6203軸承外圈鍛造毛坯料芯熱擠壓成形新工藝

付海軍

(秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100)

料芯是軸承套圈鍛造毛坯生產(chǎn)過程中的工藝廢料，為進(jìn)一步降低軸承套圈的材料成本，對不同鍛造毛坯生產(chǎn)工藝產(chǎn)生的料芯應(yīng)分別對其進(jìn)行合理利用。高速熱鐓機(jī)生產(chǎn)軸承套圈鍛造毛坯具有批量大、沖切下的料芯餅的質(zhì)量和尺寸偏差較小的特點(diǎn)，而且原棒料的中心部位組織疏松區(qū)的顯微孔隙在大變形的塔鍛過程中已初步鍛合，因此，其料芯餅完全可以作為生產(chǎn)小型軸承套圈毛坯而得到進(jìn)一步的利用。下文以利用HBP-160高速熱鐓機(jī)塔鍛7208E內(nèi)、外圈的料芯餅在JB31-160壓力機(jī)上熱擠成6203軸承外圈鍛件毛坯為例，分析了料芯餅的壓力機(jī)熱擠壓成形工藝過程及模具設(shè)計(jì)[1]。

1 HBP-160熱鐓機(jī)塔鍛工藝分析

HBP-160高速熱鐓機(jī)生產(chǎn)線，主要用于塔鍛軸承內(nèi)、外圈鍛件，具有精度高，效率高，自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，其工藝流程為：加熱→剪切下料→鐓餅→塔鍛成形→切底分套[2]。

在高速熱鐓機(jī)生產(chǎn)過程中，塔鍛工藝每加工一套鍛件則會(huì)在切底工位切除一個(gè)料芯。熱鐓機(jī)塔鍛工藝成形工位沖孔連皮的厚度，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)已減薄到最小極限，而且塔鍛工藝本身也決定了料芯的外徑尺寸，已不能再通過減小料芯質(zhì)量的方法來提高軸承套圈鍛造加工的材料利用率[3]。現(xiàn)用HBP-160熱鐓機(jī)典型塔鍛工藝產(chǎn)生的料芯質(zhì)量和尺寸見表1。

表1 典型熱鐓機(jī)塔鍛工藝料芯的質(zhì)量和尺寸

2 料芯餅熱擠壓工藝的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 料芯餅熱擠壓工藝過程

料芯餅的壓力機(jī)熱擠壓工藝過程與料段的熱擠壓工藝過程相似，只是省去了下料工序，如果坯料外徑合適，也可省去鐓粗工序而直接成形。料芯餅熱擠壓工藝過程如表2所示。

表2 料芯餅壓力機(jī)熱擠壓工藝過程

2.2 6203軸承外圈鍛件毛坯熱擠壓工藝的下料質(zhì)量

2.2.1 鍛件尺寸

外徑D=(41.5+0.8 )mm，

內(nèi)徑d=(31.4-0.8)mm，

寬度h=(15+2.0)mm。

2.2.2 鍛件的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量

6203軸承外圈為擠成件，鍛件的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計(jì)算式為：

(1)

式中：Qd為鍛件的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，g；Dp為鍛件平均外徑，mm；dp為鍛件平均內(nèi)徑，mm；hp為鍛件平均寬度，mm。將Dp=41.9 mm，dp=31 mm，hp=16 mm代入(1)式,得Qd=78.0 g。

2.2.3 鍛件下料質(zhì)量

6203軸承外圈壓力機(jī)反擠壓成形工藝產(chǎn)生的廢料芯質(zhì)量計(jì)算式為：

(2)

式中：Qc為擠壓成形工藝廢料芯質(zhì)量，g；dx為擠壓成形工藝廢料芯直徑(按成品鍛件最大內(nèi)徑尺寸計(jì)算)，mm；hx為擠壓成形工藝廢料芯厚度，mm。將dx=31.4 mm，hx=6 mm代入(2)式,得Qc=36.3 g。

電加熱火損質(zhì)量計(jì)算式為：

Qs=η(Qd+Qc)

(3)

式中：Qs為電加熱火損質(zhì)量，g；η為電加熱火損系數(shù)。

則下料質(zhì)量為：

Qx=Qd+Qc+Qs=(1+η)(Qd+Qc)

(4)

