CN111318630A - 一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，S1.环坯设计‑根据形状相似原则和稳定接触关系设计环坯形状，根据体积不变原则和轴向体积分配特点设计环坯尺寸；S2.轧辊设计‑由驱动辊、芯辊和副轧辊构成轧制孔型，根据锻件和环坯尺寸，确定驱动辊、芯辊、副轧辊工作面形状尺寸，通过主轧辊和副轧辊外凸缘限制环件轴向窜动；S3.轧制成形‑通过三辊横轧、环件扩孔、三辊横轧三阶段成形方式复合，调控各阶段进给速度，实现环件直径扩大和截面轮廓成形。本发明有效提高材料利用率、生产效率、延长使用寿命。

Description

一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法

技术领域

本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法。

背景技术

圆锥滚子轴承是由滚动体、套圈、保持架组成，在拉、压、剪切应力及摩擦力等复杂交变负荷下工作，主要失效形式为疲劳损坏、磨损失效以及腐蚀等。作为可承受径、轴向联合载荷的一类滚动轴承，在航空航天、汽车、矿山机械、机械制造加工等领域尤其是高速重载设备中的关键位置一直具有广泛应用。套圈是轴承的关键核心零部件，套圈最终的服役性能，决定了轴承的服役性能。圆锥滚子轴承内圈由于其性能要求极高，需要通过塑性加工提升服役性能，但是其几何形状比较特殊，内圈几何特征为上下表面带有台阶，中间为非对称斜槽，是否能够精密成形该类环件是塑性加工的关键。

目前圆锥滚子轴承内圈成形十分困难：若采用传统锻造成形方法，需要简化斜槽形状成形，再切削加工出完整斜槽轮廓，不仅能耗高、材料利用率低(不到50％)、生产效率低(切削量大时长)，而且晶粒粗大、流线不完整；若采用先进的轧环成形方法，虽然技术经济效果有所该善，但是普通轧环过程金属周向与径向流动差异很大，因而直径扩大与轮廓成形不同步，环件直径尺寸达到时斜槽仍未充分成型，因此亟待开发一种新工艺。

由上可知，无论是传统锻造还是先进的普通轧环成形方法，都无法实现圆锥滚子轴承内圈环件近净成形。

发明内容

本发明的目的是提供一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，通过合理设计轧制环坯和孔型、工艺参数和控制轧制过程，实现圆锥滚子轴承内圈环件近净成形，有效提高材料利用率、生产效率、延长使用寿命。

本发明所采用的技术方案是：

一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，包括步骤：

S1.环坯设计；

S1.1根据形状相似原则和稳定接触关系设计环坯形状：内圈环件为非对称斜槽和上下两个不对称台阶，且设有环件圆柱形内孔，考虑到轧制过程的稳定性，根据形状相似原则，设计环坯的外轮廓为锥角与环件相等的圆台面和带有下台阶的圆柱面，内轮廓与环件内轮廓都是直壁，环坯和模具装配时为线接触以保证轧制过程的稳定性、防止轴向窜动；

S1.2根据体积不变原则和轴向体积分配特点设计环坯尺寸：

环坯内圆柱面半径

其中K为轧制比，K取值1.20～3，r为环件内圆柱面半径；

取环坯总高度B₀＝B，环坯大端外圆柱面高度B₂₀＝B₂，环坯圆台面锥角θ₀＝θ；其中，B为环件总高度，B₂为环件大端台阶高度，θ为环件中间外锥面锥角；

为保证凹槽处台阶充型完整，需要保证环坯轴向体积分配接近锻件，以环件上台阶与凹槽相交面分界面，将环件沿轴向分为上下两部分；分界面以上为小圆柱面，分界面以下为圆台面和大圆柱面，环坯与锻件取同一处分界面，其分界面以上为小圆台面，分界面以下为大圆台面和圆柱面；环坯以分界面为界沿轴向上下体积与锻件对应部分相等确定环坯小端圆台面小端外半径R₁₀，再由环坯与锻件体积相等确定环坯大端圆柱面外半径R₂₀；

