軸承套圈成形工藝對比分析

王明舟，李亞杰，左英

(浙江五洲新春集團股份有限公司，浙江 新昌 312500)

1 國內傳統的軸承套圈成形技術發展過程

套圈成形技術包括熱鍛、高速鍛、鋼管制坯、溫擠壓、冷輾、車加工等。隨著技術進步，成形制造工藝有了長足的發展。

1.1 中小型軸承套圈毛坯成形技術的發展

20世紀80年代以前，小型軸承套圈毛坯成形普遍采用鋼棒打孔、切割、鋼板沖壓、熱鍛等幾種工藝[1]，中小型軸承套圈熱鍛成形以塔形擠壓，外圈鍛輾為主。80年代到90年代初，小型軸承套圈毛坯生產以冷擠壓為典型工藝代表，中小型軸承套圈普遍采用套鍛輾擴工藝。90年代中期以后，鋼管制坯替代冷擠壓，成為小型軸承毛坯的制造主流；退火鋼棒切斷、打孔，內、外圈切割分離工藝開始運用；此時的熱鍛工藝沒有大的改變。進入21世紀后，高速鐓鍛被廣泛采用，冷輾技術已日趨成熟，出現了新的組合工藝，如高速鐓鍛+熱輾、高速鐓鍛+冷輾 、鋼管制坯+冷輾、熱鍛+冷輾等。新技術的采用使材料利用率大大提高，產品質量也有了長足的進步，使傳統產業更加符合國家節材、節能、環保的發展要求。

1.2 車加工成形技術的發展

20世紀80年代以前，車加工普遍采用專用液壓車床，自動化程度與生產效率低，加工成本高。80年代初到90年代中期，中小型軸承套圈的車加工發展為以儀表車床(俗稱小臺車)為代表的新型車加工設備。儀表車床由于設備簡單、生產率較高(平均單工序班產5 000件左右)，工藝靈活，既適用于大批量生產，也適用于小批量、多品種加工，車加工成本大幅下降，產品質量基本滿足用戶要求，迅速在浙江地區發展壯大。進入21世紀后，由于用工成本上升，車加工自動化成為行業發展的必然選擇，隨著套圈專用數控車床、液壓車床成形刀具的突破，逐步發展為軸承套圈專用多工序數控車床連線和液壓自動連線車床，從而替代了儀表車床，也為高精密磨前產品的出口奠定了基礎。最近幾年，設備防錯裝置、在線檢測技術、一人管理多線等已在一些車加工能力強的地區逐步得到推廣應用。

1.3 冷輾技術的發展

冷輾是將退火后的毛坯在室溫下輾擴成形，半成品精度高，套圈制造工序的總耗能低，節材。輾壓后由于改善了滾道的金屬流線分布，并細化了淬火后晶粒，能顯著提高軸承的使用壽命。冷輾技術于國家“六五”期間開始立項研發，2001年通過國家鑒定。目前，冷輾技術已基本成熟，突破了模具壽命、設備穩定性、進給精度等一系列難題，因而冷輾質量穩定、可靠。可輾擴最大外徑為220 mm，節材率達到15%～25%。目前冷輾分“粗輾”、“精輾”2種工藝，根據不同要求各有特點。

2 套圈成形工藝分析

由套圈成形技術的發展過程可以看出，新工藝的出現使毛坯質量、車加工精度和加工效率等大大提高。下面對幾種典型的成形工藝進行分析。

2.1 傳統成形工藝的現代化改造

套圈典型的傳統成形工藝路線如圖1所示。

圖1 套圈傳統成形工藝流程

傳統成形工藝材料利用率低，成本高，效率低，質量不穩定，可靠性差。如下料溫度可控性差，重量誤差大；壓力機連線主要靠人工操作，人為因素影響大，鍛件精度低；車加工沒有在線防錯技術，經常發生漏加工；人工質量檢驗的可靠性差，影響整個磨前產品的質量。因此，需要對傳統磨前成形工藝進行現代化改造。

