轴承套圈成形工艺对比分析_王明舟

ISSN1000 － 3762 CN41 － 1148 / TH
轴承 2013 年11 期 Bearing 2013 ， No． 11
18 － 21
工艺与装备
轴承套圈成形工艺对比分析
王明舟， 李亚杰， 左英
（ 浙江五洲新春集团股份有限公司 ， 浙江 新昌 312500 ）
摘要： 简要介绍国内套圈成形技术现状与发展过程 ， 对套圈传统成形工艺现代化改造方案以及钢管制坯 、 高速 锻、 冷辗 3 种成形新工艺进行分析 ， 将这些工艺方案进行优化组合 ， 形成新的套圈成形方案 ， 对比分析了 4 种轴 承套圈成形工艺方案的特点 。 关键词： 滚动轴承； 成形工艺； 制坯； 高速锻； 冷辗； 优化组合 中图分类号： TH133． 33 ； TG316 ； TG376． 3 文献标志码： B 文章编号： 1000 － 3762 （ 2013 ） 11 － 0018 － 04
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毛坯生产以冷挤压为典型工艺代表， 中小型轴承 套圈普遍采用套锻辗扩工艺。90 年代中期以后， 钢管制坯替代冷挤压， 成为小型轴承毛坯的制造 ； 、 主流 退火钢棒切断 打孔， 内、 外圈切割分离工艺 开始运用； 此时的热锻工艺没有大的改变。 进入 21 世纪后， 高速镦锻被广泛采用， 冷辗技术已日趋 成熟， 出现了新的组合工艺， 如高速镦锻 + 热辗、 高速镦锻 + 冷辗 、 钢管制坯 + 冷辗、 热锻 + 冷辗 等。新技术的采用使材料利用率大大提高， 产品 质量也有了长足的进步， 使传统产业更加符合国 家节材、 节能、 环保的发展要求。 1． 2 车加工成形技术的发展 20 世纪 80 年代以前， 车加工普遍采用专用液 自动化程度与生产效率低， 加工成本高。 压车床， 80 年代初到 90 年代中期， 中小型轴承套圈的车加 工发展为以仪表车床（ 俗称小台车 ） 为代表的新型 车加工设备。 仪表车床由于设备简单、 生产率较 高（ 平均单工序班产 5 000 件左右 ） ， 工艺灵活， 既
表2
项目 棒料中频加热能耗 / （ kW·h·t 生产节拍 / （ 套·min － 1 ） 班产量 / 套 人员配置 人均生产率 / （ 套·人
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63 /28 轴承套圈高速锻 + 冷辗与传统热锻的各项数据对比
传统热锻工艺 高速锻 + 冷辗方案 350 （ 一火锻造） 110 42 900 3人 14 300 2 400 342 175 4 200 4 500 5 000 （ 粗辗） 1 人， 连线生产 264 77． 2% 除防尘槽外， 精辗外径面、 沟道、 端面不需车削 车加工成本增加， 生产流程变长 精车加工 相差 18． 7 倍 相差 24 倍 节约 24． 5% 400 （ 一火锻造） 20 8 400 11 人
图2
钢管制坯成形工艺流程
2． 2． 2
高速锻
高速锻的优点： 毛坯尺寸精度高， 锻件质量可 靠， 生产效率高， 每分钟可加工 120 套以上， 节材、 节能， 适用于大批量生产， 是目前最先进的毛坯制 造工艺之一。缺点： 不适应小批量多品种生产， 毛 坯尺寸有一定限制。 2． 2． 3 冷辗 冷辗工件尺寸精度高 （ 圆度 ＜ 0． 1 mm ） ， 尺寸 散差小， 节材、 节能。 冷辗分精辗和粗辗。 精辗的 优点： 毛坯经粗车后直接辗压为图纸要求尺寸， 只 不需其他加工， 保证了沟道金属流 需再车防尘槽， 线与沟道基本平行； 缺点： 冷辗后残余应力较大， 热处理后易变形、 胀大。 粗辗是将传统热锻毛坯 （ 端面需车削 ） 、 高速锻坯或钢管割坯 （ 端面需软 去毛刺 ） 在室温下辗压得到精密毛坯件， 其优 磨， 点： 制造要求不高， 辗后通过再结晶退火可消除残 余应力； 缺点： 辗后还需车加工， 延长了工艺流程， 增加了生产成本， 节材的成本优势被削弱； 辗后车 良好的沟道金属流 削加工使表面致密层被除去， 线分布可能被破坏。
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2013． №． 11 《轴承》 6308 轴承套圈现代化改造前 、 后的各项数据对比
