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輾環(huán)機軸承環(huán)軋制成形理論和技術(shù)
時(shí)間:2020-06-27      來(lái)源:大橋軸承

概述
      軸承是機械基礎零件,廣泛用于機械、汽車(chē)、火車(chē)、船舶、飛機等工業(yè)領(lǐng)域,軸承的制造技術(shù)水平在一定程度上反映了一個(gè)國家制造業(yè)的技術(shù)水平和競爭能力。軸承由軸承環(huán)、滾動(dòng)體、保持架等組件組成,軸承環(huán)是軸承中尺寸、重量和制造成本最大的組件,直接決定了軸承的性能和壽命。2012年我國滾動(dòng)軸承產(chǎn)量 180 億套,軸承環(huán) 360 億件,是世界第一大軸承生產(chǎn)國。我國軸承產(chǎn)量巨大,但主要生產(chǎn)中低端產(chǎn)品。關(guān)于高鐵軸承、高速機床主軸承、航空主軸承等高端軸承的開(kāi)發(fā)能力十分薄弱,甚至是空白。為了提升我國軸承自主開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新能力,迫切需要研究開(kāi)發(fā)軸承組件先進(jìn)制造技術(shù)。
       國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973 計劃)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃)、國家自然科學(xué)基金計劃分別月 2014 年 8 月 華 林等:軸承環(huán)軋制成形理論和技術(shù) 71針對軸承制造基礎理論和先進(jìn)技術(shù)立項開(kāi)展了研究探索。軸承品種規格眾多,微型軸承環(huán)直徑為 2~3mm,超大型風(fēng)電軸承環(huán)直徑為 4 000~5 000 mm。
軸承環(huán)傳統的加工工藝主要為熱鍛制坯和切削加工,不僅加工余量大、工時(shí)長(cháng)、材料利用率低,而且金屬流線(xiàn)被切斷,嚴重損害了軸承產(chǎn)品的組織和性能,以致不能生產(chǎn)高端軸承。軸承環(huán)軋制(簡(jiǎn)稱(chēng)輾環(huán))成形是一種連續局部塑性成形技術(shù),是國際高性能軸承環(huán)制造技術(shù)發(fā)展方向。
       軸承環(huán)軋制成形分為徑向軋制和徑軸向軋制兩種,技術(shù)原理如下圖所示,它利用軋輥的旋轉驅動(dòng)和直線(xiàn)進(jìn)給作用使環(huán)件毛坯連續咬入軋制孔型,產(chǎn)生壁厚減薄、直徑增大、截面輪廓成形的連續局部塑性變形,進(jìn)而直接獲得復雜截面輪廓形狀軸承環(huán)產(chǎn)品的塑性成形新技術(shù)。它具有省力、節能、節材、效率高、成本低、產(chǎn)品性能好等顯著(zhù)特點(diǎn),SKF、FAG、NSK、KOYO、TIMKEN 等國際著(zhù)名軸承公司廣泛使用軋環(huán)成形技術(shù)特別是室溫冷軋環(huán)技術(shù)制造高性能軸承環(huán)組件。本文簡(jiǎn)要闡述軸承輾環(huán)機軋制成形理論、工藝、裝備等研究進(jìn)展和生產(chǎn)應用。