(1)棒料加熱。剪切下料采用溫剪工藝，剪切溫度為(600±20) ℃。優點：可以提高料段的剪切質量，避免料段端面變形、毛刺、馬蹄形的產生；保證鐓餅后料餅流線的對稱性，從而提高套圈鍛造流線的對稱性；同時也可避免因料段毛刺壓入而產生的裂紋。缺點：設備剪切力較大，相對于一火鍛即棒料熱剪切直接鍛造成形而言能耗偏大，溫剪切耗能約為150 kW·h/t。

(2)成形工序料段加熱。溫剪后所有料段都從室溫加熱到鍛造溫度，使料段加熱一致性得到控制，保證了最終鍛件品質的一致性；溫度在線檢測，設有溫度報警系統，提高了加熱可靠性。

(3)多工位鍛壓成形與輾擴。鍛壓成形采用多工位壓力機，工序間傳遞采用步進梁或機械手，工模具更換采用模架快速更換技術。優點：可以實現鍛造自動化，減少人為因素影響，生產效率、鍛件品質大大提高；鍛造成形后與擴孔機的連接采用機械手或機器人；擴孔實現數控化，提高了輾擴的尺寸精度和形位公差，減小了鍛件留量，節材，使鍛造加熱、成形、輾擴實現自動化生產。缺點：投資較大，關鍵點是步進梁的可靠性及擴孔機的數控改造。

(4)車加工成形。粗、精車各工序的連線，加工設備實現數字化、智能化。裝備結合裝夾防錯技術、在線漏加工檢測技術、溝位偏移在線檢測技術、視覺系統在線檢測技術，提高了產品質量可靠性，但投資成本相對較高。

2.2 套圈成形新工藝

2.2.1 鋼管制坯

20世紀90年代鋼管制坯工藝逐漸發展起來，主要用于中小型軸承套圈毛坯的制造，目前國、內外已普遍采用。該工藝的優點：鋼管尺寸精度高，可控制外徑尺寸散差<0.25 mm, 圓度<0.1 mm，壁厚差< 0.06×壁厚；由于留量減小，材料利用率提高，成本降低，生產效率提高，適用于大批量生產。缺點是軸承的壽命相對較低。因此，鋼管制坯軸承一般應用于中、低使用要求的場合。目前先進的鋼管制坯工藝路線如圖2所示。

圖2 鋼管制坯成形工藝流程

2.2.2 高速鍛

高速鍛的優點：毛坯尺寸精度高，鍛件質量可靠，生產效率高，每分鐘可加工120套以上，節材、節能，適用于大批量生產，是目前最先進的毛坯制造工藝之一。缺點：不適應小批量多品種生產，毛坯尺寸有一定限制。

2.2.3 冷輾

冷輾工件尺寸精度高(圓度<0.1 mm)，尺寸散差小，節材、節能。冷輾分精輾和粗輾。精輾的優點：毛坯經粗車后直接輾壓為圖紙要求尺寸，只需再車防塵槽，不需其他加工，保證了溝道金屬流線與溝道基本平行；缺點：冷輾后殘余應力較大，熱處理后易變形、脹大。粗輾是將傳統熱鍛毛坯(端面需車削)、高速鍛坯或鋼管割坯(端面需軟磨，去毛刺)在室溫下輾壓得到精密毛坯件，其優點：制造要求不高，輾后通過再結晶退火可消除殘余應力；缺點：輾后還需車加工，延長了工藝流程，增加了生產成本，節材的成本優勢被削弱；輾后車削加工使表面致密層被除去，良好的溝道金屬流線分布可能被破壞。

