軸承套圈冷擠壓工藝及模具

王德俊

(鶴壁職業技術學院 機電工程學院，河南 鶴壁 458030)

冷擠壓是利用金屬塑性變形進行零件成形的一種少或無切削加工工藝，材料在三向壓應力狀態下擠壓成形后組織致密、晶粒細化，且材料流線沿零件輪廓連續分布，大大提高了零件的力學性能，尤其是抗疲勞性能[1-2]。GGr15軸承鋼在常溫下硬度高、變形抗力大，擠壓模具尤其是凸模極易產生崩裂、掉塊等缺陷而早期損壞，導致擠壓件(套圈)易產生微裂紋。下文對GGr15鋼軸承套圈擠壓工藝及模具的設計過程進行了試驗分析。

1 工藝分析

目前國內軸承套圈的生產工藝主要有：(1)管材或棒材毛坯直接切削加工；(2)擠壓鍛造→輾擴成形；(3)套鍛→輾擴成形；(4)塔形擠壓→輾擴成形；(5)自由沖孔→輾擴成形；(6)高速鐓鍛；(7)冷擠壓和溫擠壓。用管材或棒材毛坯直接切削加工軸承套圈的材料利用率和生產效率低；熱鍛毛坯尺寸精度低、脫碳層厚，切削留量大，材料利用率低；擴孔工藝雖能獲得較高精度的鍛件，但由于毛坯下料精度、輾擴溫度、擴孔機剛性和調整等原因，套圈尺寸的一致性、圓度和圓柱度仍不夠理想，不利于后續切削加工時的自動裝夾；高速鐓鍛技術非常適合于大批量中小型軸承套圈的生產，國外使用已非常普遍，但國內多數廠家目前尚沒有普及。

冷擠壓工藝具有精度高、生產效率高和材料利用率高等優點，早在20世紀70年代后期國內就有研究、并應用于軸承套圈的生產。但冷擠壓工藝輔助工序較多，中間需經過幾次退火和表面潤滑，工序繁瑣、流程長，尤其是對于GGr15軸承鋼，在工藝試驗過程中，針對其變形特征，需要改進中間工序如擠壓坯料的表面潤滑等，設計結構合理的擠壓模具[2]。

2 冷擠壓工藝過程及分析

冷擠壓成形軸承套圈的方案有單圈反擠壓成形工藝、無環帶復合冷擠壓成形、無環帶套料復合冷擠壓成形和有環帶套料復合冷擠壓等，經反復論證和工藝試驗，確定的GGr15鋼軸承套圈冷擠壓工藝流程為：冷剪下料→感應加熱→制坯(鐓餅)→退火→潤滑→復合擠壓(分離外圈及環帶)→退火→潤滑→反擠內圈→成品。下文以6203套圈為例進行工藝過程說明。

2.1 擠壓件尺寸設計

冷擠壓的尺寸精度較高，軸承套圈冷擠壓后其內孔、外圓及高度方向的尺寸均不需要進行車削加工，但要預留合適的磨削余量。6203軸承套圈冷擠壓制件的尺寸如圖1所示。

圖1 6203軸承套圈擠壓件

2.2 下料尺寸確定

毛坯尺寸的計算，除了按照體積不變原則外，還要加上環帶及反擠壓連皮的體積。環帶及反擠連皮的厚度取2.2mm，經計算，6203套圈每套毛坯質量為88 g。對于GGr15鋼制套圈，既要考慮冷剪切下料的方便，還要考慮到鐓餅變形時的極限變形程度，經過計算和工藝試驗，下料尺寸確定為Φ24 mm×25 mm。

2.3 擠壓毛坯的設計

擠壓毛坯的設計，實質上是對擠壓件所需金屬的預分配，擠壓毛坯金屬分配要合理，毛坯的形狀和尺寸要充分有利于擠壓件的成形。根據冷擠壓工藝特點，為便于操作，擠壓毛坯直徑應略小于擠壓件的外徑，即

d1=d-Δ，

式中：d1為擠壓毛坯直徑，mm；d為擠壓件外徑，mm；Δ為系數，一般取Δ=0.1～0.3 mm；這里取Δ=0.2 mm。

計算得d1=40.2-0.2=40 mm。再根據體積不變原則，得242×25=402t，從而計算出擠壓毛坯厚度t=9 mm。由此得到擠壓毛坯尺寸為Φ40 mm×9 mm。

2.4 毛坯軟化退火及潤滑處理

GGr15鋼在常溫下塑性差，硬度高，為改善其冷擠壓性能，提高毛坯材料塑性，降低硬度和變形抗力，提高模具的使用壽命，需要對毛坯進行合適的軟化處理。試驗中毛坯的軟化退火工藝為：加熱至790 ℃保溫3～4 h，冷卻至690 ℃后保溫1.5～2 h，爐冷至550 ℃以下后出爐。退火后毛坯硬度控制為125～140 HB。

