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)

1 国内传统的轴承套圈成形技术发展过程

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普遍采用钢棒打孔、切割、钢板冲压、热锻等几种工艺[1]，中小型轴承套圈热锻成形以塔形挤压，外圈锻辗为主。80年代到90年代初，小型轴承套圈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压车床，自动化程度与生产效率低，加工成本高。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，从而替代了仪表车床，也为高精密磨前产品的出口奠定了基础。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。冷辗技术于国家“六五”期间开始立项研发，2001年通过国家鉴定。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。

2 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。

图1 套圈传统成形工艺流程

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差，影响整个磨前产品的质量。因此，需要对传统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：可以提高料段的剪切质量，避免料段端面变形、毛刺、马蹄形的产生；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而产生的裂纹。缺点：设备剪切力较大，相对于一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，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，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。

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，只需再车防尘槽，不需其他加工，保证了沟道金属流线与沟道基本平行；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(端面需软磨，去毛刺)在室温下辗压得到精密毛坯件，其优点：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；辗后车削加工使表面致密层被除去，良好的沟道金属流线分布可能被破坏。

3 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。

表1 6308轴承套圈现代化改造前、后的各项数据对比

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。

表2 63/28轴承套圈高速锻+冷辗与传统热锻的各项数据对比

3.3 专用钢管+冷辗成形组合方案

工艺路线如图3所示。

图3 专用钢管+冷辗成形组合方案的工艺流程

研发的专用冷辗钢管，利用穿管余热直接轧制成所需的冷辗管尺寸，然后进行等温球化退火，硬度为88～92 HRB，完全适合冷辗要求，避免了常规钢管硬度偏高难于冷辗的问题。倒内角工序主要是去除切割时产生的轴向毛刺，磨双端面保证了坯料高度的一致性。再结合冷辗技术的优势，改善了沟道金属流线，避免了钢管挖沟金属流线被切断的现象，提高了钢管制坯轴承的使用寿命，并使制造成本大幅下降。

以6312为例，对专用钢管+冷辗成形技术组合方案与传统热锻工艺的各项数据进行对比，见表3。

表3 6312轴承专用钢管+冷辗与传统热锻的各项数据对比

3.4 现代化改造+冷辗组合方案

工艺路线为：多工位压力机锻造→退火→粗车端面→粗辗→再结晶退火→车加工。

该组合方案适用于外径小于220 mm的中大型轴承，可以弥补钢管制坯时的壁厚限制。其工艺特点为：采用多工位压力机锻造，自动化程度高，锻件质量一致性好；保护气氛退火，氧化脱碳少，球化组织均匀细小，硬度(88～92 HRB)适合冷辗；冷辗设备采用伺服电动机，丝杠进给，加工精度提高；再结晶退火减少了淬火变形；车加工采用自动化数控连线。

以6315轴承套圈为例，对现代化改造+冷辗组合方案与传统热锻工艺的各项数据进行对比，见表4。

表4 6315轴承套圈现代化改造+冷辗与传统热锻的各项数据对比

4 结束语

以试验为基础，着重分析磨前轴承套圈成形工艺(包括套圈毛坯制造和车加工)的各种解决方案，这些方案节能、节材、环保并在生产中获得了实际应用，取得了良好的效果。分析对比各工艺方案可以看出，传统热锻成形技术现代化改造、高速锻+冷辗、专用钢管+冷辗以及现代化改造+冷辗等优势组合方案各有特点，优于传统热锻工艺。由于各工厂条件不同，客户要求不同，可能会有更多的套圈成形技术组合方案，而实现真正的产业转型升级，最终目的是提高质量、提高效率和降低成本。