輾環(huán)機原理
1 環(huán)件軋制成形理論
       軋環(huán)始于 19 世紀火車(chē)輪箍的制造 ,當時(shí)采用軋制鋼質(zhì)輪箍取代鑄鐵輪箍,以滿(mǎn)足火車(chē)提速要求。軋環(huán)理論研究始于 20 世紀 60 年代,JOHNSON等[7-9]針對環(huán)件軋制理論進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng )性研究,通過(guò)軋制試驗和解析計算,研究了環(huán)件徑向軋制中的塑性鉸位置、壓力分布以及軋制力計算方法,從塑性力學(xué)的角度初步揭示了軋環(huán)變形的基本規律。20 世紀80 年代以來(lái),有限元數值模擬的快速發(fā)展,軋環(huán)過(guò)程塑性變形數值分析得到了許多學(xué)者的重視 。但是,軋環(huán)變形過(guò)程穩定實(shí)現、軋環(huán)技術(shù)參數設計控制等關(guān)鍵問(wèn)題還需要解決。參見(jiàn)圖 1 徑向軋環(huán),驅動(dòng)輥作旋轉軋制運動(dòng),壓力輥作直線(xiàn)進(jìn)給運動(dòng)和旋轉軋制運動(dòng),導向輥作旋轉與跟隨導向運動(dòng),環(huán)件毛坯(簡(jiǎn)稱(chēng)環(huán)坯)在驅動(dòng)輥、壓力輥和導向輥共同作用下反復通過(guò)驅動(dòng)輥與壓力輥構成的軋制孔型,產(chǎn)生壁厚減小、直徑擴大的軋環(huán)變形,直至達到規定的徑向尺寸和截面輪廓時(shí)軋環(huán)變形結束。軋環(huán)變形中,驅動(dòng)輥旋轉軋制運動(dòng)由電動(dòng)機驅動(dòng);壓力輥直線(xiàn)進(jìn)給運動(dòng)由液壓缸驅動(dòng),壓力輥的旋轉軋制運動(dòng)無(wú)動(dòng)力驅動(dòng),它由環(huán)坯與壓力輥接觸面之間的摩擦力驅動(dòng)作旋轉軋制運動(dòng),因而壓力輥又稱(chēng)為從動(dòng)輥或芯輥;導向輥無(wú)動(dòng)力驅動(dòng),它由環(huán)坯與其接觸面的摩擦驅動(dòng)作旋轉導向運動(dòng)。由此可知,徑向軋環(huán)是在多輥多運動(dòng)作用下的復雜運動(dòng)和變形。圖 2的徑軸向軋環(huán)是在徑向軋環(huán)基礎上增加了一對軸向軋制錐輥,軸向錐輥同時(shí)作旋轉軋制運動(dòng)、軸向直線(xiàn)進(jìn)給運動(dòng)和隨環(huán)件直徑擴大的徑向跟隨運動(dòng),進(jìn)而實(shí)現環(huán)件的軸向變形和端面成形。從圖 1 和圖 2所示的軋環(huán)原理可知,無(wú)論是徑向軋環(huán)還是軸向軋環(huán),它們都具有如下共同特點(diǎn):

① 驅動(dòng)輥作主動(dòng)旋轉軋制運動(dòng),壓力輥作從動(dòng)旋轉軋制運動(dòng),且兩者的軋制轉速是不同的,具有異步軋制變形性質(zhì);
②驅動(dòng)輥直徑大,壓力輥直徑小,具有非對稱(chēng)軋制變形性質(zhì);
③ 軋環(huán)過(guò)程中隨著(zhù)壓力輥的直線(xiàn)進(jìn)給運動(dòng),驅動(dòng)輥與壓力輥構成的軋制孔型逐漸變化,環(huán)件反復通過(guò)不斷變化的軋制孔型進(jìn)行多轉軋環(huán)變形,具有多道次軋制變形性質(zhì)。

因此軋環(huán)變形是多種軋制變形的復合,成形規律十分復雜。軋環(huán)過(guò)程中經(jīng)常出現如下異?,F象:
① 環(huán)件不轉動(dòng),亦即環(huán)件不能咬入孔型;
② 環(huán)件轉動(dòng)但不產(chǎn)生直徑擴大變形;
③ 環(huán)件被導向輥壓扁,亦即環(huán)件整體剛度失穩;
④ 環(huán)件和軋輥產(chǎn)生強烈自激振動(dòng),壓力輥跳離環(huán)件,甚至導致軋環(huán)機主軸和壓力輥折斷。任一上述現象出現將會(huì )使軋環(huán)過(guò)程中斷,導致軋環(huán)廢品。為了實(shí)現軋環(huán)成形,環(huán)件必須連續咬入軋制孔型產(chǎn)生穩定的旋轉軋制運動(dòng);在環(huán)件旋轉軋制運動(dòng)的同時(shí),驅動(dòng)輥與壓力輥共同作用產(chǎn)生的塑性變形區應穿透環(huán)件的壁厚,進(jìn)而實(shí)現環(huán)件壁厚整體變薄、直徑整體擴大,亦即實(shí)現軋環(huán)成形;在軋環(huán)過(guò)程中,環(huán)件還要具有足夠剛度,保持整體圓環(huán)形狀。針對軋環(huán)的性質(zhì)特點(diǎn)和異?,F象,國內學(xué)者開(kāi)展了深入的理論和試驗研究,提出了軋環(huán)的咬入孔型條件、塑性鍛透條件、剛性穩定條件和運動(dòng)穩定性條件,揭示了軋環(huán)力能作用規律,初步建立了軋環(huán)成形理論框架

2 環(huán)件軋制成形技術(shù)設計
      環(huán)件軋制成形技術(shù)設計的依據是環(huán)件軋制成形理論,也就是說(shuō)在滿(mǎn)足軋環(huán)條件和力能參數的前提下,合理設計與選擇的軋環(huán)工藝參數、環(huán)坯和軋環(huán)孔型。其關(guān)鍵技術(shù)設計如下所述。

