一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法与流程

本发明涉及锻造配件技术领域，更具体地说，涉及一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法。

背景技术：

锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。

轴承的主要零件有内外套圈、滚动体和保持架组成，内外套圈的质量在很大程度上决定着使用寿命。现在国内使用的大部分轴承的内外套圈，都用高碳铬轴承钢材料经锻造等加工而成，其使用寿命与国外同类产品相比差距甚大。根据国内外同行的生产经验和研究结果表明：影响轴承钢质量的主要因素有夹杂物、碳化物和球化组织等，这些因素最终都会影响轴承的疲劳寿命。而轴承钢夹杂物含量及特征主要取决于钢材的冶炼工艺，在轴承制造的锻造及后序工艺过程中很难加以改变。因此，本发明着重研究碳化物和球化组织等对轴承疲劳寿命的影响。很多研究资料表明：碳化物液析、碳化物带状、碳化物网状对轴承疲劳寿命的影响很大。

碳化物液析：钢液在结晶过程中，由于冷却速度过慢，造成碳成分的严重偏析。在枝晶间形成粗大的一次碳化物，这种一次碳化物很难消除。在钢材中沿轧制方向呈条状或块状分布其危害性与非金属夹杂物一样，因此，在钢材的技术标准中有严格的限制。

碳化物带状：其形成原因与碳化物液析一样。在锻造、轧制过程中被破碎的粗大一次碳化物呈小块而集聚，并沿轧制方向形成条带状分布。碳化物带状严重会影响零件的热处理质量，造成零件硬度不均匀，组织不均匀。以致造成零件热处理质量不合格。碳化物带状和碳化物液析严重时，会使轴承零件早期疲劳损坏。有资料介绍当碳化物带状达到3～4级时轴承的接触疲劳寿命降低30%左右。

碳化物网状：钢材在锻造、轧制冷却过程中，奥氏体对碳的溶解度随温度下降而下降。如在800-900℃之间冷却速度过慢，则碳从奥氏体中析出并扩散至晶界，在晶界间形成二次碳化物，呈网络状存在，故称碳化物网状。碳化物是硬而脆的相，细小、均匀、球状的碳化物有弥散强化作用，提高钢的性能。但碳化物网状分布使晶粒之间的连续性遭到破坏，严重地降低了钢的冲击韧性。因此，使轴承零件寿命降低。

现有技术对轴承零件锻造加工的首要目的描述是将棒料或料段通过锻压加工获得零件毛坯。同时消除内在缺陷，改善组织，以提高轴承的使用寿命，具体体现在通过改进热处理的方式来消除零件上的内应力，但是一方面内应力在理论上是不可能百分百完全消除的，未消除的内应力存在于零件内部成为质量隐患，另一方面消除绝大部分的内应力在短期内来说是对零件质量和强度是有利的，但是轴承套圈在实际使用过程中不可避免的会受到其套圈内部零件的径向外力，轴承套圈内部因径向外力对应产生相互作用的内应力，正是这部分内应力影响着轴承套圈的使用质量和疲劳强度，因此现有技术中轴承套圈经过消除内应力的方式虽然有所帮助，但在实际使用过程中其使用质量和疲劳强度还应得到进一步的提高。

技术实现要素：

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法，它可以实现改变传统加工过程中期望完全消除内应力的方式，在热处理的冷却阶段，通过人为制造轴承套圈内外两端的冷却速度的差异，基于其内外两端热胀冷缩不一致的原理引导热应力的产生，并在最终成型后保留热应力，用于在轴承的实际使用过程中与径向外力进行部分抵消，同现有技术相比，通过本发明成型的轴承的使用质量和疲劳强度得到显著提升，使用寿命相较得到明显延长。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法，包括以下步骤：

