、锥度以及平面度均小于α＝(5+0.4D_b)/D_b％＝(5+0.4×50)/50％＝0.5％，端面质量良好，无较大椭圆度，保证后续锻造过程中流线的对称分布。

(2)锻车复合精密制坯

1)挤压预成型：如图7所示，在压力机上利用冲头和挤压模具对料段进行挤压，获得与滚道几何特征相近的坯料截面形状，便于滚道近净成形。模具型腔几何形状根据滚动轴承外圈滚道几何特征进行设计，对于圆锥滚子轴承外圈截面形状，采用毛坯双锻成形的方法，模具型腔几何形状为内锥工字形，通过挤压获得两个未分离的圆锥滚子轴承外圈的锻件截面坯料。

2)对称冲孔：如图8、图9所示，压力机包括挤压预成型上模1、挤压预成型下模2、冲头3，在压力机上利用冲头对挤压预成型坯料进行冲孔，采用正、反对冲工艺，将冲孔芯料留于坯料高度中心位置，然后冲连皮去芯料，通过对称冲孔使金属流动变形对称，从而获得流线沿轴向对称分布的冲孔环坯。

3)表面粗车：将锻造后的环坯冷却至室温后，将冲孔环坯沿中间位置切为两个相同的梯形截面环坯，即分离后圆锥滚子轴承外圈轧制毛坯6′，在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺等缺陷，提高环坯尺寸精度及一致性，保障滚道成形精度。

(3)近净轧制成形

1)组织均匀球化处理：在保护气氛条件下，将锻件3小时升温至790℃后保温3小时。随后冷却至720℃，耗时2小时。最后从720℃冷却至680℃，耗时3小时。最后炉冷至350℃出炉。

2)轧制成型：如图10所示，轧制装置包括驱动辊11和芯辊12，在轧环机上利用轧制孔型对粗车后的环坯进行轧制，通过轧制孔型几何设计和轧制变形量控制，实现滚道近净成形，获取圆锥滚子轴承外圈冷轧锻件13′。为获得近净形滚道，轧辊孔型采用端面封闭式结构、几何形状与滚道截面形状一致。室温下延伸率δ＝15％，壁厚变化特征参数v＝0.524，则轧制变形λ＝v·δ·(D-d)＝0.524×0.15×(91-74.64)＝1.287，以合理调控轧制过程金属流动，促使滚道截面充型和近净成形。然后根据最小内径和高度的计算公式得到

B₀＝B-1.4＝20.4-1.4＝19mm。与最终精车尺寸相比，冷轧锻件到最终精车件的加工余量为外径0.5mm，内径0.36mm，高度余量为1.4mm。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种轴承滚道流线控制近净成形工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、下料，得到料段；

S2、对料段进行镦粗，再进行预挤压，得到纵截面为工字形的坯料，然后采用正冲头和反冲头对坯料进行对称冲孔，将冲孔芯料留于坯料沿高度方向的中心位置，再冲连皮去芯料，得到流线沿轴向对称分布的冲孔环坯，然后进行表面粗车；

S3、利用轧制孔型对粗车后的冲孔环坯进行轧制，实现滚道近净成形。

2.根据权利要求1所述的轴承滚道流线控制近净成形工艺，其特征在于，步骤S1中，棒料采用冷剪切精密下料，合理控制剪切速度和剪切料段圆度、锥度和平面度误差，剪切速度通v_c＝(1+0.05D_b)m/s，剪切料段圆度、锥度和平面度误差均按公式α＝(5+0.4D_b)/D_b％控制，其中，D_b为料段直径，单位为mm，m/s为速度单位米/秒。

3.根据权利要求1所述的轴承滚道流线控制近净成形工艺，其特征在于，步骤S2中，采用预挤压模具对料段进行预挤压，对于对称截面滚道，预挤压模具的型腔的几何形状为矩形，通过预挤压获得矩形截面坯料；对于非对称滚道，预挤压模具的型腔的几何形状与滚道几何形状近似，通过预挤压获得近形截面坯料。

4.根据权利要求1所述的轴承滚道流线控制近净成形工艺，其特征在于，步骤S2中，表面粗车具体为：将锻造后的环坯冷却至室温后，在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺。

5.根据权利要求1所述的轴承滚道流线控制近净成形工艺，其特征在于，步骤S2中，成型圆锥滚子轴承外圈时，表面粗车具体为：当锻造后的环坯冷却至室温后，将冲孔环坯沿高度方向的中间位置切为两个相同的梯形截面环坯，再在车床上粗车内外表面和上下端面，清除锻造过程中产生的凹陷、毛刺。

6.根据权利要求1所述的轴承滚道流线控制近净成形工艺，其特征在于，步骤S3中，为获得近净形滚道，轧辊孔型采用端面封闭式结构，其几何形状与滚道截面形状一致，轧制变形量λ＝v·δ·(D-d)，根据变形量范围，确定环坯的最小内径

环坯的高度B₀＝B-(0.1～2)mm，其中，v为壁厚变化特征参数，v＝0.35～1.55，δ为材料室温条件下单向拉伸时的延伸率，D、d、B为最终冷轧锻件的外径、滚道内径、高度。

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