调心轴承球面滚动体成形工艺及模具设计

徐新成
（上海工程技术大学，上海　200336）

　　摘　要：分析了调心轴承球面滚动体的加工工艺，介绍了球面滚动体精密成形技术及应用，重点介绍了精密成形模的结构，并讨论了其设计方法。
　　关键词：轴承；球面滚动体；塑性成形；模具设计；模具制造
　　1　引言
　　图1为调心轴承球面滚动体，滚动体是轴承中的重要零件，其性能和价格很大程度上决定了轴承的性能和成本，就调心轴承而言，1套轴承中滚动体的数量达20多件，由于轴承是重要的机械基础件，用途广、使用量大，因此滚动体的数量就非常可观。 　　调心轴承滚动体为球面柱形，其工作面为球形，有较高的尺寸精度和表面质量要求。当滚动体的有效直径大于30mm时，一般采用GCr15SiMn，其特点是强度高、淬透性好，但是冷变形时塑性差，变形抗力非常大，目前国内主要是采用切削方法成形。
　　2　切削成形工艺
　　切削工艺是将圆形棒料在车床上切削球面，然后切割分离，再进行倒角、车制凹穴，图2为切削示意图。 　　车削成形是通过去除多余金属而成形零件。为了保证原材料的脱碳层不致影响零件的表面含碳量，车制件的外径应小于棒料直径1～2mm。另外，标准的圆棒料直径一般要大于零件名义直径2～4mm，再加上图2上零件与零件间的割刀缝不小于5mm，因此切削工艺的材料利用率仅为60%左右。
　　再者，轧制的圆棒料的纤维流线是沿轴线连续分布的，球面车制成形后，原材料的纤维流线会在滚动体的工作表面露头，影响滚动体的耐疲劳性能，极易在其工作表面引起疲劳剥落。车制工艺的生产效率也非常低，数台车床连线生产，班产量也仅数百件。
　　3　塑性成形工艺
　　塑性成形工艺是通过转移金属体积来成形零件，其材料利用率要大大高于切削成形，就球面滚动体而言，材料利用率可提高27%以上。
　　由于中大型球面滚动体的尺寸较大，材料的强度和硬度高，塑性较差，冷变形抗力非常大，超出了模具的允许负荷，显然冷变形是不适宜的。热锻时材料的强度下降，塑性明显提高，有利于成形，但是较高的加热温度会在锻件表面生成较厚的氧化皮，锻件的机械加工余量和锻造公差较大，而且锻后还必须退火，不利于精化锻件。由于滚动体的外形为球面，给后道的车削加工带来了困难，材料消耗也相应增加，因此热锻成形并没有在经济上带来很大益处。
　　利用中温时金属材料塑性好，变形抗力低和氧化烧损少的特点成形球面滚动体无疑是一种较好的选择。将GCr15SiMn材料加到700℃的始锻温度，可避免800℃以上时金属发生剧烈氧化的过程，锻件表面仅生成极薄的氧化膜。同时因加热温度没有达到材料的相变温度，锻后仍然得到球状珠光体组织，为热处理淬火做了较好的组织准备。在中温成形时，材料的成形性能好，其尺寸精度接近冷变形时的精度，锻后可直接上无心磨床进行磨削，不需要再进行车削。成形后的锻件纤维流线沿锻件轮廓连续分布，避免了切削件在工作面纤维露头的现象，有利于提高滚动体的耐疲劳性能，生产效率也大幅度提高，用J31-250曲柄压力机成形，班产量可达4000件以上。
　　图3为中温锻造流程图，包括下料→预成形→成形→切边。图4为锻件图。 　　4　模具设计与制造
　　4.1模具设计
　　成形工序安排在曲柄压力机上进行，采用开式模锻，分模面取在锻件球面的Z大直径处，上、下模的球面形成自然模锻斜度。同时，为了防止锻件随凸模回程而掉在凹模口部碰伤，在凸模内设置弹性卸料装置，成形时，限位块12保证成形顶杆3的回程位置，以便挤出锻件上端的凹穴。凸模回程的瞬间，在弹簧的作用下，成形顶杆向下顶件，使锻件始终留在凹模内，随后由凹模内的顶杆向上顶料，以保证锻件脱模顺利，防止锻件磕碰伤。图5为成形模工作部分简图。 　　在终锻模腔中预成形坯采用压入式镦粗充填，并设飞边槽，通过调整飞边槽的桥部宽度和高度控制模腔的充满程度，同时也能分流多余的金属。成形时凹模所受切向拉应力要明显大于凸模，为防止凹模纵向劈裂，采用了3层预应力组合凹模。
　　凸模由于受结构限制，设计成整体式。凸模下行时借助凹模外层预应力圈进行模口导向，以保证锻件上、下部分的同轴度。模口与凸模的间隙取H7/h8，在导向的同时对凸模的切向伸长变形起限制作用，有利于提高凸模的使用寿命。
　　4.2模具型腔加工
　　通常情况下，型腔模的加工精度高，难度也较大，一般的加工方法有：车削、铣削和电火花加工。其中，车削加工主要用于形状简单的回转体型腔，铣削加工用于形状相对简单的非回转体型腔，而电火花则用于形状复杂的型腔加工，成本也Z高。
　　球面滚动体为形状相对简单的回转体件，但模腔的尺寸精度要求高，加工精度为0.05mm，形状位置有很高的要求。凸、凹模模腔曾采用切削加工方法，由于模腔为球形，车削时很难保证尺寸和形状精度，加上模腔的尺寸和形状检验困难，常影响锻件的成形精度。而采用电火花加工，则加工周期长、成本高，对于批量大的滚动体来说，模具成本也将相应升高。
　　对型腔模模腔采用冷挤压成形是一种成形精度高，加工成本低的较佳方法。生产中采用了对预制模坯进行冷挤压成形的方法，模腔的加工精度达到0.02mm，表面粗糙度Ra=0.8～0.4μm，其加工过程如下：
　　（1）加工挤压模腔的母模和限制挤压深度的垫圈。
　　（2）车制预制模坯，模腔为锥形，锥度由终锻模腔模口交点与模底球面和底线交点的连线所得，模口直径较终锻模模口小0.3mm，模腔深度则相当。
　　（3）预制模坯进行磷皂化处理，以利于挤压时金属的流动。
　　（4）将预制模坯在油压机上进行挤压，至母模端面与垫圈平整，则挤压结束，模腔成形（见图6）。 　　（5）修整挤压后变形的凸模（凹模）外形，再进行热处理，抛光模腔。
　　经挤压，模腔表面金属更加致密，有利于提高耐磨性，而且成形后的锻件尺寸收敛性好，锻件的表面粗糙度值也低，模具的加工效率也得到极大提高，模具制造成本大大下降。
　　5　结束语
　　采用中温成形工艺取代车制工艺可以使材料利用率得到较大提高，生产效率也提高了近10倍，而且可以使零件内部组织更加致密，机械性能得到相应提高，对于实现机械零件的少无切削和提高经济效益都有积极作用。
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