专利名称：汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺及其锻造模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车零部件的加工制造工艺和制造模具，特别是一种应用于汽车重要的动作零部件轴承圈加工中的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺及其锻造模具。
背景技术：
传统的汽车零部件，尤其是汽车轴承圈的加工多采用高温锻造、再进行机械切削的制造工艺。高温锻造是一种粗锻工艺，这种“热粗锻+机械切削”的制造工艺有以下缺陷1、加工的产品存在品质缺陷，产品尺寸一致性差、容易产生脱碳、氧化等毛病，而且经过高温锻造过的轴承圈再经退火、切削等一系列加工之后，其材质会回复原材料的疏松材质，使后续深加工后的轴承等汽车零部件耐用性能不高，达不到强化设计的目的；2、由于高温锻造是一种粗锻工艺，加工件的毛坯有很多的切削余量，材料浪费大，一般会留有30％左右的余量，成本将增加15％左右；3、由于高温锻造产生的加工件的毛坯有很多的切削余量，需要进行复杂的机械切削加工，工作量大，生产周期长；4、高温锻造生产环境恶劣，噪音大，且能耗高。
近年来，部分汽车零部件的加工采用冷精锻造工艺，替代传统的“热粗锻”的加工工艺。冷精锻造工艺是利用常温下塑性金属材料在超高压状态下的蠕变原理进行加工的工艺。冷精锻造工艺加工的零部件具有抗拉、抗弯、抗压、抗震、耐冲击、耐疲劳等特性。冷精锻造工艺锻造的产品精度高，后续机械切削工作量小，冷精锻技术较传统的“热粗锻”的加工技术具有经济、节能、降耗、环保等优点。然而，现有的冷精锻造工艺需要成套专用装备，投资较大，而且这些装备的功能以闭塞锻造和分流锻造为主，只能进行“短小精悍”的批量零部件锻造，如齿轮、高强度螺丝等，缺乏通用性，广泛地推广应用存在一定的困难。现有技术的模具采用一体化的实心冲头，如图5所示，这种结构的冲头更换不方便，而且使用时折断率很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的缺陷，提供一种能替代传统的“热粗锻”的、用接近净形的精密锻造工艺——冷精锻技术，制造汽车轮毂，即锥形推力轴承的内外圈部件，具有加工产品质量好、制造成本低、生产装备投资少、能实现规模化生产等优点的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺。
本发明所要解决的技术问题还有提供一种结构合理、使用寿命长，在锻造时能完成挤压预热步骤的用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是该汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺，其特点是所述的冷精锻造工艺是在常温下进行的接近净形的精密锻造工艺，该锻造工艺采用复合式锻造模具，包括下料、预处理、高压锻造成型和锻造后处理工序，所述的高压锻造成型工序包含连贯作业的挤压预热和挤压成型步骤。
本发明汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺所述的挤压预热和挤压成型步骤在同一台或分二台锻压机进行。
本发明汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺所述的预处理工序包含球化退火、去表面氧化层和表面润滑步骤。
本发明汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺所述的锻造后处理工序包含应力时效处理和探伤检测。
本发明汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺所述的挤压预热和挤压成型的挤压压力为20Mpa-30Mpa，挤压行程的线速度为每秒55毫米-65毫米。
本发明解决上述问题所采用的技术方案还有该用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具，其结构特点是所述的锻造模具是复合式锻造模具，主要由上、下模架、冲头、法兰体、紧固件构成，冲头与法兰体连接后装在上模架上、且通过紧固件固定，上、下模架配套对应，所述的冲头的中心钻有一个通孔，冲头与法兰体连接处呈上粗下细的圆锥体。
本发明用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具所述的下模架包括成形凹模体、顶料垫块、支承座和下模架底座，顶料垫块的上端伸进成形凹模体的中心孔内，成形凹模体固定在支承座上，支承座装在下模架底座上、且通过紧固件固定，所述的成型凹模体的坯料导入段中部的内圆壁设置有往外凸的韧带。
