某鐵路軸承外圈輾擴模具的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

劉高杰，賈松陽，王超，王戰(zhàn)冶，潘隆

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039； 2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039)

軸承是鐵路車輛的關(guān)鍵零部件，在鐵路運輸中起著重要作用，是車輛安全穩(wěn)定運行的基本保障[1]，因此要嚴格要求和控制鐵路軸承的制造工藝。

成形輾擴加工是某型鐵路軸承外圈鍛造階段的重要一環(huán)，使外圈形成對稱錐形雙滾道并帶有一定尺寸余量。輾擴時的金屬流動可改善材料的切削性能，提高外圈機械加工性能，使后工序切削刀具磨損減小[2]。輾擴工藝優(yōu)點多，但在應(yīng)用中仍存在一些問題需要解決，如工件的裂紋、外圈端面凹心、毛刺等表面及內(nèi)部缺陷。其中，外圈在輾擴過程中產(chǎn)生的毛刺會被折疊壓入鍛件內(nèi)部，在后續(xù)車加工和磨加工中難以發(fā)現(xiàn)，并且折疊位置細小不定，磁粉探傷極易漏檢，容易導(dǎo)致廢品率高。

輾擴加工中外圈端面毛刺的產(chǎn)生主要是由于工裝設(shè)計不合理，使工件和模具配合不當(dāng)，輾擴中輾壓輥擺動大造成的[3]，因此，合理設(shè)計模具是減少輾擴外圈端面毛刺的有效手段。鐵路輪軸軸承輾擴后外圈形成錐形滾道輪廓，其輾擴模具和一般圓筒形輾擴模具不同，需要對輾擴模具進行分析、優(yōu)化。

1 原外圈輾擴工藝模具

1.1 原模具結(jié)構(gòu)

原輾擴模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括輾壓輥和輾壓輪兩部分。

圖1 原輾擴模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of original rolling mould

成品軸承外圈接觸角為10°，根據(jù)外圈鍛件留量公差和實際生產(chǎn)需要，輾壓輥的兩圓錐面為對稱結(jié)構(gòu)且與其軸線夾角α為10°11′(圖1)。輾擴過程中，一端螺紋孔與機床剛性連接，另一端依靠塔頭支承。

輾壓輪主體由3部分組成，通過螺栓緊固連接。輾壓輥和輾壓輪嵌入式接觸，輾壓輪的一邊嵌入輾壓輥凹槽內(nèi)(圖1圓圈所示)。輾壓輪左右凸出擋邊約束工件金屬流動，也就是該位置容易形成套圈端面毛刺折疊缺陷。

1.2 存在問題

1)輾壓輥前支承剛性不足，受壓后末端出現(xiàn)一定翹曲，導(dǎo)致設(shè)計的對稱結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中變成了非對稱輾擴，使外圈兩端金屬流動不均，輾擴過程中出現(xiàn)“搖擺”現(xiàn)象。

2)輾壓輥與輾壓輪嵌入式接觸部分是典型的軸系設(shè)計缺陷，會使輾壓輥在該處出現(xiàn)應(yīng)力集中，加劇輾壓輥的變形。

3)嵌入式接觸部分對外圈的擠壓過程中，若接觸部分出現(xiàn)間隙，金屬流動進入間隙，再擠壓極易形成毛刺折疊，輾擴過程會使折疊留在端面深層。

4)輾壓輪結(jié)構(gòu)的配合間隙較多，輾擴過程壓力較大可能導(dǎo)致模具不穩(wěn)定。

2 輾擴模具優(yōu)化

根據(jù)對原輾擴模具的分析，從增加輾壓輥強度和調(diào)整輾壓輥與輾壓輪的接觸方式兩方面對模具進行優(yōu)化，以解決模具應(yīng)力集中和配合不合理的問題。

2.1 輾壓輥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輾壓輥優(yōu)化前、后結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中標注尺寸位置為主要的變動位置。取消了凹槽部分，使該部分直徑與圓錐面最大直徑相等，使輾壓輥與輾壓輪的接觸不再是嵌入式，消除原來該部分的應(yīng)力集中；兩圓錐面最大直徑由77 mm增加到90 mm，中間平面部分直徑由57 mm增加到67 mm，提高輾壓輥的剛性；根據(jù)留量的不同以及長期工藝試驗摸索，確定輾壓輥與工件接觸面為非對稱結(jié)構(gòu)，其中一邊取8°53′左右時較為合適。

圖2 優(yōu)化前、后輾壓輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of rolling roller before and after optimization

2.2 輾壓輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化

輾壓輪優(yōu)化前、后結(jié)構(gòu)如圖3所示。優(yōu)化后減少了配合間隙的數(shù)量，增強了剛度；由原來兩擋邊相同角度(2°)斜口，更改為一端1°，一端3°，以配合不對稱輾壓輥；為了避免外圈端面因接口處縫隙而產(chǎn)生毛刺，且便于后期修磨，將輾壓輪兩部分配合面調(diào)整至滾道。

圖3 優(yōu)化前、后輾壓輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of rolling wheel before and after optimization

2.3 模具優(yōu)化對鍛件的影響

外圈鍛件輾擴成形的工藝流程為：下料→鐓粗→穿孔→馬架擴孔→輾擴，如圖4所示。

圖4 輾擴工藝流程示意圖Fig.4 Process flow diagram of rolling

穿孔工序中，料芯直徑約為80 mm。模具改進前，輾壓輥直徑為77 mm，為便于安裝工件，其馬架擴孔內(nèi)徑一般比輾壓輥直徑大10 mm左右，馬架擴孔后內(nèi)徑為90 mm；模具改進后由于輾壓輥直徑調(diào)整至90 mm，其馬架擴孔后內(nèi)徑也適當(dāng)調(diào)整至100 mm，輾擴后內(nèi)徑尺寸為210 mm。輾擴比由2.3降至2.1(按輾擴后內(nèi)徑與輾擴前內(nèi)徑的比值近似計算)，雖然輾擴比有所降低，但仍在合適范圍內(nèi)。輾擴比過大時，輾擴時間較長，易產(chǎn)生軸向毛刺；輾擴比過小時，鍛件組織粗大，壁厚差、平行差等幾何精度不易保證。經(jīng)試制加工，改進后鍛件幾何精度及組織均滿足產(chǎn)品要求。

3 應(yīng)用效果

采用優(yōu)化后的輾擴模具，鐵路軸承外圈端面毛刺折疊現(xiàn)象大大減少，廢品率由原來的4.39‰降低到1.28‰。改進后的模具取得了較好的效果，減少了廢品損失和下工序生產(chǎn)隱患，有利于提高軸承的使用壽命。