一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法

专利名称：一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法
技术领域：
本发明涉及一种锥形截面环件成形的方法，具体涉及一种一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法。
背景技术：
锥形截面环件产品在工业中应用和需求量很大，比如圆锥滚子轴承内外圈等，它不仅精度要求高，而且还要求有较长的使用寿命，而这些要求的关键就在于锥形截面环件的成形质量。现有的锥形截面环件的成形往往通过车削等机加工手段来实现，传统的加工工艺为下料、镦粗、冲孔、退火、内外径粗车和精车、平端面。这样的加工工艺既浪费了材料，又费时，导致生产效率低，成本高，而且产品的组织性能也不是很好，锥形截面环件的金属纤维不连续。

发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种成本低、生产效率高、产品质量好的一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法。
为了实现上述目的，本发明采用两种技术方案第一种为整体式辗扩，即两个环件毛坯设计在一起，整体辗扩，然后采用车削的方法一分为二。一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于它包括如下步骤1).下料将棒材剪切成料段，料段长度为L＝(1-3)(2Ti)，2Ti为整体环件毛坯的轴向尺寸；2).制坯将料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成整体环件坯料；3).退火整体环件坯料退火，退火温度为600℃-800℃，时间为1～3小时；4).毛坯粗车退火后的整体环件坯料车削成为辗扩用的整体环件毛坯；锥形截面环件产品的外径为Dof、大端内径为Dif、锥面角度为α、轴向尺寸为Tf、当量辗扩比为λ，1<λ<λmax=5.5rα0Rd(1+(RdRi)),]]>Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，rα0为环件毛坯平均半径，则辗扩用的整体环件毛坯的孔径为Dii=Difλ;]]>整体环件毛坯的轴向尺寸为2Ti＝2(Tf+m)，m＝0～0.4Tf；整体环件毛坯的外径Doi根据两个锥形截面环件体积与整体环件毛坯相等的条件确定；5).冷辗扩锥环辗扩机的芯辊2上设有V型环槽，将整体环件毛坯在常温下放入辗扩机的芯辊2的V型环槽与驱动辊1之间，在辗扩机的驱动辊1的旋转辗扩运动和芯辊2的直线进给运动作用下，整体环件毛坯被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，通过辗扩变形，使整体环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥环；6).采用车削的方法将锥环一分为二，得两个锥形截面环件产品。
所述的步骤5)中冷辗扩锥环，在辗扩中的芯辊进给速度的取值范围为
vmin=6.55×10-3nRd2Rot(RotRd-RitRd)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(1)]]>vmax=2β2nRd2Rot(1+Rd/Ri)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(2)]]>式中，n为驱动辊速度，Rot，Rit分别为环件毛坯在辗扩中的瞬时大端内外径，β为摩擦角；采用由小至大，再由大至小梯速度分段进给的方式来进给。
第二种为分体式辗扩，即两个环件毛坯是独立的，再整体辗扩。一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于它包括如下步骤1).分别下料将棒材剪切成两段料段，每段料段长度为L＝(1-3)Ti，Ti为环件毛坯的轴向尺寸；2).制坯将两段料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成2个环件坯料；3).退火2个环件坯料退火，退火温度为600℃-800℃，时间为1～3小时；4).