汽车用深沟球轴承套圈冷辗扩工艺设计

刘梅华，利义旭，杨耀祥

(广东省韶铸集团有限公司，广东韶关 512031)



汽车用深沟球轴承套圈冷辗扩工艺设计

刘梅华，利义旭，杨耀祥

(广东省韶铸集团有限公司，广东韶关 512031)

摘要：阐述了汽车用深沟球轴承套圈冷辗扩工艺的辗扩图、毛坯图、辗扩模具的设计，对设计过程中遇到的问题进行分析和总结，逐步完善了深沟球轴承套圈冷辗扩件的锻造工艺及冷辗扩工艺。

关键词：深沟球轴承套圈；高速镦锻件；冷辗扩工艺

0引言

汽车轴承号称“汽车产业的关节”，需要转动的部件都离不开轴承，例如汽车发动机、变速器、轮毂等。虽然只是一个小零件，但它是汽车传动的基础，更是关系到整车的可靠性、安全性和舒适性，其作用巨大。一般汽车轴承在高转速、高温的状况下运转，所以要求轴承套圈抗疲劳、耐磨损、寿命长。

某公司采用“高速锻造+冷辗扩”组合工艺生产深沟球轴承套圈锻件，在高速镦锻机上锻出内外径尺寸小的高速镦锻件，通过冷辗扩设备，辗扩出与深沟球轴承套圈形状接近的产品。采用这种方式生产深沟球轴承套圈，锻件料芯小，材料利用率高；辗扩后产品的宽度、形位公差一致性好，加工余量小，同时锻件金属材料的晶粒组织更加致密，沟道处金属流线合理，后序加工流线断头少，提高了套圈的抗疲劳强度与耐磨性。用这种工艺生产的轴承套圈更能满足汽车轴承的要求。下面以公司生产的某一汽车用深沟球轴承套圈为例介绍该工艺。

1深沟球轴承套圈锻件工艺设计步骤

1.1冷辗扩图设计

根据零件图按照适合冷辗成型规律、保证质量稳定、尽量减少后续加工余量的原则设计冷辗扩件图，工件材质为GCr15，冷辗扩件设计见图1，冷辗扩件的形状基本按其零件形状确定。锻件端面脱模角度为5°，锻件最小余量单边0.45～0.85 mm，内、外套圈沟道处做成梯形方式。冷辗扩件具有尺寸精度高、表面质量好的特点。整径后辗扩件外径尺寸公差小于±0.1 mm，圆度小于0.1 mm。

图1　冷辗扩图

1.2辗扩比确定

辗扩比K是辗压前毛坯壁厚与辗压后工件壁厚之比，考虑到计算方便，实际设计中按冷辗扩件内径与毛坯内径之比计算辗扩比K：

K=dn/dm

式中：dn为冷辗件内径；dm为毛坯内径。

对于辗扩比的取值，要综合考虑冷辗件尺寸、模具尺寸、成型完全、节材、生产效率等因素。对于深沟球轴承套圈，一般辗扩比取值范围为K=1.2～1.7。在此例中内圈选用的最大辗扩比为1.49，外圈选用的最大辗扩比为1.51。

1.3冷辗扩前毛坯设计

冷辗扩前毛坯的形状设计考虑到方便高速镦锻成形及辗扩件材料的分配。

(1)毛坯内径dm的确定。根据冷辗扩件的内径尺寸及选定的辗扩比计算出毛坯的内径。

dm=dn/K

(2)毛坯宽度Bm的确定。根据冷辗扩件的宽度及辗扩比确定毛坯宽度。一般情况下:

Bm=Bn-Δ

Δ=0.1～0.3

Δ取值与辗扩比、辗扩件宽度有关，辗扩比大和(或)辗扩件宽度宽时取大值，反之则取小值。

(3)再依据冷辗扩前后锻件体积(质量)不变及冷辗扩前后锻件对应截面积近似不变的原理，计算出锻件的外径尺

寸，设计冷辗扩前毛坯。冷辗扩前毛坯图如图2所示。

图2　辗扩前毛坯图

辗前毛坯设计成图2所示的形状，是因为这种形状适合高速镦锻设备生产，成形难度小，模具结构简单。

1.4辗前毛坯锻造工艺设计

根据GCr15的热缩收量计算终锻成形毛坯的热态尺寸，再根据高速镦锻机的特点确定其成形工步，锻造工艺见图3。

图3　辗前毛坯锻造工艺图

通过中频加热炉加热，在高速镦锻机上同步进行剪切下料、镦粗、终锻、分套、冲孔，生产出辗前毛坯。采用高速镦锻机进行辗前毛坯生产具有高效率、高质量及节能、节材等特点。

1.5冷辗扩模具的设计

辗扩时，工件通过导料槽导入辗轮型槽，芯辊穿过工件内孔后开始辗扩。辗扩中模具和被辗扩的工件都在旋转，模具对锻件进行连续的、局部的挤压变形。冷辗模具设计是此工艺的重要环节。根据工件最小壁厚尺寸来确定辗轮及芯轴的型槽深度。

