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                軸承知識

                KNOWLEDGE

                軸承先進鍛造工藝及制造技術

                2021-05-31

                王明舟

                (浙江五洲新春集團股份有限公司)

                我國中小型軸承鍛造成形工藝經歷了從1980年以前的棒料打孔、單擠、輾擴,發展到現在的自動化、近凈成形、高速鍛等技術,不斷推陳出新,表1為由1980年以前到現今的軸承鍛造成形工藝的發展歷程。

                國內軸承質量與國際先進水平差距

                我國軸承行業經過近些年的裝備升級、工藝改進、創新提高,軸承質量已得到大幅改善,但行業的整體提升是一個循序漸進的過程,與國際先進水平相比,當前國內軸承質量仍然存在以下差距。

                ⑴產品質量一致性差。

                質量參數離散度大,公差分布正態曲線呈邱峰狀而非尖峰狀,疲勞壽命散差大。

                ⑵動態性能差。

                振動、噪聲和摩擦,同樣標準下,合格率較國外低20%~40%,振動、噪聲大5~10db。

                ⑶性能保持性差。

                靜態、動態檢測結果相同,運行的精度保持性差。

                ⑷壽命可靠性低。

                球軸承:壽命指數K(試驗壽命與計算壽命之比),國產K≥6,國外K≥8,對應可靠度R,國內R≥0.96,國外R≥0.98;

                滾子軸承:K≥2,R≥0.94,國外同類產品K≥8,R≥0.96。

                表1 中小型軸承鍛造成形工藝的發展歷程

                鍛造質量對軸承性能影響

                鍛件質量對軸承性能的影響

                ⑴鍛件網狀碳化物、晶粒度、流線:影響軸承疲勞壽命。

                ⑵鍛件裂紋、過熱、過燒:嚴重影響軸承可靠性。

                ⑶鍛件尺寸、幾何精度:影響車加工自動化,材料利用率。

                ⑷生產效率、自動化:影響鍛件制造成本,質量一致性。

                鍛件質量、工藝水平與國外先進企業差距

                ⑴產品質量分散度大、一致性差。

                ⑵工藝過程控制不嚴甚至失控。

                ⑶自動化程度與生產效率低。

                軸承行業中小型軸承鍛造存在的問題

                ⑴由于長期受行業“重冷輕熱”思想的影響,鍛造行業員工文化水平普遍偏低,再加上工作條件、作業環境惡劣,認為只要有力氣就行,沒有認識到鍛造是特殊過程,其質量優劣對軸承壽命有重大影響。

                ⑵從事軸承鍛造的企業規模普遍偏小,鍛造工藝水平良莠不齊,很多中小企業還停留在鍛造控形的階段。

                ⑶鍛造企業普遍對加熱方式進行了改進,采用中頻感應加熱,但僅僅停留在把鋼棒只加加熱的階段,沒有認識到加熱質量的重要性,行業也沒有中頻感應鍛造透熱的行業技術規范,存在很大的質量風險。