传统工艺 250 （ 850 ℃ 温剪） ， 360 （ 1 120 ℃ 热锻） 842 ± 10 人工生产 压力机连线， 15 次 / min， 班产 6 300 套 11 人 573 260 （ 单层等温退火炉， 无保护气氛） 2 台单机半自动设备 3 000 2人 3 台单机半自动设备 4 200 3人 现代化改造后 150 （ 600 ℃ 温剪） ， 360 （ 1 120 ℃ 热锻） 830 ± 4 多工位压力机， 步进梁自动生产 30 次 / min， 班产 12 600 套 3人 4 200 175 （ 双层节能等温退火炉， 氮气保护） 连线自动生产线 3 300 1人 三台连线， 自动生产线 4 200 1人 备注 二火锻造
王明舟， 等： 轴承套圈成形工艺对比分析
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壁厚差 ＜ 0． 06 × 壁厚； 由于留量减小， 材料利用率 提高， 成本降低， 生产效率提高， 适用于大批量生
图1 套圈传统成形工艺流程
产。缺点是轴承的寿命相对较低。 因此， 钢管制 坯轴承一般应用于中、 低使用要求的场合。 目前 先进的钢管制坯工艺路线如图 2 所示。
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国内传统的轴承套圈成形技术发 展过程
适用于大 批 量 生 产， 也 适 用 于 小 批 量、 多品种加 工， 车加工成本大幅下降， 产品质量基本满足用户 要求， 迅 速 在 浙 江 地 区 发 展 壮 大。 进 入 21 世 纪 后， 由于用工成本上升， 车加工自动化成为行业发 展的必然选择， 随着套圈专用数控车床、 液压车床 成形刀具的突破， 逐步发展为轴承套圈专用多工 序数控车床连线和液压自动连线车床， 从而替代 也为高精密磨前产品的出口奠定了 了仪表车床， 基础。最近几年， 设备防错装置、 在线检测技术、 一人管理多线等已在一些车加工能力强的地区逐 步得到推广应用。 1． 3 冷辗技术的发展 冷辗是将退火后的毛坯在室温下辗扩成形， 半成品精度高， 套圈制造工序的总耗能低， 节材。 辗压后由于改善了滚道的金属流线分布， 并细化 了淬火后晶粒， 能显著提高轴承的使用寿命。 冷 “六五 ” 2001 年 辗技术于国家 期间开始立项研发， 通过国家鉴定。目前， 冷辗技术已基本成熟， 突破 了模具寿 命、 设 备 稳 定 性、 进给精度等一系列难 题， 因而冷辗质量稳定、 可靠。 可辗扩最大外径为 220 mm， 节 材 率 达 到 15% ～ 25% 。 目 前 冷 辗 分 “粗辗 ” 、 “精辗 ” 2 种工艺， 根据不同要求各有特 点。
）
）
764 100 453
投资（ 设备） 成本 / 万元 工艺定额 / （ g·套
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）
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退火能耗 / （ kW·h·t
收稿日期： 2013 － 06 － 09 ； 修回日期： 2013 － 07 － 01
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套圈成形工艺分析
由套圈成形技术的发展过程可以看出， 新工 艺的出现使毛坯质量、 车加工精度和加工效率等 大大提高。 下 面 对 几 种 典 型 的 成 形 工 艺 进 行 分 析。 2． 1 传统成形工艺的现代化改造 套圈典型的传统成形工艺路线如图 1 所示。
按 7 h /班 提高 7 倍多 均为辊棒炉
）
粗车
设备 生产效率 / （ 件·班 － 1 ） 人员配置 设备 生产效率 / （ 件·班 － 1 ） 人员配置
精车
3． 2
高速锻 + 冷辗成形组合方案 工艺路线为： 长棒料中频感应加热 → 高速锻
面氧化脱 碳 减 少； 碳 化 物 细 小 均 匀， 具有硬度优 势， 有利于提高冷辗模具的寿命。 冷辗后锻坯尺 寸精度更高， 为套圈外径面、 端面直接软磨奠定了 基础， 沟道金属流线分布更加合理。 以 63 /28 轴承 （ 非标 ） 套圈为例， 对高速锻 + 冷辗组合方案与传统热锻工艺的各项数据进行对 比， 见表 2 。