毛坯粗车退火后的2个环件坯料车削成为辗扩用的2个环件毛坯；锥形截面环件产品的外径为Dof、大端内径为Dif、锥面角度为α、轴向尺寸为Tf、当量辗扩比为λ，1<λ<λmax=5.5rα0Rd(1+(RdRi)),]]>Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，rα0为环件毛坯平均半径，则辗扩用的环件毛坯的孔径为Dii=Difλ;]]>环件毛坯的轴向尺寸为Ti＝Tf+m，m＝0～0.4Tf，环件毛坯的外径Doi根据锥形截面环件产品体积与环件毛坯相等的条件确定；5).冷辗扩成型辗扩机的芯辊2上设有V型环槽，将2个环件毛坯在常温下放置在一起同时放入辗扩机的芯辊2的V型环槽与驱动辊1之间，在辗扩机的驱动辊1的旋转辗扩运动和芯辊2的直线进给运动作用下，2个环件毛坯3被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，通过辗扩变形，使2个环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥形截面环件产品。
所述的步骤5)中冷辗扩成型，在辗扩中的芯辊进给速度的取值范围为vmin=6.55×10-3nRd2Rot(RotRd-RitRd)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(1)]]>vmax=2β2nRd2Rot(1+Rd/Ri)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(2)]]>式中，n为驱动辊速度，Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，Rot，Rit分别为环件毛坯在辗扩中的瞬时大端内外径，β为摩擦角；采用由小至大，再由大至小阶梯速度分段进给的方式来进给。
本发明由于采用冷辗扩工艺，不仅在毛坯准备阶段下料时可以节省一部分材料，而且在成形阶段不需要象传统工艺那样车削掉大量材料，因此使成本大大降低；同时可使锥形处形成连续的金属纤维组织，环件的机械物理性能得到大幅度提高，提高了产品质量；而且由于冷辗扩过程耗时很短，因此环件的生产效率相比传统工艺相比得到了很在的提高。
本发明采用辗扩机的芯辊2上设有V型环槽，驱动辊和芯辊构成的型辗扩孔型，一次冷辗扩成形两个锥形截面环件，提高了生产率，同时半闭式孔型减小了端面宽展，节约了磨削时间。本发明采用辗扩用环件毛坯尺寸，节约材料，通过合理设计环件毛坯尺寸和改善毛坯加工工艺节约材料，同时也节约了传统工艺需要切削掉的材料，降低成本。本发明设计的辗扩工艺参数(在辗扩中的进给速度)，确保了环件的圆度和控制辗扩过程平稳。在冷辗扩时无需加热，在常温下进行辗扩即可，节约能源。
在冷辗扩之前增加毛坯退火工序，可以消除由于锻打毛坯引起的加工硬化，使冷辗扩易于实现。


图1-1是本发明锥形截面环件产品示意2-1是本发明冷辗扩用整体式锥形截面环件毛坯示意2-2是本发明冷辗扩用分体式截面环件毛坯示意3-1是本发明采用的整体式半闭式孔型辗扩初始时的示意3-2是本发明采用的整体式半闭式孔型辗扩结束时的示意3-3是本发明采用的分体式半闭式孔型辗扩初始时的示意3-4是本发明采用的分体式半闭式孔型辗扩结束时的示意4是本发明锥形截面环件冷辗扩工作原理5是本发明的进给曲线示意中1-驱动辊，2-芯辊，3-2个环件毛坯(或整体环件毛坯)，4-导向辊，P为油缸施加给导向辊支撑杆的力，ω为驱动辊转速，ν为芯辊进给速度。
具体实施例方式
实例1为整体式辗扩，即两个环件毛坯设计在一起，整体辗扩，然后采用车削的方法一分为二。一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，它包括如下步骤1).下料将棒材剪切成料段，料段长度为L＝(1-3)(2Ti)，2Ti为整体环件毛坯的轴向尺寸。
2).制坯将料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成整体环件坯料。
3).退火整体环件坯料退火，退火温度为600℃-800℃，时间为1～3小时。
