本发明属于轴承制造技术领域，具体涉及一种圆锥滚子轴承外圈精密冷轧成形方法。
背景技术：
圆锥滚子轴承作为可承受径、轴向联合载荷的一类典型滚动轴承，在汽车、轧机、矿山、冶金装备领域有着广泛的应用，尤其对于高速重载装备支承传动发挥着重要作用。轴承套圈(包括内圈和外圈)是轴承承载的基体，对轴承的服役性能和寿命有着决定性的影响，是轴承制造的核心。由于圆锥滚子轴承套圈形状复杂，工业生产中普遍采用热成形后切削加工的方式，其中热成形工艺主要为锻造挤压成形或者锻造挤压制坯后热轧成形。
传统的圆锥滚子轴承套圈热成形方式在技术经济性和成形质量方面存在以下显著问题：1、能耗高，烧损大，材料利用率低；2、成形精度低，切削量大，对金属流线的完整性破坏大；3、晶粒组织较为粗大。热成形工艺问题不仅影响了轴承套圈生产效率和成本，而且损害了其机械性能，也影响了轴承服役性能，尤其对于需要在高速、重载、冲击等恶劣工况下长寿命服役的高品质圆锥滚子轴承，现有的热成形工艺已然无法满足需求。
冷轧环(简称冷轧)作为一种先进的精密塑性成形技术，不仅节能、节材、高效，而且通过室温精密成形获得完整致密的金属流线和细匀的晶粒组织，能够显著强化力学性能和疲劳性能，在轴承套圈工业生产中已经广泛应用，是替代热成形成为高性能轴承套圈的主流制造技术。由于轴承钢室温塑性低、冷成形性差，轴承套圈冷轧成形的截面形状较为简单，一般为矩形截面和对称异形截面。然而，圆锥滚子轴承套圈具有非对称突变截面几何特点，冷轧成形难度大，对工艺设计规划提出了很高要求，极易因设计规划不合理而产生轧制过程失稳翘曲、截面成形不完整等缺陷，因此只能简化形状轧制成形再切削加工，不仅耗材耗时，而且无法获得完整合理分布的金属流线，制约了冷轧技术经济效果和产品质量，以圆锥滚子轴承套圈为代表的非对称截面轴承套圈精密冷轧成形技术也是当前高性能轴承制造业迫切需要攻克解决的关键技术。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种圆锥滚子轴承外圈精密冷轧成形方法，它通过精确设计冷轧环坯和孔型、合理规划轧制过程，可实现非对称内锥形截面形状轴承外圈精密成形，获得高精度和完整致密金属流线，提高产品制造技术经济性和质量性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种圆锥滚子轴承外圈精密冷轧成形方法，外圈环件为内设有环件锥形孔的圆柱体结构，包括以下步骤：
s1、环坯设计：将环坯内同轴设有环坯锥形孔和环坯柱形孔，环坯柱形孔与环坯锥形孔的小径端连接，环坯柱形孔的直径小于环坯锥形孔小径端的直径，环坯的总高度略小于外圈环件的总高度，基于体积不变原理，根据外圈环件的各尺寸设计环坯的各尺寸；
s2、冷轧成形：冷轧孔型由驱动辊和芯辊的工作面组成，驱动辊的工作面形状与外圈环件外表面形状一致，芯辊的工作面形状与外圈环件内表面形状一致，驱动辊和芯辊均设计为工字型，将环坯放入驱动辊与芯辊之间，驱动辊和芯辊上下两端的凸缘分别对环坯的两端面进行轴向约束，驱动辊做旋转运动，同时芯辊做径向进给运动，对环坯进行冷轧成形，得到外圈环件。
按上述技术方案，步骤s1中，环坯尺寸设计具体包括以下步骤：
s101、将外圈环件内的环件锥形孔沿高度方向分为小锥形孔和大锥形孔，以b、b1、b2分别表示外圈环件总高度、小锥形孔高度、大锥形孔高度，取b1＝(0.3～0.5)b，以v、v1、v2分别表示外圈环件总体积、小锥形孔对应的部分环件体积和大锥形孔对应的部分环件体积，则有b＝b1+b2，v＝v1+v2；