3 新的成形技術組合方案分析

隨著成形新工藝的不斷涌現，各工序可優勢互補，優化組合，從而形成新的成形技術解決方案。

3.1 傳統成形技術現代化改造方案

傳統成形技術的現代化改造后工藝路線為：長棒料中頻加熱→600 ℃溫剪切料→料段冷卻→料段加熱(1 120 ℃±20 ℃)→多工位自動鍛造壓力機成形→數控輾環機輾擴→冷卻→保護氣氛退火→粗車自動連線(帶在線防錯技術)→精車自動連線(帶在線防錯技術)。

以6308軸承套圈為例，對傳統工藝與現代化改造后各項數據進行對比，見表1。

表1 6308軸承套圈現代化改造前、后的各項數據對比

3.2 高速鍛+冷輾成形組合方案

工藝路線為：長棒料中頻感應加熱→高速鍛造→保護氣氛退火→冷輾→車加工。

高速鍛+冷輾成形組合方案利用高速鍛毛坯尺寸精度高的優點，鍛坯滿足冷(粗)輾要求，通過冷輾，擴大了高速鍛的使用范圍，同時消除了塔鍛擠壓時的環帶，節約材料。保護氣氛等溫退火，表面氧化脫碳減少；碳化物細小均勻，具有硬度優勢，有利于提高冷輾模具的壽命。冷輾后鍛坯尺寸精度更高，為套圈外徑面、端面直接軟磨奠定了基礎，溝道金屬流線分布更加合理。

以63/28軸承(非標)套圈為例，對高速鍛+冷輾組合方案與傳統熱鍛工藝的各項數據進行對比，見表2。

表2 63/28軸承套圈高速鍛+冷輾與傳統熱鍛的各項數據對比

3.3 專用鋼管+冷輾成形組合方案

工藝路線如圖3所示。

圖3 專用鋼管+冷輾成形組合方案的工藝流程

研發的專用冷輾鋼管，利用穿管余熱直接軋制成所需的冷輾管尺寸，然后進行等溫球化退火，硬度為88～92 HRB，完全適合冷輾要求，避免了常規鋼管硬度偏高難于冷輾的問題。倒內角工序主要是去除切割時產生的軸向毛刺，磨雙端面保證了坯料高度的一致性。再結合冷輾技術的優勢，改善了溝道金屬流線，避免了鋼管挖溝金屬流線被切斷的現象，提高了鋼管制坯軸承的使用壽命，并使制造成本大幅下降。

以6312為例，對專用鋼管+冷輾成形技術組合方案與傳統熱鍛工藝的各項數據進行對比，見表3。

表3 6312軸承專用鋼管+冷輾與傳統熱鍛的各項數據對比

3.4 現代化改造+冷輾組合方案

工藝路線為：多工位壓力機鍛造→退火→粗車端面→粗輾→再結晶退火→車加工。

該組合方案適用于外徑小于220 mm的中大型軸承，可以彌補鋼管制坯時的壁厚限制。其工藝特點為：采用多工位壓力機鍛造，自動化程度高，鍛件質量一致性好；保護氣氛退火，氧化脫碳少，球化組織均勻細小，硬度(88～92 HRB)適合冷輾；冷輾設備采用伺服電動機，絲杠進給，加工精度提高；再結晶退火減少了淬火變形；車加工采用自動化數控連線。

以6315軸承套圈為例，對現代化改造+冷輾組合方案與傳統熱鍛工藝的各項數據進行對比，見表4。

表4 6315軸承套圈現代化改造+冷輾與傳統熱鍛的各項數據對比

4 結束語

以試驗為基礎，著重分析磨前軸承套圈成形工藝(包括套圈毛坯制造和車加工)的各種解決方案，這些方案節能、節材、環保并在生產中獲得了實際應用，取得了良好的效果。分析對比各工藝方案可以看出，傳統熱鍛成形技術現代化改造、高速鍛+冷輾、專用鋼管+冷輾以及現代化改造+冷輾等優勢組合方案各有特點，優于傳統熱鍛工藝。由于各工廠條件不同，客戶要求不同，可能會有更多的套圈成形技術組合方案，而實現真正的產業轉型升級，最終目的是提高質量、提高效率和降低成本。