4).毛坯粗车退火后的整体环件坯料车削成为辗扩用的整体环件毛坯；见图1-1，锥形截面环件产品的外径为Dof、大端内径为Dif、锥面角度为α、轴向尺寸为Tf、当量辗扩比为λ，1<λ<λmax=5.5rα0Rd(1+(RdRi)),]]>Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，rα0为环件毛坯平均半径，则辗扩用的整体环件毛坯的孔径为Dii=Difλ;]]>整体环件毛坯的轴向尺寸为2Ti＝2(Tf+m)，m＝0～0.4Tf；整体环件毛坯的外径Doi根据两个锥形截面环件体积与整体环件毛坯相等的条件确定；见图2-1；为了便于辗扩成形，制坯时要严格保证辗扩用整体环件毛坯几何精度，消除环件毛坯内孔偏心、表面锤头印、冲孔毛刺等缺陷。
5).冷辗扩锥环辗扩机的芯辊2上设有V型环槽，将整体环件毛坯在常温下放入辗扩机的芯辊2的V型环槽与驱动辊1之间，在辗扩机的驱动辊1的旋转辗扩运动和芯辊2的直线进给运动作用下，整体环件毛坯被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，通过辗扩变形，使整体环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥环；辗扩过程中用稀油进行润滑冷却。
锥形截面环件辗扩成形机理如图4所示，在驱动辊1的旋转辗扩运动和芯辊2的直线进给运动作用下，整体环件毛坯3被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，产生壁厚减小、内外直径扩大的连续局部塑性变形。同时，在导向辊4的作用下，辗扩过程平稳，且整体环件毛坯圆度控制的较好。通过多转辗扩变形，使整体环件毛坯直径扩大到了规定尺寸的环件(通过检测装置在线检测)，这时整体环件毛坯辗扩过程结束。
对于锥形截面环件的冷辗扩成形，如图3-1、图3-2所示的半闭式孔型，该孔型的驱动辊直径较闭式孔型的小，也不要求辗扩机驱动辊与芯辊有很大的中心距，且改善了芯辊的强度和刚度。随着辗扩的进行，开始的半闭式孔型如图3-1所示，芯辊逐渐进给，整体环件毛坯截面逐渐进入孔型，渐渐成为接近于闭式辗扩孔型，并在辗扩结束时，环件截面完全进入孔型，如图3-2所示。
锥形截面环件的辗扩成形是在常温下进行的，且辗扩过程由于容易产生与驱动辊、芯辊粘连现象而损坏环件表面质量，因此需要油来进行润滑和冷却。其辗扩工艺参数主要包括辗扩进给速度和导向辊的随动速度与背压力。
在辗扩中的芯辊进给速度的取值范围为vmin=6.55×10-3nRd2Rot(RotRd-RitRd)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(1)]]>vmax=2β2nRd2Rot(1+Rd/Ri)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(2)]]>式中，n为驱动辊速度，Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，Rot，Rit分别为环件毛坯在辗扩中的瞬时大端内外径，β为摩擦角；一般来说，辗扩进给速度范围按式(1)和(2)计算。为了确保整体环件毛坯的圆度和控制辗扩过程平稳，经过模拟分析和大量的实验验证，锥形截面环件辗扩中采用阶梯速度分段进给的方式来进给，即在最初的一段时间内以较低的速度进给使环件毛坯易于咬入，在第二个时间段内，以较高速度进给，完成辗扩的主要部分，在第三段时间段内，以低速度进给辗扩到尺寸，最后以零进给速度来对环件整圆，直至辗扩过程结束。
6).采用车削的方法将锥环一分为二，得两个锥形截面环件产品。
具体应用实例(GB/T297-1994 329/32圆锥滚子轴承外圈辗扩成形)要求辗扩的锥形截面环件产品尺寸为外径Dof＝52mm、大端内径Dif＝44.26mm、锥面角度α＝15°、轴向尺寸Tf＝10mm。
取当量辗扩比λ＝1.734，根据体积不变的原理，则可确定整体环件毛坯外径为Doi＝37.1mm、大端内径为Dii＝25.52mm、锥面角度为α＝15°、轴向高度2Ti＝22mm。采用如图3-1所示的半封闭孔型，辗扩进给速度如图5所示。在常温下放入辗扩机孔型内进行辗扩，辗扩过程中环件与轧辊间保持良好的润滑，当环件毛坯经过多转辗扩变形且直径扩大到设定尺寸时，环件外圆表面与检测装置接触，完成辗扩，整个辗扩过程大概需要8秒左右。