本发明用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具所述的冲头的通孔直径为冲头外径的10％-20％，所述的成型凹模体的韧带的径向直径比成型凹模体坯料导入段的径向直径小0.09-0.1毫米，韧带的宽度为2.5-3.5毫米。
本发明用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具所述的上、下模架之间装有导柱，导柱外圈套有导套，所述的紧固件为锁紧螺母。
本发明用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具所述的成型凹模体选用比重高、耐冲击的钢结硬质合金或高速钢材料，冲头选用SKD11或65Nb钢材，冲头采用预置硬度及灰光离子氮化复合热处理工艺、立方碳化物涂覆处理工艺。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明冷精锻造工艺锻压加工的产品质量保证。运用冷精锻的挤压蠕变原理进行冷精锻制坯，锻造的轴承圈金相结构致密、均称，具有抗拉、抗弯、抗压、抗震、耐冲击、耐疲劳等优点。本发明用连贯作业法进行挤压预热和挤压成型，提高和保证锻压件金属流线分布的正常、稳定，能提高轴承寿命，保证设计精度，用该制造工艺生产的轴承圈经磨削、精衍等深加工后装用于汽车上，疲劳寿命可达30万公里以上。2、制造成本低、生产效益高。应用本发明接近净形的冷精锻造工艺加工的汽车锥形推力轴承内外圈为精坯，可以实现最小化的后序切削余量，切削余量约3％左右，材料利用率高、生产周期短、生产效益高。用本发明作为汽车轴承深加工的前道工序，具有省工、省时、节能、降耗、环保等优点。3、生产装备投资少、能实现规模化生产。本发明锻造工艺采用复合式锻造模具在液压机上完成锻压，设备简单、投资少，且能实现规模化生产。4、用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具结构合理。本发明锻造模具采用复合式结构，使用方便、安装灵活。①冲头采用上圆锥度式法兰活络连接，提高冲头的通用互换性和冲头的制造精度与联接的可靠性，还能节约冲头的材料消耗。冲头的上圆锥度静态配合，受锻压压力作用时，冲头上端面成为主要承受面，而上大下小的圆锥度连接设计，在起到固定作用的同时，还能使冲头对行程位移中可能出现的因同心度形位误差等引起的颤动，进行自适应修正。②冲头的中空设计有效提高冲头的抗折性。③成型凹模体上的韧带设计，能对金属挤压中的应力回弹产生止锁功能，在挤压初始阶段产生脉冲波效应，满足金属挤压成型中的物理变化需要的条件，在锻造时能完成挤压预热步骤，为挤压预热及连贯作业中提高金属材料的冷态延展性起到了复合成型的作用。④该模具设计的导柱，有很好的定位作用。5、本发明锻造模具使用寿命长。冲头的中空设计使其剪切力比实心冲头提高20％～30％，计算机模拟计算分析得出中空冲头抗拉值达到250KN、折断机率很小，实心冲头抗拉值为170KN、折断率会很高，中空冲头的寿命比实心冲头提高数倍。预置硬度及灰光离子氮化复合热处理工艺、立方碳化物涂覆处理工艺的采用，使冲头耐用性好、模具寿命提高1倍以上。
图1为本发明实施例工艺流程图。
图2为本发明实施例锻造模具结构示意图，带剖视。
图3为图2中A处放大图。
图4为本发明实施例冲头结构示意图，带剖视。
图5现有技术冲头结构示意图，带剖视。
具体实施例方式
本发明汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的实施例参见图1，该冷精锻造工艺采用复合式锻造模具，是在常温下进行的接近净形的精密锻造工艺。包括以下工序1、下料工序I，按照加工轴承内外圈的材料及尺寸要求，根据最小切制余量下料。
2、预处理工序，实施例的预处理工序包括球化退火步骤II、去表面氧化层步骤III和表面润滑步骤IV三个步骤。工件经球化退火步骤II后的硬度达HB150-170；去表面氧化层步骤III也称抛丸，去掉工件的表面氧化层；表面润滑步骤IV是使用高分子润滑剂对工件表面进行润滑处理，实施例使用的高分子润滑剂是二硫化钼润滑剂。
3、高压锻造成型工序VI，这是本锻造工艺的主要工序。在锻造成型前先进行模具安装工序V。实施例的高压锻造成型工序VI包括连贯作业的挤压预热和挤压成型两个步骤，挤压预热和挤压成型步骤可以在同一台锻压机上进行，也可以分两台锻压机进行。本实施例是采用公称力为1000KN的一台液压机来锻造的。