s1、下料：按照所需轴承套圈的重量进行下料，制成料胚；

s2、第一火次加热：将料胚送入加热炉中，温度加热至900-920℃，加热时间为20-30s，保温15-30min；

s3、预镦：料胚放在镦粗模具上进行镦粗，取出锻坯对其进行拔长直至工艺尺寸；

s4、锻模成型：先将料胚放入粗锻型腔中进行粗锻，然后吹净氧化皮、再将料胚放入精锻型腔中精锻成毛胚；

s5、切边：将尚有余温的毛胚切边形成目标锻件，切边时毛胚温度≥750℃；

s6、第二火次加热：将切边后的环坯送入加热炉中，并加热到1250-1280℃，加热时间为2-3min，保温2-4h；

s7、扩径辗环：取出环坯放入辗环机上进行辗环；

s8、热处理：第一步，淬火；第二步，回火；第三步，通过热差水冷装置进行冷却；

s9、表面清理：将锻件放入抛丸机内去毛刺；

s10、探伤和检验：对锻件进行超声波探伤后，进行硬度等理化性能的检测，得到轴承套圈。

进一步的，所述下料的材料钢号为：13crmo4-5。

进一步的，所述下料的重量与理论重量的比值为1.12-1.15:1，防止锻造过程中出现的材料损耗引起的质量和强度下降。

进一步的，所述淬火包括将锻件放入淬火槽高温淬火，高温淬火的淬火油温度控制在180-200℃，高温淬火后锻件温度控制在220-240℃，高温淬火后将锻件放置于空气中空冷，空冷后锻件温度控制在160-180℃，再将空冷后的锻件置于淬火槽内进行低温淬火，低温淬火的淬火油温度控制在60℃以下。

进一步的，所述步骤s6之前将切边后的锻件放入整形模具中进行热整形，提高锻件的形状吻合度，防止出现表面凹凸不平不够光滑的现象。

进一步的，所述回火包括将锻件放入电阻炉内，加热锻件至640-680℃，电阻炉转速设置500-550r/min，保温时间为3-4h。

进一步的，所述步骤s7中终锻温度为900-920℃。

进一步的，所述热差水冷装置包括水冷槽，所述水冷槽内底端固定连接有下隔热环，所述下隔热环上端放置锻件，所述下隔热环上侧设有上隔热环，所述上隔热环左右两端均固定连接有延长杆，所述延长杆远离上隔热环一端固定连接有滑块，所述水冷槽内端壁上开凿有一对与滑块相匹配的滑槽，且滑块与滑槽之间滑动连接，所述下隔热环外端固定连接有若干环形阵列分布的磁性弹力杆，所述上隔热环内端固定连接有环形磁铁，且环形磁铁与若干磁性弹力杆的磁性均相同。

进一步的，所述水冷槽下端开凿有中心落水孔，且中心落水孔的轴心线与下隔热环的轴心线重合，所述水冷槽下端还开凿有若干环形阵列分布的边缘落水孔，且边缘落水孔的轴心线位于下隔热环外侧。

进一步的，所述下隔热环和上隔热环内通入第一冷却水，所述下隔热环和上隔热环外通入第二冷却水，且第一冷却水的温度低于第二冷却水的温度。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本方案可以实现改变传统加工过程中期望完全消除内应力的方式，在热处理的冷却阶段，通过人为制造轴承套圈内外两端的冷却速度的差异，基于其内外两端热胀冷缩不一致的原理引导热应力的产生，并在最终成型后保留热应力，用于在轴承的实际使用过程中与径向外力进行部分抵消，同现有技术相比，通过本发明成型的轴承的使用质量和疲劳强度得到显著提升，使用寿命相较得到明显延长。

附图说明

图1为本发明主要的流程框图；

图2为本发明热差水冷装置闲置状态下的结构示意图；

图3为本发明热差水冷装置工作状态下的结构示意图。

图中标号说明：

1水冷槽、2下隔热环、3磁性弹力杆、4上隔热环、5延长杆、6滑块、7中心落水孔、8边缘落水孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