实例2为分体式辗扩，即两个环件毛坯是独立的，再整体辗扩。一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，它包括如下步骤1).分别下料将棒材剪切成两段料段，每段料段长度为L＝(1-3)Ti，Ti为环件毛坯的轴向尺寸；2).制坯将两段料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成2个环件坯料；3).退火2个环件坯料退火，退火温度为600℃-800℃，时间为1～3小时；4).毛坯粗车退火后的2个环件坯料车削成为辗扩用的2个环件毛坯；锥形截面环件产品的外径为Dof、大端内径为Dif、锥面角度为α、轴向尺寸为Tf、当量辗扩比为λ，1<λ<λmax=5.5rα0Rd(1+(RdRi)),]]>Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，rα0为环件毛坯平均半径，则辗扩用的环件毛坯的孔径为Dii=Difλ;]]>环件毛坯的轴向尺寸为Ti＝Tf+m，m＝0～0.4Tf，环件毛坯的外径Doi根据锥形截面环件产品体积与环件毛坯相等的条件确定；见图2-2。
5).冷辗扩成型辗扩机的芯辊2上设有V型环槽，将2个环件毛坯在常温下放置在一起同时放入辗扩机的芯辊2的V型环槽与驱动辊1之间，在辗扩机的驱动辊1的旋转辗扩运动和芯辊2的直线进给运动作用下，2个环件毛坯3被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，通过辗扩变形，使2个环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥形截面环件产品。如图3-3、图3-4所示。
所述的步骤5)中冷辗扩成型，在辗扩中的芯辊进给速度的取值范围为vmin=6.55×10-3nRd2Rot(RotRd-RitRd)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(1)]]>vmax=2β2nRd2Rot(1+Rd/Ri)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)---(2)]]>式中，n为驱动辊速度，Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，Rot，Rit分别为环件毛坯在辗扩中的瞬时大端内外径，β为摩擦角；采用由小至大，再由大至小阶梯速度分段进给的方式来进给。
具体应用实例(GB/T297-1994329/32圆锥滚子轴承外圈辗扩成形)要求辗扩的锥形截面环件产品尺寸为外径Dof＝52mm、大端内径Dif＝44.26mm、锥面角度α＝15°、轴向尺寸Tf＝10mm。
取当量辗扩比λ＝1.734，根据体积不变的原理，则可确定分体式环件毛坯外径为Doi＝37.10mm、大端内径为Dii＝25.52mm、锥面角度为α＝15°、分体式轴向尺寸Ti＝11.00mm。采用如图3-3所示的半封闭孔型，辗扩进给速度如图5所示。在常温下放入辗扩机孔型内进行辗扩，辗扩过程中环件与轧辊间保持良好的润滑，当环件毛坯经过多转辗扩变形且直径扩大到设定尺寸时，环件外圆表面与检测装置接触，完成辗扩，整个辗扩过程大概需要8秒左右。
权利要求
1.一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于它包括如下步骤1).下料将棒材剪切成料段，料段长度为L＝(1-3)(2Ti)，2Ti为整体环件毛坯的轴向尺寸；2).制坯将料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成整体环件坯料；3).退火整体环件坯料退火，退火温度为600℃-800℃，时间为1～3小时；4).毛坯粗车退火后的整体环件坯料车削成为辗扩用的整体环件毛坯；锥形截面环件产品的外径为Dof、大端内径为Dif、锥面角度为α、轴向尺寸为Tf、当量辗扩比为λ，1<λ<λmax=5.5rα0Rd(1+(RdRi)),]]>Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，rα0为环件毛坯平均半径，则辗扩用的整体环件毛坯的孔径为Dii=Difλ;]]>整体环件毛坯的轴向尺寸B为2Ti＝2(Tf+m)，m＝0～0.4Tf；整体环件毛坯的外径Doi根据两个锥形截面环件体积与整体环件毛坯相等的条件确定；5).冷辗扩锥环辗扩机的芯辊(2)上设有V型环槽，将整体环件毛坯在常温下放入辗扩机的芯辊(2)的V型环槽与驱动辊(1)之间，在辗扩机的驱动辊(1)的旋转辗扩运动和芯辊(2)的直线进给运动作用下，整体环件毛坯被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，通过辗扩变形，使整体环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥环；6).采用车削的方法将锥环一分为二，得两个锥形截面环件产品。