2.1 軋輥直徑
2.2 軋制環(huán)件壁厚
2.3 軋制變形量
2.4 軋制進(jìn)給速度
2.5 軋制進(jìn)給規程
      環(huán)件軋制過(guò)程從環(huán)件咬入孔型開(kāi)始,經(jīng)過(guò)穩定軋制變形,再到定徑整形結束軋制,整個(gè)過(guò)程中幾何形狀尺寸和軋制過(guò)程參數都是不斷變化的,是一個(gè)多運動(dòng)耦合的復雜動(dòng)態(tài)過(guò)程。要獲得合格的軋制
環(huán)件產(chǎn)品,除了合理設計軋輥孔型、環(huán)件毛坯和軋環(huán)各工藝參數外,還要合理規劃軋制進(jìn)給規程,才能實(shí)現環(huán)件順利咬入孔型、穩定軋制變形和精確成形。

3 軸承環(huán)軋制成形技術(shù)應用
      20 世紀 80 年代以來(lái),武漢理工大學(xué)聯(lián)合浙江天馬軸承股份有限公司、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等,經(jīng)過(guò)深入系統的環(huán)件軋制理論和應用研究,開(kāi)發(fā)了包括軸承環(huán)在內的各種環(huán)
類(lèi)零件室溫冷軋成形技術(shù)和高溫熱軋成形技術(shù)。此外,與浙江五洲新春集團有限公司、張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司等合作,研究開(kāi)發(fā)了數控精密冷軋環(huán)機、數控精密熱軋環(huán)機和軋環(huán)過(guò)程在線(xiàn)測控系統,實(shí)現了中小型軸承環(huán)精密冷軋成形批量生產(chǎn)和超大型軸承環(huán)精密熱軋成形批量生產(chǎn)。相關(guān)環(huán)件軋制理論和技術(shù)研究成果獲得了 2011 年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎。
3.1 高性能軸承環(huán)精密冷軋成形技術(shù)
      GCr15 軸承鋼含碳量為 1.0%,屬于高碳鋼,塑性差,變形抗力大,難以冷軋環(huán)成形。GCr15 軸承鋼室溫冷軋成形是國際高性能軸承環(huán)先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展方向,我國經(jīng)過(guò)深入研究開(kāi)發(fā),發(fā)明了球軸承環(huán)精密冷軋成形方法和滾子軸承環(huán)冷軋成形方法,攻克了 GCr15 軸承鋼室溫冷軋高塑性預處理、長(cháng)壽命軋輥孔型設計制造、精密冷軋環(huán)過(guò)程控制等關(guān)鍵技術(shù),突破了高碳軸承鋼冷軋成形的技術(shù)禁區。精密冷軋直接成形軸承滾道,精度為 6~7 級,高出國際先進(jìn)水平 1~2 級。精密冷軋軸承環(huán),節省了大量切削加工,節材 15%~20%,滾道內部組織細密,金屬流線(xiàn)分布合理,顯著(zhù)提高軸承壽命。此外,自主研發(fā)了新型數控精密冷軋環(huán)機,創(chuàng )新性地研究設計了伺服電動(dòng)機-減速器-強力滾珠絲杠機構,取代液壓伺服系統作為冷軋環(huán)機主傳力進(jìn)給系統,解決了爬行和零飄問(wèn)題,保持了機電伺服進(jìn)給系統精密進(jìn)給優(yōu)點(diǎn),實(shí)現了 50 t 重載塑性變形條件下的軸承環(huán)冷軋精密進(jìn)給,進(jìn)給精度達到 0.005 mm,加工精度達到φ 100 mm±0.05 mm,高于德國和日本同類(lèi)型精密冷軋環(huán)機加工精度φ 100 mm±0.1 mm。應用精密冷軋技術(shù)和裝備批量生產(chǎn)的軸承環(huán)不僅替代進(jìn)口,還大量出口瑞典 SKF、德國 FAG、日本 NSK、美國 TIMKEN 等國際著(zhù)名軸承公司,實(shí)現了軸承環(huán)制造從熱鍛低性能粗坯到冷軋高性能精坯的重大技術(shù)突破。精密冷軋成形的典型軸承環(huán)如下圖 所示。

3.2 超大型環(huán)件精密熱軋成形技術(shù)
超大型環(huán)件是指直徑 5 m 以上的風(fēng)電軸承環(huán)件、石油化工容器環(huán)件、核電反應堆環(huán)件、武器裝備環(huán)件等超大型無(wú)縫環(huán)件,是關(guān)系到國家重大裝備和國防安全的關(guān)鍵零件。我國經(jīng)過(guò)深入研究開(kāi)發(fā),發(fā)明了超大型復雜無(wú)縫環(huán)件精密熱軋成形方法,攻克了徑軸向軋環(huán)工藝規劃、軋環(huán)運動(dòng)協(xié)調與變形匹配技術(shù),研制了超大型復雜環(huán)件精密熱軋生產(chǎn)線(xiàn)。精密熱軋成形了直徑 9 m 的無(wú)縫環(huán)件(圖 4),圓度圖 3 典型精密冷軋軸承環(huán)為 8 mm,圓度誤差小于國際 0.1%的先進(jìn)水平。該技術(shù)打破了國際封鎖,實(shí)現了超大型復雜無(wú)縫環(huán)件熱軋成形批量生產(chǎn),解決了我國重大裝備和國防建設急需的超大型復雜無(wú)縫環(huán)件的制造難題。熱軋超大型環(huán)件還出口美國 GE、丹麥 VESTAS 等國際著(zhù)名公司,使我國成為具有先進(jìn)水平的國際大型復雜無(wú)縫環(huán)件重要生產(chǎn)基地。

