滾子凸模的結構改進

呂軍慶

(洛陽LYC軸承有限公司 工模具公司，河南 洛陽 471039)

滾子是滾子軸承中相對薄弱的零件，滾子的制造質量對軸承的工作性能(如旋轉精度、振動、噪聲及旋轉靈活性等)和使用壽命產生直接影響[1]。目前，滾子毛坯的加工主要采用自動冷鐓機加工成形。滾子凸模作為冷鐓滾子毛坯的主要工裝，其質量的優劣影響著滾子的加工成本、生產效率以及產品質量。

1 傳統滾子凸模結構及存在的問題

傳統滾子凸模結構如圖1所示。凸模多采用GCr15或Cr12MoV鍛件整體加工而成，由于凸模的抗壓、抗疲勞性能較差，使用壽命較短。滾子凸模常見的失效形式有3種：大圓弧處掉塊、掉穴和穴下沉(圖2)，其中尤以掉穴現象最為嚴重。GCr15和Cr12MoV等模具鋼，由于材料的性能問題，已經不能滿足滾子凸模的使用要求。目前，W6Mo5Cr4V2(高速鋼)、65Nb(高強韌冷作模具鋼)和硬質合金等新材料在模具中得到廣泛應用。使用新型模具材料可以顯著提高滾子凸模的使用壽命，但新材料的價格較高，而且現有滾子凸模的整體結構對鍛件的要求也較高，故改用新材料滾子凸模的綜合效益不高。

圖1 傳統滾子沖頭結構示意圖

圖2 滾子凸模失效形式

2 滾子凸模的改進

2.1 組合式滾子凸模

改進后的滾子凸模為組合式結構，如圖3所示。根據凸模成形尺寸在殼體兩端各加工1個A孔，殼體外圓上加工1個穿入A孔底部的C孔，當A孔內壓入芯子時，C孔用于排出A孔腔內的氣體。芯子厚度B要不小于5 mm，以保證芯子有足夠的強度。

圖3 組合式凸模結構示意圖

芯子與殼體一般采用冷壓法過盈配合裝在一起，過盈量δ與滾子凸模直徑D的關系為[2]：δmin=0.003D，δmax=0.004D。裝配后要保證芯子高出殼體0.1～0.2 mm，以避免在工作中造成殼體的損壞而導致整個凸模的報廢。

2.2 材料的選擇

殼體材料的選用要點為：一是材料熱處理后硬度不宜太高，要具有一定的韌性；二是材料的性價比要高，以降低生產成本。如選用5CrMnMo或5CrNiMo等。

芯子承受冷鐓沖壓的大部分沖擊力，因此，芯子要具備較高的抗壓強度和耐磨性，要求熱處理后硬度達到60 HRC以上， DT鋼結硬質合金、Cr12MoV及W6Mo5Cr4V2等高性能材料[3]都在適用的選擇范圍內。常用的殼體、芯子備選材料的化學成分、熱處理后硬度及鍛件價格見表1。

表1 3種常用模具材料化學成分、硬度和價格的對比

2.3 加工工藝的優化

在凸模的實際加工中，由于工件成型部分的型腔尺寸較小，加工的型腔表面粗糙度較差，勉強達到Ra0.8 μm，采用砂紙拋光后仍能在低倍顯微鏡下觀察到在型腔的圓角過渡處存在的較多細小刀紋，并且在穴底部圓弧處有撕裂痕跡。改用便攜式超聲波拋光機對凸模型腔成型部分表面特別是對過渡圓弧處進行拋光處理，拋光后細小刀紋基本消失，表面粗糙度達到Ra0.1～0.25 μm。

2.4 表面強化處理

高速鋼材料(如W6Mo5Cr4V2，6W6Mo5Cr4V等)芯子經過高溫淬火能夠得到高硬度，但易脆裂；進行低溫淬火處理能夠得到較好的強韌性，但耐磨性較差[4]。因此，通過對芯子進行氣體碳氮共滲處理，使芯子具有強韌性和高耐磨性。對Cr12MoV材料的芯子同樣可以采用氣體碳氮共滲處理來提高使用壽命。

3 改進效果

對33216，33220兩個型號軸承滾子沖壓用凸模進行試制，各加工制造30個。滾子凸模改進前、后的應用對比見表2。

由表2可知，組合式結構滾子凸模相比整體式結構，雖然芯子的材料費用提高，但占大部分的殼體采用了價格較低的材料，因此，單個凸模的材料費用支出增加不大；組合式凸模的加工費用增加，但改進后滾子凸模的使用壽命提高近1倍，總費用只增加了23.4%，性價比仍較高；減少了滾子凸模圓弧口部掉塊和掉穴情況的發生，凸模使用壽命提高；滾子毛坯的生產效率和質量得以提高，具有良好的經濟效益。

表2 32216,32220軸承滾子凸模改進前、后應用對比