套圈成形技术包括热锻、 高速锻、 钢管制坯、 温挤压、 冷辗、 车加工等。 随着技术进步， 成形制 造工艺有了长足的发展。 1． 1 中小型轴承套圈毛坯成形技术的发展 20 世纪 80 年代以前， 小型轴承套圈毛坯成形 切割、 钢板冲压、 热锻等几种 普遍采用钢棒打孔、 工艺 ， 中小型轴承套圈热锻成形以塔形挤压， 外 小型轴承套圈 圈锻辗为主。80 年代到 90 年代初，
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新的成形技术组合方案分析
随着成形新工艺的不断涌现， 各工序可优势 互补， 优化 组 合， 从而形成新的成形技术解决方 案。 3． 1 传统成形技术现代化改造方案 传统成形技术的现代化改造后工艺路线为： 长棒料中频加热 →600 ℃ 温剪切料 → 料段冷却 → 料段加热（ 1 120 ℃ ± 20 ℃ ） → 多工位自动锻造压 力机成形→数控辗环机辗扩 → 冷却 → 保护气氛退 火→粗车自动连线（ 带在线防错技术 ） → 精车自动 连线（ 带在线防错技术） 。 以 6308 轴承套圈为例， 对传统工艺与现代化 改造后各项数据进行对比， 见表 1 。
主要用于中小型轴承套圈毛坯的制造， 目前国、 内 外已普遍采用。该工艺的优点： 钢管尺寸精度高， 可控制外径尺寸散差 ＜ 0． 25 mm，圆度 ＜ 0． 1 mm，
· 20· 表1
项目 锻造加热能耗（ 中频感应加热） / （ kW·h·t － 1 ） 工艺定额（ 重量） / （ g·套 － 1 ） 锻压成形生产工艺 生产节拍 人员配置 人均生产率 / （ 套·人 － 1 ） 退火能耗 / （ kW·h·t
传统成形 工 艺 材 料 利 用 率 低， 成 本 高， 效率 低， 质量 不 稳 定， 可 靠 性 差。 如 下 料 温 度 可 控 性 差， 重量误差大； 压力机连线主要靠人工操作， 人 ， ； 为因素影响大 锻件精度低 车加工没有在线防错 技术， 经常 发 生 漏 加 工； 人 工 质 量 检 验 的 可 靠 性 影响整个磨前产品的质量。 因此， 需要对传统 差， 磨前成形工艺进行现代化改造。 （ 1 ） 棒料加热。剪切下料采用温剪工艺， 剪切 温度为 （ 600 ± 20 ） ℃ 。 优点： 可以提高料段的剪 避免料段端面变形、 毛刺、 马蹄形的产生； 切质量， 保证镦饼后料饼流线的对称性， 从而提高套圈锻 造流线的对称性； 同时也可避免因料段毛刺压入 相对于一 而产生的裂纹。缺点： 设备剪切力较大， 火锻即棒料热剪切直接锻造成形而言能耗偏大， 温剪切耗能约为 150 kW·h / t。 （ 2 ） 成形工序料段加热。 温剪后所有料段都 从室温加热到锻造温度， 使料段加热一致性得到 控制， 保证了最终锻件品质的一致性； 温度在线检 测， 设有温度报警系统， 提高了加热可靠性。 （ 3 ） 多工位锻压成形与辗扩。 锻压成形采用 多工位压力机， 工序间传递采用步进梁或机械手， 工模具更换采用模架快速更换技术。 优点： 可以 实现锻造自动化， 减少人为因素影响， 生产效率、 锻件品质大大提高； 锻造成形后与扩孔机的连接 采用机械手或机器人； 扩孔实现数控化， 提高了辗 扩的尺寸 精 度 和 形 位 公 差， 减 小 了 锻 件 留 量， 节 材， 使锻造加热、 成形、 辗扩实现自动化生产。 缺 点： 投资较大， 关键点是步进梁的可靠性及扩孔机 的数控改造。 （ 4 ） 车加工成形。 粗、 精车各工序的连线， 加 、 。 工设备实现数字化 智能化 装备结合装夹防错 技术、 在线漏加工检测技术、 沟位偏移在线检测技 术、 视觉系统在线检测技术， 提高了产品质量可靠 性， 但投资成本相对较高。 2． 2 套圈成形新工艺 2． 2． 1 钢管制坯 20 世纪 90 年代钢管制坯工艺逐渐发展起来，
备注 均为一火加热， 高速锻更节能 相差 5． 5 倍 热锻为 7 h / 班， 高速锻为 6． 5 h / 班
造→保护气氛退火→冷辗→车加工。 高速锻 + 冷辗成形组合方案利用高速锻毛坯 尺寸精度高的优点， 锻坯满足冷（ 粗 ） 辗要求， 通过 冷辗， 扩大了高速锻的使用范围， 同时消除了塔锻 挤压时的环带， 节约材料。 保护气氛等温退火， 表