4 軸承環(huán)軋制理論和技術(shù)發(fā)展趨勢
軸承作為關(guān)鍵基礎零件,直接影響到裝備的工作性能和壽命。高性能長(cháng)壽命軸承是裝備發(fā)展的必然要求,也是軸承技術(shù)的發(fā)展方向。軸承環(huán)作為軸承的本體組件,其軋制成形理論和技術(shù)發(fā)展趨勢有如下特點(diǎn)。
4.1 軸承環(huán)軋制成形理論
軸承環(huán)軋制成形理論研究將從軋制變形條件等宏觀(guān)層面延伸至組織演化等微觀(guān)層面,針對軸承環(huán)軋制控形控性科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題,開(kāi)展基體組織和表面狀態(tài)軋制過(guò)程演化機理和控制方法基礎研究,為軸承環(huán)軋制成形成性一體化提供理論支撐。
4.2 軸承環(huán)軋制成形技術(shù)
4.2.1 大規格軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)
國內外生產(chǎn)實(shí)踐充分表明,軸承環(huán)冷軋成形可以獲得細密的晶粒組織和合理分布的金屬流線(xiàn),是高性能軸承環(huán)不可替代的成形制造技術(shù)。然而,由于高碳鉻軸承鋼 GCr15 塑性差、變形抗力大,目前冷軋成形的軸承環(huán)尺寸規格限于直徑 220 mm 以下,還不能冷軋成形更大規格的軸承環(huán)。鑒此,近期需要研究開(kāi)發(fā)直徑 300~500 mm 的大規格軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)與裝備,以擴大軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)應用范圍,實(shí)現大規格軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)生產(chǎn)。
4.2.2 軸承環(huán)熱軋成形控制技術(shù)
      目前直徑 200 mm 以上的軸承環(huán)普遍采用熱軋成形生產(chǎn),毛坯加熱溫度波動(dòng)大,始軋溫度與終軋溫度波動(dòng)大,軸承環(huán)熱軋成形一致性差,軸承環(huán)熱軋成形后自然隨機冷卻,以致熱軋成形的軸承環(huán)組織狀態(tài)和性能離散度大,難以滿(mǎn)足高性能軸承環(huán)組織質(zhì)量要求。這種軸承環(huán)熱軋成形狀況,也是我國許多軸承企業(yè)不能制造高性能軸承的重要原因。因此迫切需要研究開(kāi)發(fā)軸承環(huán)熱軋成形控制技術(shù),通過(guò)加熱、軋制變形和軋后冷卻過(guò)程控制,實(shí)現軸承環(huán)熱軋成形組織狀態(tài)和力學(xué)性能控制,保證熱軋軸承環(huán)組織性能一致性。
 
5 未來(lái)展望
      在國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃)項目、國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃(973 計劃)項目以及企業(yè)科技攻關(guān)項目等支持下,我國經(jīng)過(guò) 20 多年的產(chǎn)學(xué)研合作研究,建立了環(huán)件軋制理論和技術(shù)設計方法,發(fā)明了高性能軸承環(huán)精密冷軋成形技術(shù)和超大型復雜環(huán)件精密熱軋成形技術(shù),開(kāi)發(fā)了數控精密冷、熱軋環(huán)裝備,實(shí)現了高碳鉻軸承鋼冷軋環(huán)成形批量生產(chǎn)和超大型復雜環(huán)件熱軋成形批量生產(chǎn)。冷軋成形的高性能軸承環(huán)不僅在我國得到廣泛應用,還大量出口瑞典 SKF、德國FAG、日本 NSK、美國 TIMKEN 等國際著(zhù)名軸承公司。熱軋成形的超大型無(wú)縫環(huán)件直徑達到 9 m,打破了國際技術(shù)封鎖,有力促進(jìn)了我國重大裝備和國防建設。通過(guò)環(huán)類(lèi)零件軋制成形理論和技術(shù)研究及應用,有力促進(jìn)了我國環(huán)類(lèi)零件精密軋制成形技術(shù)與裝備自主創(chuàng )新和發(fā)展。

2020-06-27
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