s102、以d0、ds0、dm0、db0分别表示环坯外径、环坯柱形孔内径、环坯锥形孔小径端内径、环坯锥形孔大径端内径，以b0、b10、b20分别表示环坯总高度、环坯柱形孔高度和环坯锥形孔高度，以l表示环坯柱形孔与环坯锥形孔小径端连接处形成的台阶长度，以v0、v10、v20分别表示环坯总体积、环坯柱形孔对应的部分环坯体积和环坯锥形孔对应的部分环坯体积；
环坯高度设计：b0＝b-δb，δb取0.2～0.5mm，b10＝b0b1/b，b20＝b0-b10；
环坯体积满足：v0＝v10+v20＝v，v10/v20＝v1/v2；
环坯柱形孔内径ds0＝ds/λ，ds为外圈环件锥形孔小径端的直径，λ为轧制比，λ取值为1.25～1.35；
环坯外径
台阶长度
环坯锥形孔小径端内径dm0＝ds0+2l；
环坯锥形孔大径端内径
按上述技术方案，步骤s2包括驱动辊设计，驱动辊的工作尺寸包括：
工作面半径rd＝500vd/πnd，
型腔高度bd＝b，
型腔侧壁宽度
脱模斜度αd＝3°～6°，
其中，vd为驱动辊线速度，vd取1.1～1.6m/s，nd为驱动辊转速，nd＝n/η，n为设备电机转速，η为设备减速机传动比，b为外圈环件的总高度，d为外圈环件外径，db为外圈环件锥形孔大径端的直径。
按上述技术方案，步骤s2包括芯辊设计，芯辊的工作尺寸包括：
工作面小端半径ris满足
工作面大端半径rib＝ris+bitanθ，
型腔高度bi＝b+0.2，
小端侧壁宽度
大端侧壁宽度sib＝sis+bitanθ，θ为环件锥形孔的斜度，
芯辊脱模斜度αi＝3°～6°。
按上述技术方案，考虑设备的极限闭合中心距限制，驱动辊工作面半径rd与芯辊工作面小端半径ris按下式进行校核：
其中，lmax和lmin分别为设备允许的最大极限闭合中心距和最小极限闭合中心距。
按上述技术方案，步骤s2包括冷轧过程设计，冷轧过程采用三阶段阶梯式进给，分为高速进给、中速进给和低速进给，各阶段进给量和进给速度按下式控制：
高速进给量δh1＝0.3δh，高速进给速度ν1＝(1.5～2)νmin；
中速进给量δh2＝0.6δh，中速进给速度ν2＝(1～1.5)νmin；
低速进给量δh3＝0.1δh，低速进给速度ν3＝(0.2～0.5)νmin；
其中，δh为轧制总进给量，
本发明产生的有益效果是：本发明圆锥滚子轴承外圈精密冷轧成形方法，基于合精确的冷轧环坯和孔型设计，结合合理的冷轧过程规划，可以实现非对称内锥形截面形状轴承外圈精密成形，相比传统简化截面形状成形，能够获得沿截面轮廓仿形分布的金属流线，而且减少后续切削对流线完整性的破坏，同时能够减少切削材料和工时消耗，从而提高产品性能、材料利用率和生产效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中外圈环件的结构示意图；
图2是本发明实施例中外圈环件冷轧成形原理图；
图3是沿图2中a-a线的剖视图；
图4是本发明实施例中环坯的结构示示意图；
图5是本发明实施例中驱动辊的结构示意图；
图6是本发明实施例中芯辊的结构示意图；
图7是本发明实施例中外圈环件冷轧进给规程示意图。
图中：1-驱动辊，2-芯辊，3-环件，4-导向辊。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种圆锥滚子轴承外圈精密冷轧成形方法，如图1所示，外圈环件为内设有环件锥形孔的圆柱体结构，包括以下步骤：
