球面滚子冷镦凹模结构的改进

　　摘　要：分析短粗类小球面滚子冷镦凹模在实际使用中出现早期失效、寿命短的原因，对球面滚子凹模的结构进行了改进。试验结果表明，改进后的凹模寿命得到了较大提高，同时滚子的成形质量也得到了较大改善。
　　关键词：球面滚子；冷镦；模具；组合式
　　1　存在的问题及原因分析
　　球面滚子的投料方式有车加工和冷镦2大类。对于直径在Ø22mm以下的小球面滚子，国内普遍采用Z31-25单工位冷镦机进行投料。单工位冷镦成形存在尺寸变化大、冲形质量不稳定等不确定因素。特别对于短粗类小球面滚子（直径为Ø15～22mm，长度为12～20mm），在冷镦工序加工中一方面由于滚子长度尺寸小于直径尺寸，切料时料段易变形，且变形较大；另一方面由于镦压变形大，为保证滚子外径充满及端面平整，冲压时模具所承受的冷镦力相对于圆锥、圆柱滚子为Z大。因此，冷镦凹模在实际冷镦过程中一直存在着早期失效、寿命短等问题。
　　短粗类小球面滚子由于受自身长度尺寸限制，凹模结构的设计经历了整体式（图1）、小组合式（图2）的变化过程。根据凹模在冷镦过程中的受力分析可知，在加工中棒料与凹模之间的摩擦主要发生在滚子小端倒角的轴向区域，并且这个区域还受到一个轴向的拉应力，因此整体式凹模Z容易早期失效，其失效形式主要为倒角裂损、掉块等。对于滚子直径不大于14mm的小球面滚子，凹模寿命能达到5000粒；但对于滚子直径尺寸大于14mm的小球面滚子，凹模寿命只能达到2000粒，且失效后凹模整体报废，浪费很大。另外，整体凹模采用GCr15加工，为一体模，热处理时采用局部淬火法，由于GCr15的抗压强度较低，热处理时淬硬层又较浅，因此模具寿命短。

　　小组合式凹模（图2）采用了预应力式组合结构，使用了预应力圈（过渡套），此结构的特点是将模具的成形部分分离出来，工作套上、下模不分型，采用性能较好的模具材料加工工作行腔。但是凹模在冷镦过程中滚子倒角处受到轴向拉应力、径向压应力和摩擦力共同作用，此处依然是凹模的Z薄弱环节，凹模在使用中倒角处仍常发生早期疲劳和开裂。
　　2　改进措施
　　依据原球面滚子凹模结构存在的问题，某些企业采用了七体式凹模，结构如图3所示。但用该结构凹模镦压短粗类小球面滚子时，双层套上模偏短，在冷镦循环冲击力的作用下，工作套上模易跑芯。为更进一步优化凹模结构，提高模具寿命，采取的改进措施如下：

　　（1）采用预应力式组合凹模，且对模具行腔分型。采用预应力式组合凹模可以使凹模层得到所需的预压应力，减少凹模向外的位移量，从而减少冷镦时产生的拉应力；对模具行腔分型可以防止倒角处应力集中，减少摩擦力。分型后双层套厚度较薄，在使用中易产生外窜，可通过加大过盈量或延长双层套的厚度，来加以解决，而由于外套为通用，存在反复使用的情况，如果加大过盈量将破坏外套的通用性。因此，决定采用加长双层套的厚度，加长定位面来防止双层套的外窜，考虑到模具的总体厚度，双层套的厚度延长8～15mm。
　　（2）装配尺寸。双层套加厚以后，装配总高及型腔深度发生变化，因此，将双层套内的工作套从内锥大端再加工一个台阶孔，底座小端面加工一个台阶，如图4、图5所示。装配时，将底座上的小台阶装入工作套后的内孔中，两者为间隙配合，这样既可以保证模具型腔深度，又能保证装配总高。另外，凹模在装配过程中上、下模收缩量不一致，因此，上、下模分型尺寸之间应保证0.15mm以上的间隙。

　　依据改进措施，改进后的短粗类小球面滚子用冷镦凹模结构如图6所示。改进后的凹模结构具有以下特点：模具采用组合结构，行腔部分失效后，通用件（如外套、螺垫）还可以再利用；双层套定位面的加长防止了双层套在工作时发生外窜；工作行腔进行分型后避免了倒角处的早期失效。

　　利用改进后的凹模结构，在3610，23024等几个型号滚子的冷镦凹模上进行了试验，试验数据如表1所示。由表可知，改进后的凹模寿命得到了较大提高，且所加工滚子的成形质量亦得到了较大改善。

　　3　结束语
　　跟踪试验统计数据表明，对短粗类小球面滚子凹模结构的改进取得了良好效果，倒角掉块、开裂等早期失效模式已经消除，此结构的凹模可在小球面滚子的冷镦投料过程中大批量采用。