將Qd=78.0 g，Qc=36.3 g，η=0.01代入(4)式，得6203軸承外圈鍛件的下料質(zhì)量Qx=115.4 g。

2.3 熱鐓機(jī)塔擠套鍛新工藝料芯餅的尺寸及質(zhì)量設(shè)計(jì)計(jì)算

由計(jì)算出的6203軸承外圈鍛件毛坯熱擠壓工藝的下料質(zhì)量可知，表1中沒有適合此工藝的料餅質(zhì)量，而且熱鐓機(jī)塔擠成品鍛件工藝已經(jīng)決定了料芯餅外徑尺寸，因此只能通過增加熱鐓機(jī)塔鍛的工藝料芯餅厚度來增大料芯餅質(zhì)量，使之達(dá)到相應(yīng)規(guī)格軸承套圈鍛件毛坯下料質(zhì)量。設(shè)計(jì)時(shí)料芯餅的厚度不宜增加太多，其厚度一般應(yīng)小于15 mm，否則會(huì)影響熱鐓機(jī)切底凸模的使用壽命。

由表1可知，熱鐓機(jī)塔鍛7208E內(nèi)、外圈的08號料芯直徑為37.8 mm，小于6203軸承外圈鍛件外徑尺寸41.5 mm，需要增加鐓粗工序；08號料芯質(zhì)量為70.1 g，比6203軸承外圈鍛件的下料質(zhì)量115.4 g少45.3 g，不能直接利用。因此，熱鐓機(jī)塔擠7208E內(nèi)、外圈毛坯套料6203軸承外圈鍛件新工藝需將原熱鐓機(jī)塔鍛7208E內(nèi)、外圈毛坯工藝的下料質(zhì)量增加45.3 g。熱鐓機(jī)塔鍛套料新工藝沖切下的料芯餅直徑37.8 mm不變，料芯餅的厚度計(jì)算式為：

115.4=6.134×10-3×37.82×h0

(5)

式中：h0為料芯餅的厚度，mm。計(jì)算得h0=13.5 mm。即熱鐓機(jī)塔鍛7208E內(nèi)、外圈毛坯的料芯厚度由原工藝的8 mm增加到現(xiàn)在的可利用厚度13.5 mm，新工藝料芯餅尺寸為Ф37.8 mm×13.5 mm，料芯餅質(zhì)量為115.4 g[4]。

2.4 6203軸承外圈鍛件料芯餅的壓力機(jī)熱擠壓工藝過程

6203軸承外圈鍛件毛坯料芯餅熱擠壓成形過程及工藝參數(shù)見表3。

表3 6203軸承外圈鍛件毛坯料芯餅熱擠壓成形過程及工藝參數(shù)

3 料芯餅壓力機(jī)熱擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用的JB31-160壓力機(jī)最大裝模高度為450 mm，滑塊行程為200 mm，裝模高度調(diào)整量為200 mm[5]，設(shè)計(jì)模具閉合高度為440 mm。模具采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，換型號時(shí)只更換少量幾件模具。將鐓粗、成形、切底3道工序安排在同一臺壓力機(jī)上，便于模具設(shè)計(jì)，也有利于生產(chǎn)管理。

3.1 6203軸承外圈鍛件毛坯料芯餅擠壓成形模具

料芯餅JB31-160壓力機(jī)熱擠壓成形模具結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

1—上墊板；2—上退料碟形彈簧；3—碟簧導(dǎo)座；4—潤滑杯體；5—彈簧；6—鋼球；7—座套；8—壓蓋；9—滑套；10—上退料碟簧下墊；11—上退料碟簧導(dǎo)桿；12—銷；13—下墊板；14—下退料碟簧座；15—下退料碟簧墊；16—下退料碟形彈簧；17—下退料碟簧導(dǎo)桿；18—退料桿；19—成形模模座；20—下凹模；21—成形模墊圈；22—成形模模座壓蓋；23—成形模；24—成形模壓蓋；25—平幅卸料板；26—平幅圈；27—平幅圈座；28—成沖接座；29—成沖接座壓蓋；30—成形凸模；31—成沖壓墊；32—成沖座；33—上退料碟簧上墊