锻造成型工序的具体过程如下首先按照加工轴承内外圈的形状和尺寸要求选好锻造模具，并把锻造模具的上、下模架4、5固定在液压机的上下工作台上；把顶料垫块8的上端伸进成形凹模体7的中心孔内，成形凹模体7固定在支承座9上；将套有导套13的导柱12两端穿插进上模架4和下模架5的下模架底座11；用锁紧螺母6分别锁紧装有冲头1的法兰体2和上模架4、支承座9和下模架底座11；将需锻造的轴承圈坯料14放入成形凹模体7内，参见图2。然后设定液压机的工作行程，开始锻造作业，冲头1在液压机的上工作台施加的压力中向下移动，接触轴承圈坯料14，并使轴承圈坯料14进入成形凹模体7的韧带10区，韧带10对轴承圈坯料14的外围进行磨擦式挤压，由于磨擦发热，轴承圈坯料14迅速被挤压预热；液压机继续产生向下位移，冲头1继续向下，完成轴承圈坯料14的挤压成型步骤。锻造结束后，由液压机行程控制退出冲头1，利用顶料垫块8顶出已成型的轴承圈。经测试轴承圈坯料14在挤压预热步骤能被加热至100℃多度，在连续生产过程中，挤压预热将使锻造模具和轴承圈坯料14保持在150℃左右，对于冷精锻造而言，这挤压预热步骤很重要。
挤压预热和挤压成型的挤压压力为20Mpa-30Mpa，挤压行程的线速度为每秒55毫米-65毫米，具体的挤压压力和线速度根据锻造零件不同而调整。实施例锻制一个约90克的轴承圈，液压机的压力保持在25Mpa以下，工作行程的线速度为每秒60毫米，大于60毫米以上会缩短锻造模具寿命，小于60毫米则会影响生产效益，完成一个轴承圈锻造需5-10秒钟。
4、锻造后处理工序，实施例的锻造后处理工序包括应力时效处理VII和探伤检测VIII二个步骤。应力时效处理VII步骤是为提高锻造件的致密度，进行450℃-550℃、2-3小时的回火处理。冷精锻的轴承内外圈硬度值为HB≤231，经应力时效处理VII步骤后，硬度有所下降，在HB180左右，可满足后序切削的需要。
本发明用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具的实施例结构参见图2-4。该锻造模具是复合式锻造模具，包括冲头1、法兰体2、上模架4、下模架5、紧固件和套有导套13的导柱12。实施例紧固件采用锁紧螺母6。下模架5由成形凹模体7、顶料垫块8、支承座9和下模架底座11构成。成型凹模体7的坯料导入段中部的内侧面设计有往外凸的韧带10，韧带10的径向直径比成型凹模体7坯料导入段的径向直径大0.09-0.11毫米，韧带10的宽度为2.5-3.5毫米。实施例锻造模具成型凹模体7上部为一个过量配合的导入口，把轴承圈坯料14导入，成型凹模体7中部设置了一组韧带10，也可设置多组，如设置多组，则冲头1的长度将相应增加。作静态比较，韧带10的径向尺寸要比轴承圈坯料14的径向尺寸要小得多，属过盈匹配，韧带10的截面宽度，一般设计在3个毫米。韧带10的尖角处需圆弧处理并要求壁表面光滑柔顺，成型凹模体7下部为实际需要的产品的容纳量，径向直径要比韧带10直径大0.1毫米左右。冲头1的中心钻有一个通孔3，通孔3直径为冲头1外径的10％-20％，实施例的通孔3直径为冲头1外径的七分之一，经试验这种空心冲头的剪切力比实心冲头可提高20％～30％，使用寿命提高数倍。实施例的冲头1前部设置了一圈裙边韧带，其宽度约3毫米、径向直径较冲头直径大0.10毫米，配合成型凹模体7坯料导入段中部的内圆壁周围设置的外凸韧带10，可有效解决现有技术中反挤深内孔不足的缺陷，利于锻造时的挤压升温和挤压蠕变。
上模架4和下模架5对应配套，上、下模架4、5之间装有导柱12。冲头1与法兰体2连接后通过锁紧螺母6固定在上模架4上，冲头1与法兰体2连接处呈上粗下细的圆锥体。顶料垫块8的上端伸进成形凹模体7的中心孔内，成形凹模体7固定在支承座9上，支承座9通过锁紧螺母6固定在下模架底座11上。
本实施例的成型凹模体7选用比重高、耐冲击的钢结硬质合金或高速钢材料，热处理硬度为HRC68-72，硬度太高模具易开裂，太低易磨损。冲头1选用日本进口的SKD11或国产65Nb钢材。冲头1采用预置硬度复合处理工艺，首先把冲头1整体硬度控制在HRC55-58间进行预置淬透，之后，进行精密加工，再进行灰光离子氮化处理，经灰光离子氮化后的表面硬度可控制在HRC65左右，使其内部具有足够的韧性和外部具有高的硬性，用这种工艺制作的冲头耐用性好，可满足规模生产的需要。为了使冷精锻轴承圈的生产规模化，实施例还采用立方碳化物涂覆工艺处理锻造模具，使锻造模具寿命提高1倍以上。
实施例锻造模具的上模架4和下模架5中的下模架底座11设计成一样，使用时能通用互换，加快安装速度。
本发明的锻造模具为提高生产效益，可以设计成一出多模。