请参阅图1，一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法，包括以下步骤：

按照所需轴承套圈的重量进行下料，制成料胚，下料的材料钢号为：13crmo4-5，下料的重量与理论重量的比值为1.12:1，防止锻造过程中出现的材料损耗引起的质量和强度下降；将料胚送入加热炉中，温度加热至900℃，加热时间为20s，保温15min，采用连续送料，且加热时间快，提高生产速率；料胚放在镦粗模具上进行镦粗，取出锻坯对其进行拔长直至工艺尺寸；先将料胚放入粗锻型腔中进行粗锻，然后吹净氧化皮、再将料胚放入精锻型腔中精锻成毛胚，去除料胚表面的氧化皮，提高精锻后锻件表面的光洁度，增加结构强度；将尚有余温的毛胚切边形成目标锻件，切边时毛胚温度为800℃，提高切边后毛胚表面的平整性；将切边后的锻件放入整形模具中进行热整形，提高锻件的形状吻合度，防止出现表面凹凸不平不够光滑的现象，将环坯送入加热炉中，并加热到1250℃，加热时间为2min，保温2h；扩径辗环：取出环坯放入辗环机上进行辗环，终锻温度为900℃；第一步，淬火；第二步，回火；第三步，通过热差水冷装置进行冷却；将锻件放入抛丸机内去毛刺，提高锻件表面的平整度和光滑度；探伤和检验：对锻件进行超声波探伤后，进行硬度等理化性能的检测，得到轴承套圈。

淬火包括将锻件放入淬火槽高温淬火，高温淬火的淬火油温度控制在180℃，高温淬火后锻件温度控制在220℃，高温淬火后将锻件放置于空气中空冷，空冷后锻件温度控制在160℃，再将空冷后的锻件置于淬火槽内进行低温淬火，低温淬火的淬火油温度控制在60℃以下，回火包括将锻件放入电阻炉内，加热锻件至640℃，电阻炉转速设置500r/min，保温时间为3h。

采用淬火、回火等热处理方式，提高硬度，提高结构强度；淬火采用高温、低温两级淬火方式，且高温淬火和低温淬火之间采用空冷过渡，使工件内外温度较为均匀，同时进行马氏体转变，可以大大减小淬火应力，防止变形开裂，同时在淬火后再次采用回火空冷工艺，进一步降低锻件中的内应力，提高其延性或韧性。

请参阅图2-3，热差水冷装置包括水冷槽1，水冷槽1内底端固定连接有下隔热环2，下隔热环2上端放置锻件，即回火后的环胚，下隔热环2上侧设有上隔热环4，上隔热环4左右两端均固定连接有延长杆5，延长杆5远离上隔热环4一端固定连接有滑块6，水冷槽1内端壁上开凿有一对与滑块6相匹配的滑槽，延长杆5和滑块6配合起到对上隔热环4升降轨迹的限定作用，方便其定位压紧锻件，且滑块6与滑槽之间滑动连接，下隔热环2外端固定连接有若干环形阵列分布的磁性弹力杆3，上隔热环4内端固定连接有环形磁铁，且环形磁铁与若干磁性弹力杆3的磁性均相同，磁性弹力杆3平时用来对锻件进行初始定位的，在环形磁铁的磁斥力作用下远离锻件，减少对锻件冷却的影响，磁性弹力杆3可以为弹性杆表面设置有磁吸层，水冷槽1下端开凿有中心落水孔7，且中心落水孔7的轴心线与下隔热环2的轴心线重合，水冷槽1下端还开凿有若干环形阵列分布的边缘落水孔8，且边缘落水孔8的轴心线位于下隔热环2外侧，中心落水孔7和边缘落水孔8起到让不同的冷却水进行流动换水，进一步提高锻件水冷的速度，进而实现提高其成型强度。

下隔热环2和上隔热环4内通入第一冷却水，下隔热环2和上隔热环4外通入第二冷却水，且第一冷却水的温度低于第二冷却水的温度，通过人为制造锻件内外端面的冷却速度差异，且内端的速度快于外端，基于物体热胀冷缩不均匀的原理，从而实现赋予锻件向内的径向热应力，与其使用过程中受到的径向外力相抵消，显著提高其使用寿命。