环件小端圆柱体积

其中R₁为环件小端台阶外半径，B₁为环件小端台阶高度；

环坯分界面以上小圆台体体

其中B₁₀为环坯小端外圆柱面高度；

由在分界面以上环坯与环件体积相等，即V₁₀＝V₁，求出环坯小端圆台面小端外半径R₁₀；

圆台与下台阶相交处圆台外半径R′₁₀：R′₁₀＝R₁₀+(B-B₂)tanθ₀；

环件体积V：

其中H₁为环件小端台阶凹槽深，H₂为环件大端台阶凹槽深，R₂为环件大端台阶外半径：R₂＝(R₁-H₁+H₂)+(B-B₁-B₂)tanθ；

环坯体积V₀：

考虑到环坯加热氧化烧损，即V₀＝(1+ω)V，由此确定环坯大端圆柱面外半径R₂₀，其中ω为烧损系数，ω取值5‰。

在上述步骤S1中，环坯由下料后的棒料加热、墩粗、挤压、冲孔获得，棒料材料为Gcr15。

S2轧辊设计：由驱动辊、芯辊和副轧辊构成轧制孔型，根据锻件和环坯尺寸，确定驱动辊、芯辊、副轧辊工作面形状尺寸，通过主轧辊和副轧辊外凸缘限制环件轴向窜动；

S2.1轧制孔型设计成半闭式孔型，横轧阶段轧制孔型由驱动辊、芯辊和副轧辊工作面组成，扩孔阶段轧制孔型由驱动辊和芯辊工作面组成；驱动辊和副轧辊均设计为工字型结构，工作面形状与内圈环件的外表面形状一致，副轧辊凸缘长度较大，以限制环件轴向窜动进行控稳，副轧辊上下两端的凸缘较长，与驱动辊配合分别对环坯的两端面进行轴向约束，以达到防止环坯上下窜动、控制环坯稳定的效果；

S2.2驱动辊凸台面锥角θ_d＝θ，驱动辊大端凸台深H_d1＝H₁，驱动辊小端凸台深H_d2＝H₂，驱动辊高度B_d＝B+(10～40)mm，驱动辊大端型腔高度B_dx1＝B₁，驱动辊小端型腔高度B_dx2＝B₂，凸缘高度B_du＝B_d1＝(0.1～0.3)B，工作半径R_d2＝R_d1-(B-B₁-B₂)tanθ，驱动辊大端凸缘长度L_du＝R₁-r-(2～5)mm，驱动辊小端凸缘长度L_d1＝L_du+R₁-r，上凸缘脱模斜度α_d1＝3°～6°，下凸缘脱模斜度α_d2＝3°～6°；

芯辊工作面高度B_m＝B+(20～80)mm，芯辊工作面半径R_m＝r₀-(3～5)mm；

副轧辊凸台面锥角θ_c＝θ，副轧辊大端凸台深H_c1＝H₁，副轧辊小端凸台深H_c2＝H₂，副轧辊高度B_c＝B，副轧辊大端型腔高度B_cx1＝B₁₀，副轧辊小端辊型腔高度B_cx2＝B₂₀，副轧辊大端工作面半径R_c1＝(0.3～0.7)R_d1，副轧辊大端凸缘长度L_cu＝(1.5～3)L_du，副轧辊小端凸缘长度L_c1＝L_cu+R₂-R₁，副轧辊两端凸缘高度B_cu＝B_c1＝(0.1～0.3)B；

其中，θ为环件中间外锥面锥角；r为环件内圆柱面半径，R_d1为驱动辊大端凸台外径；R₁为环件小端台阶外半径，B为环件总高度，B₁为环件小端台阶高度，B₂为环件大端台阶高度，B₁₀为环坯小端外圆柱面高度，B₂₀为环坯大端外圆柱面高度，H₁为环件小端台阶凹槽深，H₂为环件大端台阶凹槽深。

S3.轧制成形一通过三辊横轧、环件扩孔、三辊横轧三阶段成形方式复合，调控各阶段进给速度，实现环件直径扩大和截面轮廓成形；

S3.1在轧制设备上安装好轧制孔型，将环坯放入驱动辊与芯辊之间，将副轧辊紧贴环坯置于驱动辊对侧，使其与环件中心连线的夹角设计为

驱动辊在此阶段慢速进给，使环坯咬入轧制孔型，并在未锻透情况下产生局部变形，进行三辊横轧，此阶段金属主要沿径向流动填充轧辊型腔而成形斜槽，进行台阶的预成型；当环坯表面轮廓基本充满轧辊型腔后，一侧副轧辊快速退到指定位置充当信号辊作用，而另一侧副轧辊固定不动充当导向辊的作用，主轧辊继续做旋转进给运动进行扩孔阶段的轧制，环件在主轧辊与芯辊构成的轧制孔型中进行扩孔变形，这一阶段由于上、下台阶在扩孔阶段的少量消失，当环件外壁长大到与充当信号辊的副轧辊接触时并不结束轧制，而是进行极小量的进给进行整形轧制，直至台充满孔型，整个轧制过程结束。