                ⑷工藝裝備大都采用壓機連線,人工操作,人為因素影響很大,質量一致性差,如鍛造折疊、尺寸散差、圓角缺料、過熱甚至過燒、濕裂等。

                ⑸由于鍛加工工作環境艱苦,年輕人不愿從事,招工難是行業普遍存在的問題,鍛造企業更為艱難,對鍛造自動化、信息化升級改造形成很大的挑戰。

                ⑹生產效率低下,加工成本高,企業處于低層次的生態圈,生存環境惡化。

                鍛造轉型升級

                材料技術轉型升級

                標準升級,由GB/T 18254-2002升級到GB/T 18254-2016,主要體現在以下幾方面。

                ⑴冶煉工藝:真空冶煉。

                ⑵增加了微量有害殘余元素的控制:從5個增加到12個。

                ⑶關鍵指標氧、鈦含量、DS夾雜物控制方面接近或達到國際先進水平。

                ⑷均勻性明顯改善:主要成分偏析明顯改善控軋控冷工藝應用,控制軋鋼溫度及冷卻方式,實現雙細化(奧氏體晶粒、碳化物顆粒細化),改善碳化物網狀級別。

                ⑸碳化物帶狀合格率明顯提升:控制澆注過熱度,增加軋制比,保證高溫擴散退火時間。

                ⑹軸承鋼質量一致性提高:實物冶金質量爐次合格率大幅度提升。

                鍛造自動化轉型

                ⑴高速鍛造。自動加熱、自動剪切,機械手自動傳遞,自動成形,自動沖孔、分離,實現快速鍛打,最高速度可達180次/min,適用于大批量中小軸承、汽車零部件的鍛造,高速鍛工藝優勢體現在以下幾方面。

                1)高效。自動化程度高,生產效率高:以哈特貝爾AMP30S高速鍛自動生產線(圖1)為例:高速鍛造平均班產約33000套,操作工3人;同樣產品普通垂直鍛造班產約8400套,員工10人,人均勞動生產效率提高13倍。

                2)優質。鍛件加工精度高,車加工余量少,原材?浪費少;鍛件內部質量好,流線分布有利于增強沖擊韌性和耐磨性,軸承壽命能提高一倍以上。

                3)頭尾自動甩料,去除棒料探傷盲區、端頭毛刺。

                4)節能。與常規鍛造比節能10%~15%,節約原材料10%~20%,水?源節約95%。

                5)安全。整個鍛造過程在封閉狀態下完成;生產過程易于控制,不容易產生水淬裂紋、混料和過燒現象。

                6)環保。無三廢,環境整潔、噪聲低于80dB;冷卻水封閉循環使用,基本實現零排放。

                ⑵多工位步進梁。采用熱模鍛設備,在同一臺設備上完成壓餅、成形、分離、沖孔等工序,工序之間傳遞采用步進梁,適用于中型軸承鍛造,生產節拍10~ 15次/min。

                圖1 哈特貝爾AMP30S高速鍛自動生產線

                ⑶機器人代替人。根據鍛造工序,多臺壓機連線,壓機之間產品傳遞采用機器人傳遞,適用于中大型軸承或齒坯鍛造,生產節拍4~8次/min。

                ⑷機械手代替人。改造現有鍛造連線,局部工位采用簡易機械手代替人,操作簡單,投資少,適用于小型企業自動化改造。

                中頻感應鍛造加熱技術

                ⑴中頻感應加熱設備設計技術要點。

                1)加熱結束時,料段芯表溫差、頭尾溫差≤30℃(通過計算機模擬),加熱過程溫度波動為±25℃。

                2)加熱應分三個階段:預熱、升溫、保溫,預熱階段芯表溫差≤400℃。

                3)被加熱過的棒料必須小于100℃方可再次被加熱,并且只能再加熱一次,需有防錯裝置。

                4)中頻加熱爐必須配三路分選,與加熱系統聯動形成閉環。

                ⑵中頻感應加熱測溫系統技術控制要點。

                1)加熱溫度應在無氧化皮的表面上測量,如技術上有難度,也可以在棒料/料段外徑表面測量。

                2)對同一點采用紅外線雙測溫,與棒料/料段表面垂直,離爐口10cm。

                3)測溫儀每秒鐘測溫≥10次,取兩者的最大值作為數據處理或過程控制;兩者溫差超過溫度控制公差,須報警。

                4)紅外測溫儀聚焦點直徑應≤2mm,發射率ε=0.9(1000~1200℃)。

                5)每天用比對高溫計與設備固定雙測溫高溫計進行比對,偏差≤50℃。

                6)所有紅外測溫儀每年必須校正,精度不超過測量范圍上下限的±0.5%。

                7)溫度測量系統穩定性要求:在穩定加熱狀態下,連續測量30個料段的加熱溫度,溫度應呈正態分布,標準偏差σ≤7℃。

                鍛造控形控性技術

                ⑴技術維度。

                1)加熱質量控制:配置雙電源設計,保證預熱階段芯表溫差≤400℃;配置雙測溫儀(加熱爐出料口);進料處配置1套測溫儀,防止余溫料進入(特別是高速鍛);配置在線混料檢測裝置;三路分選、超溫報警、水溫、水壓報警為標配。