s1、环坯设计：环坯的截面形状反映了金属体积的初始分配特点，也影响着环坯与孔型接触模式，对轧制过程金属流动和过程受力稳定性有重要影响，对于圆锥滚子轴承外圈精密冷轧，为了有利于截面成形，同时控制轧制过程稳定性，环坯截面形状设计为一种内表面带锥度和台阶的锥台复合结构，如图4所示，将环坯内同轴设有环坯锥形孔和环坯柱形孔，环坯柱形孔与环坯锥形孔的小径端连接，环坯柱形孔的直径小于环坯锥形孔小径端的直径，环坯的总高度略小于外圈环件的总高度，基于体积不变原理，根据外圈环件的各尺寸设计环坯的各尺寸；
s2、冷轧成形：轧制孔型设计包括孔型结构和工作尺寸设计，即驱动辊和芯辊的结构和工作尺寸，为了抑制轧制过程中环坯因受力不均匀而产生轴向窜动或翻转，同时保障成形环件端面平整度，轧制孔型采用半闭式孔型结构，驱动辊和芯辊分别设计为“工”字型结构，其上下侧壁分别对环坯外径端面和内径端面进行轴向约束，此外，驱动辊和芯辊工作面形状分别与成形环件外表面和内表面形状一致，如图2、图3所示，冷轧孔型由驱动辊1和芯辊2的工作面组成，驱动辊的工作面形状与外圈环件外表面形状一致，芯辊的工作面形状与外圈环件内表面形状一致，驱动辊和芯辊均设计为工字型，将环坯3放入驱动辊与芯辊之间，并设置导向辊4对环坯进行导向，驱动辊和芯辊上下两端的凸缘分别对环坯的两端面进行轴向约束，驱动辊做旋转运动，同时芯辊做径向进给运动，对环坯进行冷轧成形，得到外圈环件。
在本发明的优选实施例中，步骤s1中，环坯尺寸设计具体包括以下步骤：
s101、如图1所示，将外圈环件内的环件锥形孔沿高度方向分为小锥形孔和大锥形孔，以b、b1、b2分别表示外圈环件总高度、小锥形孔高度、大锥形孔高度，取b1＝(0.3～0.5)b，以v、v1、v2分别表示外圈环件总体积、小锥形孔对应的部分环件体积和大锥形孔对应的部分环件体积，则有b＝b1+b2，v＝v1+v2；
s102、如图4所示，以d0、ds0、dm0、db0分别表示环坯外径、环坯柱形孔内径、环坯锥形孔小径端内径、环坯锥形孔大径端内径，以b0、b10、b20分别表示环坯总高度、环坯柱形孔高度和环坯锥形孔高度，以l表示环坯柱形孔与环坯锥形孔小径端连接处形成的台阶长度，以v0、v10、v20分别表示环坯总体积、环坯柱形孔对应的部分环坯体积和环坯锥形孔对应的部分环坯体积；
环坯高度设计：为了便于环坯放入轧制孔型，环坯高度略小于环件高度，b0＝b-δb，δb取0.2～0.5mm，b10＝b0b1/b，b20＝b0-b10；
环坯体积满足：v0＝v10+v20＝v，v10/v20＝v1/v2；
以外圈环件锥形孔小径端的直径ds与环坯柱形孔内径ds0之比作为圆锥滚子轴承外圈冷轧成形轧制比λ，即λ＝ds/ds0，轧制比反映了环坯冷轧变形程度过大，过大的轧制比会使材料因大塑性变形而损伤甚至产生裂纹，过小的轧制比不能使金属充分充填轧制孔型使截面完整成形，对于圆锥滚子轴承外圈冷轧，为了抑制材料损伤开裂同时有利于截面成形，轧制比λ应控制在1.25～1.35范围，则有ds0＝ds/λ；
环坯外径
台阶长度
环坯锥形孔小径端内径dm0＝ds0+2l；
环坯锥形孔大径端内径
在本发明的优选实施例中，步骤s2包括驱动辊设计，如图5所示，驱动辊的工作尺寸包括：
工作面半径rd＝500vd/πnd，