S3.2驱动辊进给速度按如下控制：

横轧阶段中速进给，扩孔阶段高速进给，精整阶段低速进给：

总进给量ΔH为毛坯的壁厚减少量，三辊横轧阶段进给量为ΔH₁，扩孔阶段进给量为ΔH₂，整形阶段进给量为ΔH₃；三辊横轧阶段进给时间

扩孔阶段进给时间

精整阶段进给时间

三辊横轧阶段进给速度V₁＝0.4V_max，扩孔阶段进给速度阶段V₂＝0.8V_max，精整阶段进给速度V₃＝0.1V_max，其中

其中n_d＝n/η，为驱动辊转速，n为设备电机转速，η为设备减速机传动比；β为摩擦角，r₀为环坯内圆柱面半径，R₁₀为环坯小端圆台面小端外半径，R_m为芯辊工作面半径，R_d1为驱动辊大端凸台外径。

本发明的有益效果是：

复合轧制作为一种精密塑性成形技术，不仅节材节能，而且通过精密成形有效细化晶粒和形成仿形分布的完整流线，强化力学性能，延长使用寿命；本发明通过合理设计轧制环坯和孔型、工艺参数和控制轧制过程，实现圆锥滚子轴承内圈环件近净成形，有效提高材料利用率、生产效率、延长使用寿命，具有成形尺寸精度高、材料利用率高、生产效率高、生产成本低等技术经济优点。

附图说明

图1是本发明实施例中圆锥滚子轴承内圈环件的截面示意图。

图2是本发明实施例中圆锥滚子轴承内圈环坯的截面示意图。

图3是本发明实施例中驱动辊工作面的结构示意图。

图4是本发明实施例中芯辊工作面的结构示意图。

图5是本发明实施例中副轧辊工作面的结构示意图。

图6是复合轧环的三辊横轧开始阶段的示意图，其中6a主视，6b侧视。

图7是复合轧环的三辊横轧结束阶段的示意图，其中7a主视，7b侧视。

图8是复合轧环扩孔结束阶段的示意图，其中8a主视，8b侧视。

图9是复合轧环精整阶段的示意图，其中9a主视，9b侧视。

图10是复合轧环进给速度示意图。

图中：1-主轧辊，2-芯辊，3，4-副轧辊，5-环坯。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明在具体应用时，以图1某型号圆锥滚子轴承内圈环件为例，其环件小端台阶外半径R₁＝39mm、环件内圆柱面半径r＝31.4mm、环件大端台阶外半径R₂＝48.5mm、环件总度B＝25.8mm，高环件小端台阶高度B₁＝5.2mm，环件大端台阶高度B₂＝6.5mm、环件中间外锥面锥角θ＝14°、环件小端台阶凹槽深H₁＝2mm、环件大端台阶凹槽深H₂＝8mm。

其复合轧制成形方法包括以下内容：

1、制坯

设计驱动辊结构如图3所示，根据环坯尺寸设计方法，取轧制比K＝1.69，烧损系数ω＝5‰，确定环坯圆台面小端外半径R₁₀＝28.9mm，环坯内圆柱面半径r₀＝18.5mm，环坯大端外圆柱面外半径R₂₀＝37.1mm，环坯总高度B₀＝25.8mm，环坯圆台面高度B₃＝19.3mm，环坯大端外圆柱面高度B₂₀＝6.5mm；

按环坯尺寸，将棒料段(材料为Gcr15)从室温均匀加热到始锻温度1050～1100℃，然后将热态的棒料段进行墩粗、反挤压、穿孔锻造成轧制用环坯；

2、轧制孔型设计

驱动辊工作面设计：设计驱动辊结构如图3所示，驱动辊大端凸台深H_d1＝2mm，驱动辊小端凸台深H_d2＝8mm，凸台大端工作半径R_d1＝187.6mm，凸台面锥角θ_d＝14°，驱动辊大端型腔高度B_dx＝5.2mm，驱动辊小端型腔高度B_dx2＝6.5mm，驱动辊上凸缘长度L_du＝L_d1＝4.4mm，驱动辊下凸缘长度L_d1＝13.9mm，驱动辊上下凸缘高度B_du＝B_d1＝10mm；

芯辊工作面设计：设计芯辊结构如图4所示，芯辊总高度B_m＝45.8mm，圆柱面半径R_m＝14mm；

副轧辊工作面设计：设计副轧辊结构如图5所示，副轧辊大端凸台深H_c1＝2mm，副轧辊小端凸台深H_c2＝8mm，凸台大端工作半径R_c1＝75mm，锥角θ_c＝14°，副轧辊大端腔高度B_cx1＝5.2mm，副轧辊小端腔高度B_cx2＝6.5mm，副轧辊上凸缘长度L_cu＝7mm，副轧辊下凸缘长度L_c1＝16.5mm，副轧辊上下凸缘高度B_cu＝B_c1＝10mm；

