第1代輪轂軸承外圈冷輾擴(kuò)工藝設(shè)計(jì)

劉梅華，廖春惠，利義旭

(廣東省韶鑄集團(tuán)有限公司，廣東 韶關(guān) 512031)

第1代輪轂軸承為外圈整體式雙列軸承[1]，外圈具有寬度寬、兩端壁薄、中間壁厚、內(nèi)孔尺寸大、軸向?qū)ΨQ(chēng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。采用高速鐓鍛機(jī)直接鍛造第1代輪轂軸承外圈，鍛造難度大，鍛件內(nèi)孔留量大，料芯(廢料)大，材料利用率低。

采用“高速鐓鍛+冷輾擴(kuò)”組合工藝[2-3]，利用高速鐓鍛機(jī)首先鍛造出非對(duì)稱(chēng)的高速鐓鍛件，再通過(guò)冷輾擴(kuò)設(shè)備，輾擴(kuò)出與輪轂軸承外圈形狀接近的輾擴(kuò)件。該工藝方法的鍛件料芯小，材料利用率高；輾擴(kuò)后產(chǎn)品的寬度、形位公差一致性好，加工余量??；同時(shí)鍛件材料的晶粒組織更加致密，溝道處金屬流線(xiàn)合理，后序加工金屬流線(xiàn)斷頭少，提高了產(chǎn)品的抗疲勞強(qiáng)度。

1 外圈冷輾擴(kuò)工藝設(shè)計(jì)

1.1 冷輾擴(kuò)圖

工件材料為GCr15鋼，根據(jù)零件圖依照冷輾擴(kuò)成形規(guī)律，在保證質(zhì)量穩(wěn)定、盡量減少后續(xù)加工余量的原則下，設(shè)計(jì)冷輾擴(kuò)件如圖1所示。冷輾擴(kuò)件形狀基本由零件形狀確定。鍛件端面脫模角為7°，鍛件最小單邊余量為0.45～0.85 mm，溝道處采用25°角將內(nèi)孔大小直徑連接。冷輾擴(kuò)件尺寸精度高，表面質(zhì)量好，整徑后外徑尺寸公差小于±0.1 mm，圓度小于0.1 mm。

圖1 冷輾擴(kuò)套圈圖

1.2 輾擴(kuò)比

輾擴(kuò)比K是輾壓前毛坯壁厚與輾壓后工件壁厚之比，為方便計(jì)算，實(shí)際設(shè)計(jì)中按冷輾擴(kuò)件內(nèi)徑與毛坯內(nèi)徑之比計(jì)算,即

K=dn/dm，

式中：dn為冷輾擴(kuò)件內(nèi)徑；dm為毛坯內(nèi)徑。

對(duì)于第1代輪轂軸承外圈，一般選用較大的輾擴(kuò)比，這是因?yàn)椋?1)外圈截面變化較大，需要較大輾擴(kuò)比和較長(zhǎng)輾擴(kuò)時(shí)間來(lái)保證輾擴(kuò)件最終的形位公差；(2)外圈的內(nèi)孔比較大，選用較大的輾擴(kuò)比可減少材料消耗。一般輾擴(kuò)比取值范圍為1.4～1.7，本例中選用的最大輾擴(kuò)比為1.64。

1.3 冷輾擴(kuò)毛坯的設(shè)計(jì)

(1)毛坯內(nèi)徑dm的確定。根據(jù)冷輾擴(kuò)件的內(nèi)徑尺寸(圖1)及選定的輾擴(kuò)比，計(jì)算出毛坯的內(nèi)徑dm=dn/K。

(2)毛坯寬度Bm的確定。由于第1代輪轂軸承外圈兩端壁薄，且輾擴(kuò)時(shí)溝道成形方向與芯輥運(yùn)動(dòng)方向相同，在溝道成形過(guò)程中材料易向端面流動(dòng)，輾擴(kuò)件的寬度會(huì)增加。因此，毛坯寬度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，過(guò)寬時(shí)端面易出現(xiàn)毛刺；過(guò)窄則易造成輾擴(kuò)件變形，使其端面不平，垂直度超差。

設(shè)計(jì)毛坯寬度Bm=Bn-Δ，其中，Bn為冷輾擴(kuò)件寬度(圖1)，Δ=1.2～1.8 mm。Δ的取值與輾擴(kuò)比、輾擴(kuò)件寬度有關(guān)，輾擴(kuò)比大和(或)輾擴(kuò)件較寬時(shí)取較大值，反之則取較小值 。

(3)冷輾擴(kuò)毛坯圖。依據(jù)冷輾擴(kuò)前后鍛件體積(質(zhì)量)不變及鍛件對(duì)應(yīng)截面積近似不變的原理，計(jì)算鍛件的外徑尺寸。設(shè)計(jì)的冷輾擴(kuò)毛坯尺寸如圖2所示。