型腔高度bd＝b，
型腔侧壁宽度
脱模斜度αd＝3°～6°，
其中，vd为驱动辊线速度，vd取1.1～1.6m/s，nd为驱动辊转速，nd＝n/η，n为设备电机转速，η为设备减速机传动比，b为外圈环件的总高度，d为外圈环件外径，db为外圈环件锥形孔大径端的直径。
在本发明的优选实施例中，步骤s2包括芯辊设计，如图6所示，芯辊的工作尺寸包括：
工作面小端半径ris满足
工作面大端半径rib＝ris+bitanθ，
型腔高度bi＝b+0.2，
小端侧壁宽度
大端侧壁宽度sib＝sis+bitanθ，θ为环件锥形孔的斜度，
芯辊脱模斜度αi＝3°～6°。
在本发明的优选实施例中，考虑设备的极限闭合中心距限制，驱动辊工作面半径rd与芯辊工作面小端半径ris按下式进行校核：
其中，lmax和lmin分别为设备允许的最大极限闭合中心距和最小极限闭合中心距。
冷轧过程规划主要为规划轧制进给规程，即对轧制过程中进给量和进给速度进行设计控制，它对于轧制过程稳定性、轧制精度和轧制效率都有着重要的影响，对于圆锥滚子轴承外圈冷轧，首先应保障轧制过程稳定性，同时兼顾轧制精度和轧制效率，在本发明的优选实施例中，如图7所示，步骤s2包括冷轧过程设计，冷轧过程采用三阶段阶梯式进给，分为高速进给、中速进给和低速进给，各阶段进给量和进给速度按下式控制：
高速进给量δh1＝0.3δh，高速进给速度ν1＝(1.5～2)νmin；
中速进给量δh2＝0.6δh，中速进给速度ν2＝(1～1.5)νmin；
低速进给量δh3＝0.1δh，低速进给速度ν3＝(0.2～0.5)νmin；
其中，δh为轧制总进给量，
以某型号圆锥滚子轴承外圈为对象，需要冷轧成形的圆锥滚子轴承外圈外径d、大孔端内径db、小孔端内径ds、高度b以及锥度θ分别为83mm、74.35mm、67.8mm、22mm、12°，按本发明所提供的方法设计冷轧环坯、孔型和规划冷轧进给规程。
(1)冷轧环坯：轧制比选1.3，环坯高度b0为21.5mm、矩形环高度b10为5.86mm、矩形环内径ds0为50mm、锥形环小孔内径dm0为53.55mm、锥形环大孔内径db0为58.41mm、环坯外径d0为70.89mm。
(2)冷轧孔型：选取驱动辊线速度vd为1.5mm/s，根据设备电机和减速机参数以及极限闭合中心距，确定驱动辊工作半径rd为103.5mm，确定型腔高度bd为22mm、型槽侧壁宽度sd为1.91mm、脱模斜度αd为6°，确定芯辊工作半径ris为25mm、型腔高度bi为22.2mm、小端侧壁宽度sis为1.91mm、大端侧壁宽度sib为2.12mm、脱模斜度αi为6°。
(3)冷轧进给规程：结合以上参数，确定总进给量δh为1.546mm、最小进给速度极限vmin为0.605mm/s，则高速进给阶段进给量δh1为0.46mm、进给速度v1为0.9mm/s，中速进给阶段进给量δh2为0.928mm、进给速度v2为0.7mm/s，低速进给阶段进给量δh3为0.158mm、进给速度v3为0.2mm/s。
经与圆锥轴承滚子外圈传统简化成形矩形截面形状轧制成形工艺相比，上述实施例采用本发明，可节约材料约19.1％，节约加工工时约2min。
其它材料和尺寸规格的圆锥滚子轴承外圈冷轧成形工艺与上述实例相同，实施效果也相同，在此不再逐一列举实施例。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。