实施例2：

请参阅图1，一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法，包括以下步骤：

按照所需轴承套圈的重量进行下料，制成料胚，下料的材料钢号为：13crmo4-5，下料的重量与理论重量的比值为1.14:1，防止锻造过程中出现的材料损耗引起的质量和强度下降；将料胚送入加热炉中，温度加热至910℃，加热时间为25s，保温20min；料胚放在镦粗模具上进行镦粗，取出锻坯对其进行拔长直至工艺尺寸；先将料胚放入粗锻型腔中进行粗锻，然后吹净氧化皮、再将料胚放入精锻型腔中精锻成毛胚；将尚有余温的毛胚切边形成目标锻件，切边时毛胚温度为850℃；将切边后的锻件放入整形模具中进行热整形，将环坯送入加热炉中，并加热到1260℃，加热时间为2.5min，保温3h；扩径辗环：取出环坯放入辗环机上进行辗环，终锻温度为910℃；第一步，淬火；第二步，回火；第三步，通过热差水冷装置进行冷却；将锻件放入抛丸机内去毛刺；探伤和检验：对锻件进行超声波探伤后，进行硬度等理化性能的检测，得到轴承套圈。

淬火包括将锻件放入淬火槽高温淬火，高温淬火的淬火油温度控制在190℃，高温淬火后锻件温度控制在230℃，高温淬火后将锻件放置于空气中空冷，空冷后锻件温度控制在170℃，再将空冷后的锻件置于淬火槽内进行低温淬火，低温淬火的淬火油温度控制在60℃以下，回火包括将锻件放入电阻炉内，加热锻件至660℃，电阻炉转速设置520r/min，保温时间为3.5h。

实施例3：

请参阅图1，一种应用于轴承套圈的预应力锻造方法，包括以下步骤：

按照所需轴承套圈的重量进行下料，制成料胚，下料的材料钢号为：13crmo4-5，下料的重量与理论重量的比值为1.15:1，；将料胚送入加热炉中，温度加热至920℃，加热时间为30s，保温30min；料胚放在镦粗模具上进行镦粗，取出锻坯对其进行拔长直至工艺尺寸；先将料胚放入粗锻型腔中进行粗锻，然后吹净氧化皮、再将料胚放入精锻型腔中精锻成毛胚；将尚有余温的毛胚切边形成目标锻件，切边时毛胚温度为900℃；将切边后的锻件放入整形模具中进行热整形，将环坯送入加热炉中，并加热到1280℃，加热时间为3min，保温4h；扩径辗环：取出环坯放入辗环机上进行辗环，终锻温度为920℃；第一步，淬火；第二步，回火；第三步，通过热差水冷装置进行冷却；将锻件放入抛丸机内去毛刺；探伤和检验：对锻件进行超声波探伤后，进行硬度等理化性能的检测，得到轴承套圈。

淬火包括将锻件放入淬火槽高温淬火，高温淬火的淬火油温度控制在200℃，高温淬火后锻件温度控制在240℃，高温淬火后将锻件放置于空气中空冷，空冷后锻件温度控制在180℃，再将空冷后的锻件置于淬火槽内进行低温淬火，低温淬火的淬火油温度控制在60℃以下，回火包括将锻件放入电阻炉内，加热锻件至680℃，电阻炉转速设置550r/min，保温时间为4h。

本发明可以实现改变传统加工过程中期望完全消除内应力的方式，在热处理的冷却阶段，通过人为制造轴承套圈内外两端的冷却速度的差异，基于其内外两端热胀冷缩不一致的原理引导热应力的产生，并在最终成型后保留热应力，用于在轴承的实际使用过程中与径向外力进行部分抵消，同现有技术相比，通过本发明成型的轴承的使用质量和疲劳强度得到显著提升，使用寿命相较得到明显延长。