2.根据权利要求1所述的一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于所述的步骤5)中冷辗扩锥环，在辗扩中的芯辊进给速度的取值范围为vmin=6.55×10-3nRd2Rot(RotRd-RitRd)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)]]>vmax=2β2nRd2Rot(1+Rd/Ri)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)]]>式中，n为驱动辊速度，Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，Rot，Rit分别为环件毛坯在辗扩中的瞬时大端内外径，β为摩擦角；采用由小至大，再由大至小阶梯速度分段进给的方式来进给。
3.一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于它包括如下步骤1).分别下料将棒材剪切成两段料段，每段料段长度为L＝(1-3)Ti，Ti为环件毛坯的轴向尺寸；2).制坯将两段料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成2个环件坯料；3).退火2个环件坯料退火，退火温度为600℃-800℃，时间为1～3小时；4).毛坯粗车退火后的2个环件坯料车削成为辗扩用的2个环件毛坯；锥形截面环件产品的外径为Dof、大端内径为Dif、锥面角度为α、轴向尺寸为Tf、当量辗扩比为λ，1<λ<λmax=5.5rα0Rd(1+(RdRi)),]]>Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，rα0为环件毛坯平均半径，则辗扩用的环件毛坯的孔径为Dii=Difλ;]]>环件毛坯的轴向尺寸为Ti＝Tf+m，m＝0～0.4Tf，环件毛坯的外径Doi根据锥形截面环件产品体积与环件毛坯相等的条件确定；5).冷辗扩成型辗扩机的芯辊(2)上设有V型环槽，将2个环件毛坯在常温下放置在一起同时放入辗扩机的芯辊(2)的V型环槽与驱动辊(1)之间，在辗扩机的驱动辊(1)的旋转辗扩运动和芯辊(2)的直线进给运动作用下，2个环件毛坯被连续地咬入驱动辊和芯辊构成的型辗扩半封闭孔型中，通过辗扩变形，使2个环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥形截面环件产品。
4.根据权利要求3所述的一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于所述的步骤5)中冷辗扩成型，在辗扩中的芯辊进给速度的取值范围为vmin=6.55×10-3nRd2Rot(RotRd-RitRd)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)]]>vmax=2β2nRd2Rot(1+Rd/Ri)2(1+RdRi+RdRot-RdRit)]]>式中，n为驱动辊速度，Rd，Ri分别为驱动辊半径和芯辊半径，Rot，Rit分别为环件毛坯在辗扩中的瞬时大端内外径，β为摩擦角；采用由小至大，再由大至小阶梯速度分段进给的方式来进给。
全文摘要
本发明涉及一种锥形截面环件成形的方法。本发明采用两种技术方案第一种为整体式辗扩，第二种为分体式辗扩。一次冷辗扩成形两个锥形截面环件的方法，其特征在于它包括如下步骤1)下料将棒材剪切成料段；2)制坯将料段加热到热变形温度后镦粗，然后冲孔、冲连皮，制成整体环件坯料；3)退火整体环件坯料退火；4)毛坯粗车退火后的整体环件坯料车削成为辗扩用的整体环件毛坯；5)冷辗扩锥环辗扩机的芯辊(2)上设有V型环槽，通过辗扩变形，使整体环件毛坯直径扩大到锥形截面环件产品尺寸成为锥环；6)采用车削的方法将锥环一分为二，得两个锥形截面环件产品。本发明具有成本低、生产效率高、产品质量好的特点。
文档编号B23P23/00GK1748898SQ20051001965
公开日2006年3月22日 申请日期2005年10月24日 优先权日2005年10月24日
发明者华林, 左治江, 蓝箭, 钱东升, 韩星会 申请人:武汉理工大学