锻造轴承 轴承先进锻造工艺及制造技术

轴承先进锻造工艺及制造技术

我国中小型轴承锻造成形工艺经历了从1980年以前的棒料打孔、单挤、辗扩，发展到现在的自动化、近净成形、高速锻等技术，不断推陈出新，表1为由1980年以前到现今的轴承锻造成形工艺的发展历程。

国内轴承质量与国际先进水平差距

我国轴承行业经过近些年的装备升级、工艺改进、创新提高，轴承质量已得到大幅改善，但行业的整体提升是一个循序渐进的过程，与国际先进水平相比，当前国内轴承质量仍然存在以下差距。

⑴产品质量一致性差。

质量参数离散度大，公差分布正态曲线呈邱峰状而非尖峰状，疲劳寿命散差大。

⑵动态性能差。

振动、噪声和摩擦，同样标准下，合格率较国外低20%～40%，振动、噪声大5～10db。

⑶性能保持性差。

静态、动态检测结果相同，运行的精度保持性差。

⑷寿命可靠性低。

球轴承：寿命指数K（试验寿命与计算寿命之比)，国产K≥6，国外K≥8，对应可靠度R，国内R≥0.96，国外R≥0.98；

滚子轴承：K≥2，R≥0.94，国外同类产品K≥8，R≥0.96。

表1 中小型轴承锻造成形工艺的发展历程

锻造质量对轴承性能影响

锻件质量对轴承性能的影响

⑴锻件网状碳化物、晶粒度、流线：影响轴承疲劳寿命。

⑵锻件裂纹、过热、过烧：严重影响轴承可靠性。

⑶锻件尺寸、几何精度：影响车加工自动化，材料利用率。

⑷生产效率、自动化：影响锻件制造成本，质量一致性。

锻件质量、工艺水平与国外先进企业差距

⑴产品质量分散度大、一致性差。

⑵工艺过程控制不严甚至失控。

⑶自动化程度与生产效率低。

轴承行业中小型轴承锻造存在的问题

⑴由于长期受行业“重冷轻热”思想的影响，锻造行业员工文化水平普遍偏低，再加上工作条件、作业环境恶劣，认为只要有力气就行，没有认识到锻造是特殊过程，其质量优劣对轴承寿命有重大影响。

⑵从事轴承锻造的企业规模普遍偏小，锻造工艺水平良莠不齐，很多中小企业还停留在锻造控形的阶段。

⑶锻造企业普遍对加热方式进行了改进，采用中频感应加热，但仅仅停留在把钢棒只加加热的阶段，没有认识到加热质量的重要性，行业也没有中频感应锻造透热的行业技术规范，存在很大的质量风险。

⑷工艺装备大都采用压机连线，人工操作，人为因素影响很大，质量一致性差，如锻造折叠、尺寸散差、圆角缺料、过热甚至过烧、湿裂等。

⑸由于锻加工工作环境艰苦，年轻人不愿从事，招工难是行业普遍存在的问题，锻造企业更为艰难，对锻造自动化、信息化升级改造形成很大的挑战。

⑹生产效率低下，加工成本高，企业处于低层次的生态圈，生存环境恶化。

锻造转型升级

材料技术转型升级

标准升级，由GB/T 18254-2002升级到GB/T 18254-2016，主要体现在以下几方面。

⑴冶炼工艺：真空冶炼。

⑵增加了微量有害残余元素的控制：从5个增加到12个。

⑶关键指标氧、钛含量、DS夹杂物控制方面接近或达到国际先进水平。

⑷均匀性明显改善：主要成分偏析明显改善控轧控冷工艺应用，控制轧钢温度及冷却方式，实现双细化（奥氏体晶粒、碳化物颗粒细化)，改善碳化物网状级别。

⑸碳化物带状合格率明显提升：控制浇注过热度，增加轧制比，保证高温扩散退火时间。

⑹轴承钢质量一致性提高：实物冶金质量炉次合格率大幅度提升。

锻造自动化转型

⑴高速锻造。自动加热、自动剪切，机械手自动传递，自动成形，自动冲孔、分离，实现快速锻打，最高速度可达180次/min，适用于大批量中小轴承、汽车零部件的锻造，高速锻工艺优势体现在以下几方面。

1)高效。自动化程度高，生产效率高：以哈特贝尔AMP30S高速锻自动生产线（图1)为例：高速锻造平均班产约33000套，操作工3人；同样产品普通垂直锻造班产约8400套，员工10人，人均劳动生产效率提高13倍。