3、轧制成形

如图6a-8b所示，在轧制设备上安装好轧制孔型，将环坯放置于芯辊上，调整副轧辊位置，使其与环件中心连线的夹角为60°，驱动辊在此阶段以1mm/s的速度慢速进给，使环坯咬入轧制孔型，并在未锻透情况下产生局部变形进行三辊横轧进行台阶的预成型，当环坯表面轮廓充满轧辊型腔后，副轧辊3快速退到指定位置充当信号辊作用，而右侧副轧辊4固定不动充当导向辊的作用，设置驱动辊按2mm/s匀速进给；环件在主轧辊与芯辊构成的轧制孔型中进行扩孔变形，快达到预定尺寸时，控制驱动辊按0.25mm/s匀速进给进行精整轧制，直至台充满孔型，最后停止进给，控制驱动辊退回初始位置，取出成形环件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：包括步骤，S1.环坯设计-根据形状相似原则和稳定接触关系设计环坯形状，根据体积不变原则和轴向体积分配特点设计环坯尺寸；S2.轧辊设计-由驱动辊、芯辊和副轧辊构成轧制孔型，根据锻件和环坯尺寸，确定驱动辊、芯辊、副轧辊工作面形状尺寸，通过主轧辊和副轧辊外凸缘限制环件轴向窜动；S3.轧制成形-通过三辊横轧、环件扩孔、三辊横轧三阶段成形方式复合，调控各阶段进给速度，实现环件直径扩大和截面轮廓成形。

2.如权利要求1所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：在步骤S1中，根据形状相似原则和稳定接触关系设计环坯形状-内圈环件为非对称斜槽和上下两个不对称台阶，且设有环件圆柱形内孔，考虑到轧制过程的稳定性，根据形状相似原则，设计环坯的外轮廓为锥角与环件相等的圆台面和带有下台阶的圆柱面，内轮廓与环件内轮廓都是直壁，环坯和模具装配时为线接触以保证轧制过程的稳定性、防止轴向窜动。

3.如权利要求2所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：根据体积不变原则和轴向体积分配特点设计环坯尺寸，

环坯内圆柱面半径

其中K为轧制比，r为环件内圆柱面半径；

取环坯总高度B₀＝B，环坯大端外圆柱面高度B₂₀＝B₂，环坯圆台面锥角θ₀＝θ；其中，B为环件总高度，B₂为环件大端台阶高度，θ为环件中间外锥面锥角；

为保证凹槽处台阶充型完整，需要保证环坯轴向体积分配接近锻件，以环件上台阶与凹槽相交面分界面，将环件沿轴向分为上下两部分；分界面以上为小圆柱面，分界面以下为圆台面和大圆柱面，环坯与锻件取同一处分界面，其分界面以上为小圆台面，分界面以下为大圆台面和圆柱面；环坯以分界面为界沿轴向上下体积与锻件对应部分相等确定环坯小端圆台面小端外半径R₁₀，再由环坯与锻件体积相等确定环坯大端圆柱面外半径R₂₀；

环件小端圆柱体积

其中R₁为环件小端台阶外半径，B₁为环件小端台阶高度；

环坯分界面以上小圆台体体

其中B₁₀为环坯小端外圆柱面高度；

由在分界面以上环坯与环件体积相等，即V₁₀＝V₁，求出环坯小端圆台面小端外半径R₁₀；

圆台与下台阶相交处圆台外半径R′₁₀：R′₁₀＝R₁₀+(B-B₂)tanθ₀；

环件体积V：

其中H₁为环件小端台阶凹槽深，H₂为环件大端台阶凹槽深，R₂为环件大端台阶外半径：R₂＝(R₁-H₁+H₂)+(B-B₁-B₂)tanθ；

环坯体积V₀：

考虑到环坯加热氧化烧损，即V₀＝(1+ω)V，由此确定环坯大端圆柱面外半径R₂₀，其中ω为烧损系数。

4.如权利要求3所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：K取值

5.如权利要求3所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：ω取值5‰。

6.如权利要求1所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：在步骤S1中，环坯由下料后的棒料加热、墩粗、挤压、冲孔获得，棒料材料为Gcr15。