                2)控鍛控冷:雙“細化”,精確的溫度控制,防止鍛件過熱、過燒;細化晶粒;控制鍛后冷卻速度,防止出現網狀組織,細化組織,提高疲勞壽命。

                表2 高速鍛+冷輾對產品性能的影響

                3)模具技術:計算機仿真模擬設計;真空熱處理;表面改性技術。

                4)重要零部件:對原材料進行“雙探”,超聲+漏磁探傷;表面扒皮,去除表面探傷盲區裂紋。

                5)特殊零件,設備結構特殊設計:小而薄的零件如汽車凸輪軸上的凸輪片,設計側向排料系統。

                ⑵管理維度:人、機、料、法、環、測。

                鍛件的近凈成形技術

                ⑴高速鍛造+冷輾技術,工藝流程見圖2。冷輾產品尺寸精度與形位公差按JB/T 11759-2013《冷軋軸承環件機械加工余量及公差》及JB/T 12101-2014《數控冷輾環機》,以3155產品為例,高速鍛+冷輾近凈成形技術節材17.7%,高速鍛+冷輾對產品性能的影響見表2。

                ⑵數值模擬仿真技術在鍛造中的應用。

                1)構建齒坯及模具數字化三維幾何模型和有限元模型,分析近凈成形過程中的金屬流動、應變、應力、溫度等場量分布狀態,為實際生產中的設備選型提高參考。

                圖2 高速鍛造+冷輾技術工藝流程

                2)分析齒坯近凈成形主要工藝參數:鍛造溫度、鍛造速度、模具預熱溫度和摩擦系數,得到各工藝參數對齒坯成形過程的影響規律,為實際生產提供技術支持。

                3)分析不同工藝方案的成形規律,建立成形工藝參數優化模型,確定最佳成形工藝參數。

                4)建立模具結構因素彈塑性有限元模型,分析齒坯成形過程中模具局部應力應變分布狀態,研究模具成形載荷和磨損,分析優化模具結構、提高模具壽命。

                ⑶模具數值模擬仿真技術應用。

                1)模具結構優化數值模擬。

                2)工藝優化數值模擬。

                3)模具結構改善金屬流線。

                4)齒坯近凈成形模具壽命預測。

                5)模具磨損數值模擬。

                展望

                鍛造涉及材料種類繁多,鍛造過程及模具存在主觀和客觀方面的復雜性、多樣性,在材料技術、自動化技術、加熱技術、控形控性技術、近凈成形技術方面還有很多提升空間,尤其是近凈成形數值模擬技術應用方面,還不是十分廣泛,材料數據庫中實際應用數據較少,模擬變形數據與實際還有一定差異,需對材料高溫變形進行大量試驗,以獲取高溫變形的實際數據,提高模擬仿真的準確性。隨著鍛造仿真模擬技術的研究,相信近凈成形技術一定會廣泛應用于少無切削的精密鍛造領域。

                作者簡介

                王明舟,高級工程師,長期從事金屬材料及軸承鍛造、熱處理加工工藝方面的研究與應用,現任集團副總工程師,技術總監兼省級技術中心主任等職。中國軸承工業協會技術委員會材料專業委員會委員,浙江省軸承工業協會技術聯盟平臺專家。獲專利11項,參與國家標準制定2項,行業標準2項;省部級優秀論文4篇,省部級榮譽3項。

                來源:《鍛造與沖壓》2019年第23期

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