軸承套圈坯料螺旋軋制工藝分析

朱旭，曾時(shí)金

(廣東冠邦科技有限公司，廣東 佛山 528312)

下文在對現(xiàn)有軸承套圈生產(chǎn)工藝進(jìn)行概括性介紹的基礎(chǔ)上，提出了一種基于節(jié)能、節(jié)材、綠色環(huán)保的軸承套圈生產(chǎn)新工藝——螺旋軋制生產(chǎn)工藝。并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，對比分析了其相對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢。

1 現(xiàn)行軸承套圈坯料生產(chǎn)工藝

由于軸承結(jié)構(gòu)、尺寸、生產(chǎn)批量及技術(shù)設(shè)備的不同，軸承套圈毛坯的成形工藝多種多樣，目前主要有鍛造、擠壓和無縫鋼管車制等。

通常，對中小尺寸系列、大批量生產(chǎn)主要采用鋼管車制或高速鐓鍛工藝；尺寸較大、中批量生產(chǎn)時(shí)，主要采用平鍛→輾擴(kuò)→整形工藝或壓力機(jī)鍛造→輾擴(kuò)→整形工藝；大型鍛件、小批量生產(chǎn)主要采用壓力機(jī)、油壓機(jī)或自由鍛錘成形→輾擴(kuò)工藝[3]。

1.1 鍛造工藝

軸承套圈坯料的鍛造工藝材料利用率低且工效極低，工業(yè)發(fā)達(dá)國家已不采用鍛造工藝生產(chǎn)直徑90 mm以下的軸承坯料，而中大型軸承套圈坯料的生產(chǎn)仍需采用此工藝[3]。20世紀(jì)80年代以前，國內(nèi)軸承套圈的鍛造以壓力機(jī)鍛造→輾擴(kuò)成形生產(chǎn)線為主，材料利用率為40%～50%。

20世紀(jì)60年代高速鐓鍛工藝開始應(yīng)用于軸承工業(yè)，其屬于反擠壓成形，經(jīng)過幾十年的不斷改進(jìn)、完善，其優(yōu)越性日益顯著。具有生產(chǎn)效率較高，有利于減小留量，降低公差，材料利用率達(dá)到50%以上，金屬內(nèi)部組織好，生產(chǎn)過程全部自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。

平鍛→輾擴(kuò)→整形工藝的主要特點(diǎn)是工藝過程比較簡便，材料利用率較高，適用于中批量、多品種生產(chǎn)。

壓力機(jī)鍛造→輾擴(kuò)→整形工藝主要用于生產(chǎn)尺寸偏大、形狀復(fù)雜的中小批量軸承套圈毛坯，很少用于生產(chǎn)小型套圈毛坯。其能夠加工形狀復(fù)雜、尺寸和幾何精度要求較高的零件毛坯。壓力機(jī)鍛造工藝在國外軸承工業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)普遍，工藝形式多樣，主要有瓦格納鍛壓自動(dòng)線的壓力機(jī)成形→四軸擴(kuò)孔機(jī)輾擴(kuò)(一次或兩次輾擴(kuò)) →整形工藝；仿照高速鐓鍛的多工位擠壓塔形工藝和自由沖孔(胎模鍛成形) →輾擴(kuò)→整形工藝等。

國外在軸承套圈的粉末鍛造成形技術(shù)方面已經(jīng)有所突破，可按照需要的規(guī)格進(jìn)行生產(chǎn)，其鍛造精度高(內(nèi)外徑公差達(dá)0.1～0.13 mm)，材料利用率達(dá)75%～80%，壽命為鍛鋼軸承的2～4倍。而由于粉末純度、晶粒大小以及價(jià)格等方面的限制，粉末鍛造技術(shù)在我國的發(fā)展還存在不少障礙[2]。

利用溫濕度檢測值與設(shè)定值偏差的比例積分微分進(jìn)行反饋控制，通過P（比例）算法控制溫濕度偏差，I（積分）算法控制溫濕度變化時(shí)間長度，D（微分）算法控制溫濕度變化的速率，表達(dá)式如下：

1.2 無縫鋼管生產(chǎn)工藝

將無縫鋼管作為軸承套圈坯料可降低成本、提高工效，材率利用率可達(dá)到80%，是一個(gè)很大的突破。軸承套圈的常用無縫鋼管生產(chǎn)工藝流程為：棒料切斷→加熱→穿孔→球化退火→酸洗→磷化→皂化→冷軋(拔)、矯直→切頭切尾→探傷→切斷→機(jī)械加工。

采用無縫鋼管工藝生產(chǎn)軸承套圈毛坯雖然相對提高了工效及材料利用率，但仍然存在著生產(chǎn)流程長、工藝涉及面廣、制造成本高的不足。特別是工藝過程中的酸洗、磷化、皂化等環(huán)節(jié)，不僅能耗大，而且對環(huán)境和操作者身體有較大危害[4]。

1.3 少或無切屑生產(chǎn)新工藝

冷擠壓工藝的材料利用率為60%以上，材料在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下擠壓成形后組織致密、晶粒細(xì)化，且材料流線沿零件輪廓連續(xù)分布，大大提高了零件的力學(xué)性能，尤其是抗疲勞性能[5-7]。軸承可承受的拉伸和沖擊載荷可比普通方法制造的套圈提高1.2～1.4倍，壽命可提高6倍。但冷擠壓工藝的缺點(diǎn)是中間需經(jīng)過幾次退火和表面處理，最后還要進(jìn)行滲碳，工序繁鎖，流程較長。