3.1.1 成形模具工作過程

壓力機(jī)下行時(shí)，動(dòng)模壓向下模，平幅圈先接觸料餅上表面。動(dòng)模繼續(xù)下壓，料餅上表面向上通過平幅圈、平幅卸料板和碟簧導(dǎo)座壓縮上退料碟形彈簧；料餅下表面向下通過下凹模、退料桿和下退料碟簧導(dǎo)桿壓縮下退料碟形彈簧。成形凸模底部與平幅圈下表面一起向下推壓料餅，下凹模下移。下凹模上表面由距成形模上表面5.5 mm下移到距成形模上表面19 mm時(shí)，底面壓到成形模模座，料餅停止下移。動(dòng)模再下壓，成形凸模底部壓入料餅5.4 mm，成形凸模外部金屬反擠向上流動(dòng)，工件幅高17 mm，推動(dòng)平幅圈上行5.6 mm。工作行程結(jié)束時(shí)，平幅圈下表面伸入成形模上口表面2 mm，成形凸模底部伸入成形模上口表面13 mm，成形凸模伸出平幅圈11 mm。上、下模閉合時(shí)，平幅卸料板下表面和成形模上表面間隙為12 mm。

3.1.2 成形模具退料結(jié)構(gòu)

成形模具下退料采用碟形彈簧結(jié)構(gòu)，下退料碟簧座掛在成形模模座下墊板上。開模時(shí)，下凹模上表面距成形模上口表面為5.5 mm，17 mm高的成形工件2/3露出成形模，便于用手鉗移走。將鐓粗成高度為11.4 mm的料餅移入成形模中，料餅的1/2在成形模內(nèi)，便于定位。壓力機(jī)回程時(shí)，退料桿用于下退料碟形彈簧頂出限位。

成形模具上退料也采用碟形彈簧結(jié)構(gòu)，卸料板兩端與對角安裝的上墊板的兩個(gè)碟形彈簧導(dǎo)座相聯(lián)。開模時(shí)，成形凸模底部退進(jìn)平幅圈下表面2 mm。

3.1.3 成形模退料碟形彈簧設(shè)計(jì)

(1)上退料碟形彈簧

成形模上退料的工作行程h工作=13 mm，碟形彈簧安裝方法為對合式安裝，共2組。上退料碟形彈簧選用規(guī)格為B90-1GB/T1972—1992[7]。每組彈簧片數(shù)n=h工作/(0.5×h0)=10.4,選用n=10。碟形彈簧自由高度H0=nh=60 mm，總壓縮量h總=0.75nh0=18.7 mm，預(yù)壓縮量h預(yù)=h總-h工作=5.7 mm，預(yù)壓縮后碟形彈簧高度H預(yù)=H0-h預(yù)=54.3 mm。2組上退料碟形彈簧工作時(shí)受壓縮后產(chǎn)生的負(fù)荷為28.4 kN，工作行程結(jié)束時(shí)該力作用在平幅圈下端面為工件平幅，壓力機(jī)回程時(shí)將箍在成形凸模外的工件退下。為便于退料，成形凸模工作部分設(shè)計(jì)有30′的退料角。

(2)下退料碟形彈簧

成形模下退料的工作行程h工作=13.5 mm。碟形彈簧安裝方法同為對合式安裝。下退料碟形彈簧選用規(guī)格為B125-1GB/T1972—1992[7]。彈簧片數(shù)n=h工作/(0.5×h0)=7.7,選用n=8。碟形彈簧自由高度H0=nh=68 mm，總壓縮量h總=0.75nh0=21 mm，預(yù)壓縮量h預(yù)=h總-h工作=7.5 mm，預(yù)壓縮后碟形彈簧高度H預(yù)=H0-h預(yù)=60.5 mm。下退料碟形彈簧工作時(shí)受壓縮后產(chǎn)生的負(fù)荷為30 kN，壓力機(jī)回程時(shí)該力將卡在成形模中的工件向上頂出。為便于退料，成形模工作部分設(shè)計(jì)有30′的退料角。

成形工序上、下退料碟形彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 成形工序退料碟形彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