毛坯的潤滑狀態對冷擠壓件的表面質量和模具壽命有很大影響。普遍采用的磷化、皂化處理因工序多，占地面積大，污染環境等，一定程度上限制了其在黑色金屬冷擠壓中的應用。因此，采用一種新型的有機高分子水溶液潤滑劑代替傳統的磷化、皂化處理，對軸承套圈擠壓毛坯表面進行潤滑。該潤滑劑具有無毒、無臭、易清洗、成本低及操作簡便等優點，在擠壓前將坯料浸涂該潤滑劑，烘干后即可用于冷擠壓，擠壓后零件的表面質量等指標均達到要求，甚至優于磷化、皂化的潤滑效果，零件尺寸穩定可靠。

3 模具設計

3.1 模具結構及工作過程

6203軸承內、外圈復合擠壓所采用的模具如圖2所示。模具采用通用模架，上模與下模采用導柱、導套導向，保證了良好的導向精度。將軟化和潤滑處理后的毛坯放入凹模內，上模向下運動，凸模芯軸接觸坯料；隨著上模繼續向下運動，凸模、凸模芯軸、凹模、凹模鑲塊共同作用，完成對零件的復合擠壓成形。當上模向上運動時，拉桿帶動頂板，通過頂桿座、頂桿帶動頂件桿，將擠壓件從凹模內頂出。

1，8—螺釘；2—上模座；3—螺母；4—拉桿；5—定位銷；6—凸模固定套；7—凸模墊板； 9—凸模芯軸；10—定位圈；11—鎖緊螺母；12—導套；13—凸模；14—凹模；15—凹模中套；16—擠坯；17—凹模鑲塊；18—凹模外套；19—導柱；20—頂件桿；21—頂桿；22—下模座；23—頂桿座；24—頂板圖2 6203套圈復合擠壓模具結構示意圖

3.2 凹模

采用3層組合凹模，其分別由凹模、凹模中套和凹模外套冷壓配合而成，壓配情況如圖3所示。

圖3 3層組合凹模壓配示意圖

壓配時，徑向過盈量(雙向)U2，U3與軸向壓合量c2，c3分別為

U2=β2d2,c2=δ2d2，

U3=β3d3,c3=δ3d3，

式中：U2，U3分別為d2，d3處的徑向過盈量(雙向)，mm；β2，β3分別為d2，d3處的徑向過盈系數；c2，c3分別為d2，d3處的軸向壓合量，mm；δ2，δ3分別為d2，d3處的軸向壓合系數。

依經驗，一般擠壓模具徑向過盈量U2，U3與軸向壓合量c2，c3均取為0.3 mm，考慮到GGr15鋼擠壓時變形抗力較大，U2，U3，c2，c3均取為0.35 mm。壓合角γ=1°30′，壓合時要求錐面貼合率大于80%。壓合時，各套依順序由外向內壓合，先將中套壓入外套，再將凹模壓入。嚴禁先將凹模壓入中套，否則，中套在沒有外套預壓保護的情況下，在凹模壓入過程中或壓入后停放時，可能發生爆裂。在中套壓入外套后，首先應精磨中套內孔，使中套內孔達到設計要求后再壓入凹模。凹模壓入后，也應對凹模內腔進行研磨，以保證所要求的尺寸精度；最后壓入凹模鑲塊，磨平組合凹模底面(圖4)，以保證工作時凹模底面受到可靠的支承。

圖4 壓配完成的組合凹模

凹模材料選用7Cr7Mo2V2Si鋼(LD鋼)，熱處理硬度為60～62 HRC[3]；中套和外套材料可選用35CrMnSiA，5CrMnMo或5CrNiMo，熱處理硬度中套為45～48 HRC，外套為40～44 HRC。

3.3 凸模設計

組合凸模由凸模芯軸和凸模組成，在裝配時靠定位圈定位，鎖緊螺母進行鎖緊固定(圖2)。凸模材料為LD鋼，采用“低淬低回”的熱處理工藝，淬火溫度為1 060 ℃，回火溫度為220 ℃，回火2次，硬度為58～60 HRC。適當降低淬火溫度，可在加熱過程中讓足夠的碳及合金元素溶入奧氏體，淬火后獲得高硬度馬氏體組織和少量的殘余奧氏體，降低了熱應力[4]；低溫回火，旨在消除淬火應力，使其盡量保持淬火狀態的尺寸，減少熱變形。

4 結束語

采用冷擠壓技術成形GGr15鋼軸承套圈，具有精密、優質、高效、低消耗及低成本等特點，發展前景良好。擠壓成形的6203軸承套圈與熱鍛軸承套圈(內、外圈用料126 g)相比，每套軸承材料減少38 g ，材料利用率提高30%以上，具有顯著的經濟效益。