某铁路轴承外圈辗扩模具的优化设计与应用

刘高杰，贾松阳，王超，王战冶，潘隆

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039； 2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039)

轴承是铁路车辆的关键零部件，在铁路运输中起着重要作用，是车辆安全稳定运行的基本保障[1]，因此要严格要求和控制铁路轴承的制造工艺。

成形辗扩加工是某型铁路轴承外圈锻造阶段的重要一环，使外圈形成对称锥形双滚道并带有一定尺寸余量。辗扩时的金属流动可改善材料的切削性能，提高外圈机械加工性能，使后工序切削刀具磨损减小[2]。辗扩工艺优点多，但在应用中仍存在一些问题需要解决，如工件的裂纹、外圈端面凹心、毛刺等表面及内部缺陷。其中，外圈在辗扩过程中产生的毛刺会被折叠压入锻件内部，在后续车加工和磨加工中难以发现，并且折叠位置细小不定，磁粉探伤极易漏检，容易导致废品率高。

辗扩加工中外圈端面毛刺的产生主要是由于工装设计不合理，使工件和模具配合不当，辗扩中辗压辊摆动大造成的[3]，因此，合理设计模具是减少辗扩外圈端面毛刺的有效手段。铁路轮轴轴承辗扩后外圈形成锥形滚道轮廓，其辗扩模具和一般圆筒形辗扩模具不同，需要对辗扩模具进行分析、优化。

1 原外圈辗扩工艺模具

1.1 原模具结构

原辗扩模具结构如图1所示，包括辗压辊和辗压轮两部分。

图1 原辗扩模具结构示意图Fig.1 Structure diagram of original rolling mould

成品轴承外圈接触角为10°，根据外圈锻件留量公差和实际生产需要，辗压辊的两圆锥面为对称结构且与其轴线夹角α为10°11′(图1)。辗扩过程中，一端螺纹孔与机床刚性连接，另一端依靠塔头支承。

辗压轮主体由3部分组成，通过螺栓紧固连接。辗压辊和辗压轮嵌入式接触，辗压轮的一边嵌入辗压辊凹槽内(图1圆圈所示)。辗压轮左右凸出挡边约束工件金属流动，也就是该位置容易形成套圈端面毛刺折叠缺陷。

1.2 存在问题

1)辗压辊前支承刚性不足，受压后末端出现一定翘曲，导致设计的对称结构在实际应用中变成了非对称辗扩，使外圈两端金属流动不均，辗扩过程中出现“摇摆”现象。

2)辗压辊与辗压轮嵌入式接触部分是典型的轴系设计缺陷，会使辗压辊在该处出现应力集中，加剧辗压辊的变形。

3)嵌入式接触部分对外圈的挤压过程中，若接触部分出现间隙，金属流动进入间隙，再挤压极易形成毛刺折叠，辗扩过程会使折叠留在端面深层。

4)辗压轮结构的配合间隙较多，辗扩过程压力较大可能导致模具不稳定。

2 辗扩模具优化

根据对原辗扩模具的分析，从增加辗压辊强度和调整辗压辊与辗压轮的接触方式两方面对模具进行优化，以解决模具应力集中和配合不合理的问题。

2.1 辗压辊结构优化

辗压辊优化前、后结构如图2所示，图中标注尺寸位置为主要的变动位置。取消了凹槽部分，使该部分直径与圆锥面最大直径相等，使辗压辊与辗压轮的接触不再是嵌入式，消除原来该部分的应力集中；两圆锥面最大直径由77 mm增加到90 mm，中间平面部分直径由57 mm增加到67 mm，提高辗压辊的刚性；根据留量的不同以及长期工艺试验摸索，确定辗压辊与工件接触面为非对称结构，其中一边取8°53′左右时较为合适。

图2 优化前、后辗压辊结构示意图Fig.2 Structure diagram of rolling roller before and after optimization

2.2 辗压轮结构优化

辗压轮优化前、后结构如图3所示。优化后减少了配合间隙的数量，增强了刚度；由原来两挡边相同角度(2°)斜口，更改为一端1°，一端3°，以配合不对称辗压辊；为了避免外圈端面因接口处缝隙而产生毛刺，且便于后期修磨，将辗压轮两部分配合面调整至滚道。

图3 优化前、后辗压轮结构示意图Fig.3 Structure diagram of rolling wheel before and after optimization

2.3 模具优化对锻件的影响

外圈锻件辗扩成形的工艺流程为：下料→镦粗→穿孔→马架扩孔→辗扩，如图4所示。

图4 辗扩工艺流程示意图Fig.4 Process flow diagram of rolling

穿孔工序中，料芯直径约为80 mm。模具改进前，辗压辊直径为77 mm，为便于安装工件，其马架扩孔内径一般比辗压辊直径大10 mm左右，马架扩孔后内径为90 mm；模具改进后由于辗压辊直径调整至90 mm，其马架扩孔后内径也适当调整至100 mm，辗扩后内径尺寸为210 mm。辗扩比由2.3降至2.1(按辗扩后内径与辗扩前内径的比值近似计算)，虽然辗扩比有所降低，但仍在合适范围内。辗扩比过大时，辗扩时间较长，易产生轴向毛刺；辗扩比过小时，锻件组织粗大，壁厚差、平行差等几何精度不易保证。经试制加工，改进后锻件几何精度及组织均满足产品要求。

3 应用效果

采用优化后的辗扩模具，铁路轴承外圈端面毛刺折叠现象大大减少，废品率由原来的4.39‰降低到1.28‰。改进后的模具取得了较好的效果，减少了废品损失和下工序生产隐患，有利于提高轴承的使用寿命。