运用本发明汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺及其锻造模具锻造的轴承，经机械工业轴承产品质量检测中心，即杭州轴承试验研究中心检测实验室检测，产品质量完全符合中国国家质量标准JB/T7361-1994、JB/T1255-2001的规定，检测结论是品质好，耐疲劳，可靠性好。
本发明锻造产品和现有技术产品的技术指标对比如下
权利要求
1.一种汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺，其特征在于所述的冷精锻造工艺是在常温下进行的接近净形的精密锻造工艺，该锻造工艺采用复合式锻造模具，包括下料、预处理、高压锻造成型和锻造后处理工序，所述的高压锻造成型工序包含连贯作业的挤压预热和挤压成型步骤。
2.根据权利要求1所述的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺，其特征在于所述的挤压预热和挤压成型步骤在同一台或分二台锻压机进行。
3.根据权利要求1或2所述的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺，其特征在于所述的预处理工序包含球化退火、去表面氧化层和表面润滑步骤。
4.根据权利要求3所述的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺，其特征在于所述的锻造后处理工序包含应力时效处理和探伤检测。
5.根据权利要求4所述的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺，其特征在于所述的挤压预热和挤压成型的挤压压力为20Mpa-30Mpa，挤压行程的线速度为每秒55毫米-65毫米。
6.一种用于权利要求1所述的汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具，其特征在于所述的锻造模具是复合式锻造模具，主要由上、下模架、冲头、法兰体、紧固件构成，冲头与法兰体连接后装在上模架上、且通过紧固件固定，上、下模架配套对应，所述的冲头的中心钻有一个通孔，冲头与法兰体连接处呈上粗下细的圆锥体。
7.根据权利要求6所述的用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具，其特征在于所述的下模架包括成形凹模体、顶料垫块、支承座和下模架底座，顶料垫块的上端伸进成形凹模体的中心孔内，成形凹模体固定在支承座上，支承座装在下模架底座上、且通过紧固件固定，所述的成型凹模体的坯料导入段中部的内圆壁设置有往外凸的韧带。
8.根据权利要求7所述的用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具，其特征在于所述的冲头的通孔直径为冲头外径的10％-20％，所述的成型凹模体的韧带的径向直径比成型凹模体坯料导入段的径向直径小0.0-90.11毫米，韧带的宽度为2.5-3.5毫米。
9.根据权利要求7所述的用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具，其特征在于所述的上、下模架之间装有导柱，导柱外圈套有导套，所述的紧固件为锁紧螺母。
10.根据权利要求9所述的用于汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺的锻造模具，其特征在于所述的成型凹模体选用比重高、耐冲击的钢结硬质合金或高速钢材料，冲头选用SKD11或65Nb钢材，冲头采用预置硬度及灰光离子氮化复合热处理工艺、立方碳化物涂覆处理工艺。
全文摘要
本发明公开了一种汽车轴承内外圈的冷精锻造工艺及其锻造模具。该冷精锻造工艺是在常温下进行的接近净形的精密锻造工艺，采用复合式锻造模具，包括下料、预处理、高压锻造成型和锻造后处理工序，所述的高压锻造成型工序包含连贯作业的挤压预热和挤压成型步骤。该锻造模具是复合式锻造模具，主要由上、下模架、冲头、法兰体、紧固件构成，冲头与法兰体连接后装在上模架上、且通过紧固件固定，上、下模架配套对应，所述的冲头的中心钻有一个通孔，冲头与法兰体连接处呈上粗下细的圆锥体。本发明具有加工产品质量好、制造成本低、生产装备投资少、能实现规模化生产、锻造模具具有结构合理、使用寿命长，在锻造时能完成挤压预热步骤的优点。
文档编号B21K1/00GK1851281SQ20061005161
公开日2006年10月25日 申请日期2006年5月25日 优先权日2006年5月25日
发明者来海忠, 吴汉良 申请人:杭州友谐冷精锻技术有限公司