2)优质。锻件加工精度高，车加工余量少，原材料浪费少；锻件内部质量好，流线分布有利于增强冲击韧性和耐磨性，轴承寿命能提高一倍以上。

3)头尾自动甩料，去除棒料探伤盲区、端头毛刺。

4)节能。与常规锻造比节能10%～15%，节约原材料10%～20%，水资源节约95%。

5)安全。整个锻造过程在封闭状态下完成；生产过程易于控制，不容易产生水淬裂纹、混料和过烧现象。

6)环保。无三废，环境整洁、噪声低于80dB；冷却水封闭循环使用，基本实现零排放。

⑵多工位步进梁。采用热模锻设备，在同一台设备上完成压饼、成形、分离、冲孔等工序，工序之间传递采用步进梁，适用于中型轴承锻造，生产节拍10～ 15次/min。

图1 哈特贝尔AMP30S高速锻自动生产线

⑶机器人代替人。根据锻造工序，多台压机连线，压机之间产品传递采用机器人传递，适用于中大型轴承或齿坯锻造，生产节拍4～8次/min。

⑷机械手代替人。改造现有锻造连线，局部工位采用简易机械手代替人，操作简单，投资少，适用于小型企业自动化改造。

中频感应锻造加热技术

⑴中频感应加热设备设计技术要点。

1)加热结束时，料段芯表温差、头尾温差≤30℃(通过计算机模拟)，加热过程温度波动为±25℃。

2)加热应分三个阶段：预热、升温、保温，预热阶段芯表温差≤400℃。

3)被加热过的棒料必须小于100℃方可再次被加热，并且只能再加热一次，需有防错装置。

4)中频加热炉必须配三路分选，与加热系统联动形成闭环。

⑵中频感应加热测温系统技术控制要点。

1)加热温度应在无氧化皮的表面上测量，如技术上有难度，也可以在棒料/料段外径表面测量。

2)对同一点采用红外线双测温，与棒料/料段表面垂直，离炉口10cm。

3)测温仪每秒钟测温≥10次，取两者的最大值作为数据处理或过程控制；两者温差超过温度控制公差，须报警。

4)红外测温仪聚焦点直径应≤2mm，发射率ε=0.9（1000～1200℃)。

5)每天用比对高温计与设备固定双测温高温计进行比对，偏差≤50℃。

6)所有红外测温仪每年必须校正，精度不超过测量范围上下限的±0.5%。

7)温度测量系统稳定性要求：在稳定加热状态下，连续测量30个料段的加热温度，温度应呈正态分布，标准偏差σ≤7℃。

锻造控形控性技术

⑴技术维度。

1)加热质量控制：配置双电源设计，保证预热阶段芯表温差≤400℃；配置双测温仪（加热炉出料口)；进料处配置1套测温仪，防止余温料进入（特别是高速锻)；配置在线混料检测装置；三路分选、超温报警、水温、水压报警为标配。

2)控锻控冷：双“细化”，精确的温度控制，防止锻件过热、过烧；细化晶粒；控制锻后冷却速度，防止出现网状组织，细化组织，提高疲劳寿命。

表2 高速锻+冷辗对产品性能的影响

3)模具技术：计算机仿真模拟设计；真空热处理；表面改性技术。

4)重要零部件：对原材料进行“双探”，超声+漏磁探伤；表面扒皮，去除表面探伤盲区裂纹。

5)特殊零件，设备结构特殊设计：小而薄的零件如汽车凸轮轴上的凸轮片，设计侧向排料系统。

⑵管理维度：人、机、料、法、环、测。

锻件的近净成形技术

⑴高速锻造+冷辗技术，工艺流程见图2。冷辗产品尺寸精度与形位公差按JB/T 11759-2013《冷轧轴承环件机械加工余量及公差》及JB/T 12101-2014《数控冷辗环机》，以3155产品为例，高速锻+冷辗近净成形技术节材17.7%，高速锻+冷辗对产品性能的影响见表2。