圖2 冷輾擴(kuò)毛坯圖

設(shè)計(jì)的冷輾擴(kuò)毛坯形狀(非對(duì)稱(chēng)式結(jié)構(gòu))適合高速鐓鍛設(shè)備生產(chǎn)，成形難度小，模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；可以使沖孔一側(cè)毛坯的內(nèi)孔直徑減小，沖掉的料芯減小，鍛件材料利用率提高。如果冷輾擴(kuò)毛坯設(shè)計(jì)成與輾擴(kuò)件相似的內(nèi)孔臺(tái)階形狀，高速鐓鍛機(jī)加工時(shí)需要兩端成形，鍛造難度大，且模具結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。

1.4 冷輾擴(kuò)毛坯鍛造工藝

根據(jù)GCr15鋼的熱收縮量計(jì)算終鍛成形毛坯的熱態(tài)尺寸，再根據(jù)高速鐓鍛機(jī)的工作特點(diǎn)確定冷輾擴(kuò)毛坯的鍛造成形工藝，如圖3所示。通過(guò)中頻加熱爐加熱，在高速鐓鍛機(jī)上同步進(jìn)行下料、鐓粗、成形、沖孔，生產(chǎn)效率高、毛坯質(zhì)量較高且節(jié)能、節(jié)材。

(a)下料 (b)鐓粗 (c)成形 (d)沖孔

1.5 冷輾擴(kuò)模具的設(shè)計(jì)

冷輾模具設(shè)計(jì)是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。輾擴(kuò)時(shí)，工件通過(guò)導(dǎo)料槽進(jìn)入輾輪型槽，芯輥穿過(guò)工件內(nèi)孔進(jìn)行輾擴(kuò)。輾擴(kuò)中模具和被輾擴(kuò)工件同時(shí)旋轉(zhuǎn)，模具對(duì)鍛件進(jìn)行連續(xù)的局部擠壓變形。

設(shè)計(jì)的輾輪型面如圖4所示。輾輪型槽深度H應(yīng)與鍛件的壁厚a(圖1)一致或更深一些，以避免冷輾擴(kuò)件端面產(chǎn)生毛刺。由于外圈兩端壁厚較薄，輾擴(kuò)時(shí)材料易向鍛件兩端流動(dòng)形成毛刺，因此脫模角α要選大一些，脫模角越大，越容易控制毛刺的產(chǎn)生，且模具不易粘料，脫模角可選為5°～9°。

圖4 輾輪型面

型槽寬度的選擇應(yīng)考慮冷輾擴(kuò)件的最小高度、脫模回彈量及模具的彈性變形，

B=Bns-ΔB-ΔB′，

式中：B為輾輪槽寬最小值；Bns為冷輾擴(kuò)件最小寬度；ΔB為脫模回彈量，一般為0.02～0.05 mm。ΔB′為模具的彈性變形，一般為0.02 mm。

設(shè)計(jì)的芯輥型面如圖5所示。由于輾輪型槽較深，可以完全包容輾擴(kuò)件端面，因此芯輥型面兩端設(shè)計(jì)成不帶限制擋邊，型面部位與輾擴(kuò)件內(nèi)孔形狀和尺寸一致。一般芯輥直徑A比冷輾擴(kuò)毛坯內(nèi)孔dm小2～3 mm，芯輥能順利穿過(guò)冷輾擴(kuò)毛坯的內(nèi)孔；芯輥型面長(zhǎng)度L比冷輾擴(kuò)件Bn小1～2 mm；支承直徑B比A小1～2 mm。該設(shè)計(jì)考慮了芯輥的強(qiáng)度，可避免冷輾擴(kuò)件端面產(chǎn)生毛刺，且可使多余的材料流向輾輪擋邊與芯輥型面臺(tái)階間隙位置。

圖5 芯輥型面

2 冷輾擴(kuò)毛坯的預(yù)處理

冷輾擴(kuò)毛坯依GCr15鍛件進(jìn)行退火處理，毛坯硬度為85～90 HRB；毛坯表面進(jìn)行拋丸處理，去氧化皮；進(jìn)行雙端面磨削保證毛坯的寬度一致性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用非對(duì)稱(chēng)的高速鐓鍛件，并對(duì)冷輾擴(kuò)模具進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，冷輾擴(kuò)加工出的第1代輪轂軸承外圈(復(fù)雜截面且對(duì)稱(chēng))冷輾擴(kuò)件，較好地保證了雙列軸承外圈所需要的形狀，降低了材料消耗。目前，已開(kāi)發(fā)并形成批量生產(chǎn)的第1代輪轂軸承外圈冷輾擴(kuò)件有二十多個(gè)型號(hào)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。