溫?cái)D壓成形的特點(diǎn)是把坯料加熱到再結(jié)晶溫度下進(jìn)行擠壓成形，從而提高塑性，降低擠壓力，可簡化冷擠時(shí)的反復(fù)退火和表面處理工序，縮短工藝流程。冷、溫聯(lián)合擠壓工藝則是在變形量大的預(yù)成形階段采用溫?cái)D，而最后擠壓塔形和切離仍在冷態(tài)下進(jìn)行，從而達(dá)到減小預(yù)成形擠壓力而保持最后成品高精度的目的。

精密冷輾擴(kuò)工藝是20世紀(jì)70年代初在蘇、英等國發(fā)展起來的新工藝，原材料為軸承鋼管，由于輾壓件的形狀能最大限度地接近成品套圈形狀，材料利用率可達(dá)70%～75%，而且軸承壽命得到提高[8]。

粉末與塑料注射成形方法近年剛研制成功，它是把金屬粉末(粒度為30 μm)、樹脂和粘結(jié)劑攪拌混合，通過注射模注塑成所需的軸承套圈形狀，經(jīng)高溫(1 250～1 400 ℃)燒結(jié)(除去粘結(jié)劑)，再進(jìn)行滲碳或滲氮等表面處理。此類型軸承套圈在工作時(shí)，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速，樹脂升溫熔融，可以減少摩擦；當(dāng)靜止時(shí)，樹脂會(huì)再次固化，因此，無需潤滑。

2 螺旋軋制生產(chǎn)工藝

螺旋軋制生產(chǎn)工藝采用溫?cái)D壓的成形原理，顯著提高了材料利用率，大大縮短了工藝流程并降低了生產(chǎn)成本。

2.1 工藝流程

螺旋軋制生產(chǎn)工藝流程為：下料→加熱→穿孔→溫控→螺旋軋制→噴丸→冷輾→精加工。首先將棒料鋸切至規(guī)定尺寸；加熱棒料使其溫度達(dá)到預(yù)定值；將加熱后的棒料穿孔制成荒管(管坯)；再將荒管控溫冷卻至900 ℃以下；接著對荒管進(jìn)行螺旋孔型軋制，軋制成單件的軸承套圈坯料；進(jìn)行噴丸處理去除氧化皮和毛刺等；最后將冷輾后的料坯轉(zhuǎn)入精加工。

2.2 螺旋孔型軋制原理

螺旋孔型軋制屬于斜軋技術(shù)，基本原理是將斜軋機(jī)的軋輥加工出螺旋狀的溝槽或凸起，其斷面可以是半圓形、梯形或其他形狀，從而使變形區(qū)形成螺旋狀的孔型。在軋制過程中，軋輥使軋件螺旋前進(jìn)，金屬逐漸充滿孔型，進(jìn)而得到所需形狀的零件。

螺旋孔型斜軋機(jī)是加工回轉(zhuǎn)體零件的理想設(shè)備，其特點(diǎn)為：節(jié)能、高效；材料損耗低；產(chǎn)品的品質(zhì)好、精度高；軋制產(chǎn)品顯微組織好；機(jī)器操作簡單、易于控制、便于管理；設(shè)備噪聲低、振動(dòng)小、工作環(huán)境符合環(huán)保要求[9]。

套圈坯料螺旋軋制生產(chǎn)工藝中的下料、穿孔、噴丸處理、精加工都是成熟工藝，工藝難點(diǎn)是溫控和溫軋，其中溫控的主要目的是控制金屬內(nèi)部組織，抑制網(wǎng)狀碳化物的析出。

2.3 性能試驗(yàn)及對比

由于條件所限，采用力學(xué)性能與900 ℃軸承鋼管接近的常溫工業(yè)純鋁管進(jìn)行試驗(yàn)研究，其與GCr15的性能對比見表1。鋁管軋制試驗(yàn)現(xiàn)場如圖1所示，應(yīng)用該設(shè)備在常溫下對鋁管進(jìn)行螺旋孔型軋制，一道工序完成了軋、切2個(gè)功能，成功實(shí)現(xiàn)了從管材到環(huán)形件的成形與切斷。

表1 工業(yè)純鋁與GCr15力學(xué)性能對比

圖1 鋁管軋制試驗(yàn)現(xiàn)場

采用該設(shè)備對軸承鋼管進(jìn)行溫軋獲得的軸承套圈毛坯在噴丸去毛刺處理后轉(zhuǎn)入精加工，可直接用于生產(chǎn)性能要求不高的普通軸承，對要求較高的精密軸承，在精加工前增加冷輾工序即可。

套圈毛坯鍛造、無縫鋼管生產(chǎn)、擠壓和螺旋軋制生產(chǎn)4種工藝方法的對比見表2。

表2 4種套圈毛坯生產(chǎn)工藝的對比

3 結(jié)束語

與現(xiàn)有的軸承套圈生產(chǎn)工藝相比，螺旋軋制生產(chǎn)工藝顯著提高了材料利用率，且節(jié)能、環(huán)保，是環(huán)形件成形加工工藝的先進(jìn)技術(shù)，具有很強(qiáng)的市場適應(yīng)性，發(fā)展?jié)摿Υ螅茝V應(yīng)用前景很好。