⑵数值模拟仿真技术在锻造中的应用。

1)构建齿坯及模具数字化三维几何模型和有限元模型，分析近净成形过程中的金属流动、应变、应力、温度等场量分布状态，为实际生产中的设备选型提高参考。

图2 高速锻造+冷辗技术工艺流程

2)分析齿坯近净成形主要工艺参数：锻造温度、锻造速度、模具预热温度和摩擦系数，得到各工艺参数对齿坯成形过程的影响规律，为实际生产提供技术支持。

3)分析不同工艺方案的成形规律，建立成形工艺参数优化模型，确定最佳成形工艺参数。

4)建立模具结构因素弹塑性有限元模型，分析齿坯成形过程中模具局部应力应变分布状态，研究模具成形载荷和磨损，分析优化模具结构、提高模具寿命。

⑶模具数值模拟仿真技术应用。

1)模具结构优化数值模拟。

2)工艺优化数值模拟。

3)模具结构改善金属流线。

4)齿坯近净成形模具寿命预测。

5)模具磨损数值模拟。

展望

锻造涉及材料种类繁多，锻造过程及模具存在主观和客观方面的复杂性、多样性，在材料技术、自动化技术、加热技术、控形控性技术、近净成形技术方面还有很多提升空间，尤其是近净成形数值模拟技术应用方面，还不是十分广泛，材料数据库中实际应用数据较少，模拟变形数据与实际还有一定差异，需对材料高温变形进行大量试验，以获取高温变形的实际数据，提高模拟仿真的准确性。随着锻造仿真模拟技术的研究，相信近净成形技术一定会广泛应用于少无切削的精密锻造领域。

作者简介

王明舟 ，高级工程师，长期从事金属材料及轴承锻造、热处理加工工艺方面的研究与应用，现任集团副总工程师，技术总监兼省级技术中心主任等职。中国轴承工业协会技术委员会材料专业委员会委员，浙江省轴承工业协会技术联盟平台专家。获专利11项，参与国家标准制定2项，行业标准2项；省部级优秀论文4篇，省部级荣誉3项。

—— 来源：《锻造与冲压》2019年第23期

轴承制造工艺顺序，轴承套圈工艺顺序，轴承加工知识讲解

轴承是当代机械设备中一种重要零部件，它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。按滚动体的形状，滚动轴承分为球轴承和滚子轴承两大类。

虽然滚动轴承类型众多，其结构型式、公差等级、材料选用、加工方法存在差异，但其基本制造过程类似，下面小编简单介绍下轴承零件的加工工艺：

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轴承制造工艺顺序

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（1）轴承零件制造-轴承零件检查-轴承零件退磁、清洗、防锈—轴承装配-轴承成品检查—轴承成品退磁、清洗-轴承成品涂油包装斗成品入库。

（2）套圈是滚动轴承的重要零件，由于滚动轴承的品种繁多，使得不同类型轴承的套圈尺寸、结构、制造使用的设备、工艺方法等各不相同。又由于套圈加工工序多、工艺复杂、加工精度要求高，因此套圈的加工质量对轴承的精度、使用寿命和性能有着重要的影响。

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轴承套圈工艺顺序

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套圈制造的原材料为圆柱形棒料或管料，目前根据成型工艺不同，滚动轴承套圈一般有以下几种制造过程。

（1）棒料：下料-锻造-退火（或正火）-车削（冷压成型）-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配。

（2）棒料、管料：下料-冷辗成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配。

（3）管料：下料-车削成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配

（4）棒料：下料-冷（温）挤压成型-车削-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配

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套圈成型方法

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目前在套圈加工中成型方法主要有以下几种：锻造成型、车削成型、冷辗扩成型和冷（温）挤压成型。

（1）锻造成型通过锻造加工可以消除金属内在缺陷，改善金属组织使金属流线分布合理，金属紧密度好。锻造成型加工工艺广泛应用于轴承成型加工中，常见的锻造成型方法有：热锻加工、冷锻加工、温锻加工。

（2）冲压成型工艺是一种能提高材料利用率，提高金属组织致密性，保持金属流线性的先进工艺方法，它是一种无屑加工方法。采用冲压工艺和锻造成型工艺时，产品的精度除了受设备精度影响外，还要受成型模具精度的影响。

（3）传统的车削成型技术是使用专用车床，采用集中工序法完成成型加工。一些外形复杂、精度要求高的产品正越来越多地采用数控车削成型技术。

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轴承加工油的选用

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轴承配件除在使用热锻工艺时通常都会根据工艺的不同选用适合的金属加工油以提高工件精度和加工效率。

（1）冷锻：多采用冷镦成型油或强缩油来提高工件的精度。

（2）冲压：由于冲压工艺受限于模具的精度，所以选用专用冲压油来延长模具的使用寿命，从而保证工件的精度。

（3）车削：车削工艺的精度主要和切削艺的进给速度、刀具强度有关，选用专用的车床切削油能有效降低切削温度，防止热形变的出现。

以上就是轴承套圈加工工艺的简单介绍，轴承加工正向着金属材料利用率高、生产效率高、成型精度高的方向发展。

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