轴承制造技术——塑性加工

2021-06-03

轴承套圈毛坯料大致分为以下5种:(1)锻件;(2)管材;(3)棒材(供直接切削用);(4)卷材;(5)板材、带钢。

向心球轴承及圆锥滚子轴承多使用锻件。大量使用锻件的原因是:(1)利用金属的延展性形成所要求的尺寸形状,减少了切削留量,此外,能够应用冲压机及辗压机等加工速度快的加工机床,生产率高。(2)如果去掉棒材及管材、板材的剪切加工面以及加工过程中的底部排气等,不会切断产品的金属流线,还有,材料应变使晶粒微细化,加工硬化提高了材料强度等等,能改善材料自身的性能。此外,在风力发电机组及工业机械中使用的大直径轴承,必须使用锻件。

至于小批量生产的直径较小产品,有时候在成本上不能发挥锻件的优势,这时,可应用管材及棒材。

1 向心球轴承、圆锥滚子轴承

向心球轴承内、外圈的锻造有以下方式:高温成形+冷辗;热锻+热辗;热锻+冷辗等。

1.1  高温成形+冷辗

图1  高温成形+冷辗

图1为零件高温成形+冷辗的示意图。以轴承钢棒料为原材料,经高频加热,而后在零件高温成形机内切割成规定的长度,锻造出内圈与外圈的环状坯料,然后进行球化退火、喷丸处理,最后冷辗加工。根据工件尺寸,高温成形的生产速度为100~180个/min,所需要的冷辗设备台数应与之相匹配。高温成形设备基本上是卧式多工序压力锻造机,在滑块(压力机压头)侧装有冲头;固定侧(压力机垫板)装有锻模,材料在金属模具间锻造成形。高温成形之所以高速,主要有以下原因:

(1)没有必要与重力反向来移动笨重的压力机滑块(压头);(2)工件的搬运基本上是一元的,符合压力机滑块的动作,搬运爪与金属模具并不干涉,能快速适时地移走工件,顶出杆、支承销杆的动作及金属模结构上做了精心考虑。

冷辗工序利用主辗压辊与芯轴进行辗压,扩大直径的同时,成形内、外径形状。另外,芯轴本身由于并不具备刚度,利用称为托辊(支承辊)的轧辊构件支承。并且,为提高工件的圆度,采用的主流结构形式是称为支承辊及滑靴的构件(图1中未示出)强制支承加工过程中的工件外径,并且,动作的数值控制也已实用化。

1.2  热锻+热辗

超过零件高温成形加工能力的中型轴承套圈的原材料(坯料),采用图2的工序加工。用剪切或机械加工切断棒料即成坯料,对坯料加热,用大型立式锻造压力机制造内圈与外圈的环状坯件,并利用余热,实施热辗。然后,进行球化退火、喷丸处理和外径精压加工(整形)。

图2  热锻+热辗

这种加工方式在同一温度下进行锻造与辗压加工,故热效率高,变形阻力小,工序周期缩短。但由于直接连接2道工序导致设备运转率降低,同时,为使锻造周期与辗压周期相匹配,不得不将周期时间向下设置,因而不能充分地发挥锻造工序的能力,该方式并未有效推广。

在工业机械及风力发电机组用大型轴承方面,采用了热锻+热辗加工的方法。热辗加工中,除去加工部的鳞屑对提高加工质量至关重要。此外,由于是大型轴承,削减加工余量尤为重要,尤其是像圆锥滚子轴承那样的异形截面,为尽可能减少材料损失,热锻工序的加工精度以及热辗异形断面成形加工技术至关重要。

1.3  热锻+冷辗

热锻制造环状坯料,冷却后进行球化退火和喷丸处理,进而实施冷辗。热锻的生产速度比高温成形(1.1节)低些,但通用性好,金属模具开发较为容易。冷辗工艺的工作压力比热辗工艺大。加工时间长,但是,冷辗工艺无需像热辗那样对坯料进行繁琐的温度管理。由于容易处理坯料,易实现生产自动化,产品精度也高。如图3所示,在冷辗前,进行车削加工而形成高精度的坯料,冷辗后则省略车削工序,热处理之后只进行研磨加工得到具有端面、外径面、内径面精度高的成品零件。

图3  热锻+车削加工+冷辗

1.4  热锻+冷锻

用热锻工艺制造环状坯件,进行球化退火、车削、喷丸清理之后,将磷化处理的坯料进行冷锻成形,这种情形下,能够加工的零件尺寸有限,但易提高精度。另外,如进行球?退火,则由于表面脱碳,需要有消除该脱碳层的加工。不过,已有人提出了复碳退火减少车削余量的工艺。

1.5  小结

锻造轴承套圈坯件的工厂正在向专业化、自动化方向发展,通过进一步提高金属模具寿命,金属模的小型化,提高操作性,生产效率大幅提高。随着传感器技术的进步,对加工状态和金属模具状态的监控不断进步,能够进一步降低次品率。另外,为减轻环境负担,提