(1)辗轮型面设计。以内圈辗轮型面为例说明，见图4。

辗轮型槽深度H。辗轮在辗扩成形过程中起主导作用，因此深沟球轴承套圈冷辗件辗轮的型槽深度应大于锻件的壁厚a一半以上，且尽可能加大辗轮的型槽深度，这样可避免冷辗件端面起毛刺，且保证锻件在冷辗扩时的稳定性。

脱模角度α。深沟球轴承套圈在冷辗扩时，稳定性较好，因此脱模角度选5°即可。

图4　辗轮型面

型槽宽度B。型槽宽度的选择应考虑冷辗件的最小高度、脱模回弹量及模具的弹性变形。

B=Bns-ΔB-ΔB′

式中：B为辗轮槽宽最小值；Bns为冷辗件最小宽度；ΔB为脱模回弹量，一般在0.02～0.05 mm；ΔB′为模具的弹性变形，一般在0.02 mm。辗轮槽宽度的确定还应考虑毛坯的高度，相差过大易造成内径尺寸偏差及端面不平。

辗轮型面中间凸台部分依据内圈沟道尺寸设计。

(2)芯辊型面设计。以外圈芯辊型面为例说明，见图5。

图5　芯辊型面

芯辊φA直径比毛坯内孔最小直径小2.5～3 mm，芯辊型面宽度B比辗轮宽度宽0.3～0.6 mm，芯辊型面深度T一般为1～3 mm，以保证芯辊强度和不超闭合尺寸来设计。

芯辊型面中间凸台部分依据外圈沟道尺寸设计。

2冷辗前毛坯的预处理

(1)冷辗前毛坯按GCr15锻件进行退火，毛坯硬度HRB85～90。

(2)对冷辗前毛坯进行双端面磨削，保证毛坯宽度一致。

(3)冷辗前毛坯表面抛丸去氧化皮。

3结束语

深沟球轴承套圈冷辗工艺的技术特点是通过高速镦锻机生产合适的辗前毛坯，再通过冷辗扩设备辗扩、整径的方法，将辗前锻件变成冷辗扩件。在工艺设计中，通过选择合适的冷辗扩比，来保证冷辗扩后锻件的内部质量，同时达到节约原材料的目的；冷辗压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密，沟道部位金属流线良好，提高了汽车轴承的抗疲劳强度和耐磨性，轴承寿命增加1～2倍；通过冷辗扩模具的优化合理设计，保证了辗扩件的高度、形位公差及表面质量，使顾客后序加工的成本更低。

对此类产品的锻造工艺及冷辗扩工艺作者所在公司已经积累了丰富的经验。目前，公司已开发并形成批量生产的深沟球圈冷辗扩件有五十多个型号，取得了较好的经济效益。

参考文献:

【1】张猛，贾占泉.辗环 锻压手册：第一卷 锻造[M].北京：机械工业出版社,1993.

Design of Cold Rolling Process for Deep Groove Ball Bearing Ring of Automobile

LIU Meihua,LI Yixu,YANG Yaoxiang

(Guangdong Shaoguan Foundry and Forging Group Co., Ltd., Shaoguan Guangdong 512031,China)

Abstract:The designs of automotive deep groove ball bearing ring’s cold rolling drawing, blank drawing, and cold rolling tooling were introduced. The problems encountered during development process were analyzed and summarized. The forging process and cold rolling process of deep groove ball bearing ring were improved gradually.

Keywords:Deep groove ball bearing ring；High speed forging part；Cold rolling process

收稿日期：2015-10-16

作者简介：刘梅华(1969—)，女，大学专科，工程师，研究方向为高速镦锻和冷辗扩。E-mail：szjdjsk888@163.com。

中图分类号:TG376.3

文献标志码：B

文章编号：1674-1986(2016)01-046-03