7.如权利要求1所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：在步骤S2中，

轧制孔型设计成半闭式孔型，横轧阶段轧制孔型由驱动辊、芯辊和副轧辊工作面组成，扩孔阶段轧制孔型由驱动辊和芯辊工作面组成；驱动辊和副轧辊均设计为工字型结构，工作面形状与内圈环件的外表面形状一致，副轧辊凸缘长度较大，以限制环件轴向窜动进行控稳，副轧辊上下两端的凸缘较长，与驱动辊配合分别对环坯的两端面进行轴向约束，以达到防止环坯上下窜动、控制环坯稳定的效果。

8.如权利要求7所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：

驱动辊凸台面锥角θ_d＝θ，驱动辊大端凸台深H_d1＝H₁，驱动辊小端凸台深H_d2＝H₂，驱动辊高度B_d＝B+(10～40)mm，驱动辊大端型腔高度B_dx1＝B₁，驱动辊小端型腔高度B_dx2＝B₂，凸缘高度B_du＝B_d1＝(0.1～0.3)B，工作半径R_d2＝R_d1-(B-B₁-B₂)tanθ，驱动辊大端凸缘长度L_du＝R₁-r-(2～5)mm，驱动辊小端凸缘长度L_d1＝L_du+R₁-r，上凸缘脱模斜度

下凸缘脱模斜度α_d2＝3°～6°；

芯辊工作面高度B_m＝B+(20～80)mm，芯辊工作面半径R_m＝r₀-(3～5)mm；

副轧辊凸台面锥角θ_c＝θ，副轧辊大端凸台深H_c1＝H₁，副轧辊小端凸台深H_c2＝H₂，副轧辊高度B_c＝B，副轧辊大端型腔高度B_cx1＝B₁₀，副轧辊小端辊型腔高度B_cx2＝B₂₀，副轧辊大端工作面半径R_c1＝(0.3～0.7)R_d1，副轧辊大端凸缘长度L_cu＝(1.5～3)L_du，副轧辊小端凸缘长度L_c1＝L_cu+R₂-R₁，副轧辊两端凸缘高度B_cu＝B_c1＝(0.1～0.3)B；

其中，θ为环件中间外锥面锥角；r为环件内圆柱面半径，R_d1为驱动辊大端凸台外径；R₁为环件小端台阶外半径，B为环件总高度，B₁为环件小端台阶高度，B₂为环件大端台阶高度，B₁₀为环坯小端外圆柱面高度，B₂₀为环坯大端外圆柱面高度，H₁为环件小端台阶凹槽深，H₂为环件大端台阶凹槽深。

9.如权利要求1所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：在步骤S3中，

在轧制设备上安装好轧制孔型，将环坯放入驱动辊与芯辊之间，将副轧辊紧贴环坯置于驱动辊对侧，使其与环件中心连线的夹角设计为

驱动辊在此阶段慢速进给，使环坯咬入轧制孔型，并在未锻透情况下产生局部变形，进行三辊横轧，此阶段金属主要沿径向流动填充轧辊型腔而成形斜槽，进行台阶的预成型；当环坯表面轮廓基本充满轧辊型腔后，一侧副轧辊快速退到指定位置充当信号辊作用，而另一侧副轧辊固定不动充当导向辊的作用，主轧辊继续做旋转进给运动进行扩孔阶段的轧制，环件在主轧辊与芯辊构成的轧制孔型中进行扩孔变形，这一阶段由于上、下台阶在扩孔阶段的少量消失，当环件外壁长大到与充当信号辊的副轧辊接触时并不结束轧制，而是进行极小量的进给进行整形轧制，直至台充满孔型，整个轧制过程结束。

10.如权利要求9所述的圆锥滚子轴承内圈近净复合轧制成形方法，其特征在于：

驱动辊进给速度按如下控制：

横轧阶段中速进给，扩孔阶段高速进给，精整阶段低速进给：

总进给量ΔH为毛坯的壁厚减少量，三辊横轧阶段进给量为ΔH₁，扩孔阶段进给量为ΔH₂，整形阶段进给量为ΔH₃；三辊横轧阶段进给时间

扩孔阶段进给时间

精整阶段进给时间

三辊横轧阶段进给速度V₁＝0.4V_max，扩孔阶段进给速度阶段V₂＝0.8V_max，精整阶段进给速度V₃＝0.1V_max，其中

其中n_d＝n/η，为驱动辊转速，n为设备电机转速，η为设备减速机传动比；β为摩擦角，r₀为环坯内圆柱面半径，R₁₀为环坯小端圆台面小端外半径，R_m为芯辊工作面半径，R_d1为驱动辊大端凸台外径。

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