3.2 6203軸承外圈鍛件毛坯料芯餅擠壓切底模具

料芯餅JB31-160壓力機(jī)熱擠壓切底模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作行程開始時(shí)，動(dòng)模下行，退料圈下表面伸出退料板下表面8 mm。切底凸模底面過退料圈下表面36 mm時(shí)，切沖接座壓蓋下表面和退料板上表面接觸，滑塊繼續(xù)下行，動(dòng)模推動(dòng)退料板下壓。工作行程結(jié)束時(shí)，退料板下表面距切底模上表面間隙為25 mm；退料圈下表面距切底模上表面間隙為16 mm；切底凸模伸入切底模表面28 mm，伸入切底圈上表面8 mm，將廢料芯沖下。

1—上墊板；2—切凹模座；3—切沖壓墊；4—切沖接座；5—切底凸模；6—退料圈；7—切底模壓蓋；8—切底模；9—切底圈；10—切底模模座；11—圓螺母；12—下墊板；13—螺旋彈簧導(dǎo)桿座；14—螺旋彈簧；15—套座；16—退料板；17—導(dǎo)桿套；18—螺旋彈簧導(dǎo)桿；19—鎖緊墊；20—鎖緊螺母；21—切沖接座壓蓋

在退料圈不平幅，壓力機(jī)回程時(shí)，切底凸模可以將鍛件從切底模中直接帶出來，所以切底模只設(shè)上退料機(jī)構(gòu)。剛性退料板兩端與對角安裝在下墊板上的兩個(gè)螺旋彈簧導(dǎo)桿座相聯(lián)，在壓力機(jī)回程時(shí)將箍在切底凸模外的鍛件退下。鎖緊螺母用于剛性退料板限位，螺旋彈簧用于支承剛性退料板[8]。

4 料芯餅壓力機(jī)熱擠壓模具主要工作零件設(shè)計(jì)

4.1 成形模主要工作零件

4.1.1 成形凸模

成形凸模結(jié)構(gòu)如圖3所示，材料選用3Cr2W8V，硬度A為49～52 HRC，B為39～42 HRC[9]。

圖3 成形凸模

4.1.2 成形模

成形模結(jié)構(gòu)如圖4所示，材料選用3Cr2W8V，硬度為47～51 HRC，表面離子氮化。

圖4 成形模

4.1.3 下凹模

下凹模結(jié)構(gòu)如圖5所示，材料選用3Cr2W8V，硬度為48～52 HRC。

圖5 下凹模

4.1.4 平幅圈

平幅圈結(jié)構(gòu)如圖6所示，材料選用3Cr2W8V，硬度為45～50 HRC。平幅圈高29 mm，安裝部分高15 mm，通過平幅圈座與退料板連接，平幅圈下端伸出退料板14 mm。

圖6 平幅圈

4.2 料芯餅熱擠壓切底模主要工作零件

4.2.1 切底凸模

切底凸模結(jié)構(gòu)如圖7所示，材料選用3Cr2W8V，硬度A為:49～52 HRC，B為:39～42 HRC。切底凸模開有直徑為5 mm的排氣孔，排氣孔互相垂直相通，用于排出工件型腔里冷卻水汽化產(chǎn)生的水汽。

圖7 切底凸模

切底凸模和成形凸模安裝部分尺寸相同。切底模中切底凸模伸入下模表面28 mm，上、下模間隙為25 mm；成形模中成形凸模底部伸入下模表面13 mm，上、下模間隙為12 mm，所以切底凸模設(shè)計(jì)長度比成形凸模長度多28 mm。

4.2.2 切底模

切底模結(jié)構(gòu)如圖8所示，材料選用5CrMnMo，硬度為43～47 HRC。

圖8 切底模

4.2.3 切底圈

切底圈結(jié)構(gòu)如圖9所示，材料選用3Cr2W8V，硬度為45～50 HRC。

圖9 切底圈

4.2.4 退料圈

退料圈結(jié)構(gòu)如圖10所示，退料時(shí)不平幅，其材料選用GCr15SiMn，硬度為48～52 HRC。退料圈與退料圈座為一體，退料圈通過螺紋與退料板直接連接。退料圈下表面伸出退料板下表面8 mm，退料圈上表面低于退料板上表面3 mm，螺紋旋入6圈。

圖10 退料圈

5 結(jié)束語

6203軸承外圈毛坯料芯餅熱擠壓成形新工藝，經(jīng)過近3年的生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，模具結(jié)構(gòu)合理，操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，加工出的軸承套圈毛坯符合圖紙技術(shù)要求。該工藝既保證了軸承套圈的加工精度，又大幅度降低了軸承材料成本。