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内圈冷轧成形方法。
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一些显著问题：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内圈冷轧成形方法，它通过精确设计冷轧环坯和孔型、合理规划轧制过程，实现非对称内锥形截面形状精密成形，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：
一种圆锥滚子轴承内圈冷轧成形方法，内圈环件包括环件圆台体以及位于环件圆台体小径端的小挡圈和位于环件圆台体大径端的大挡圈，内圈环件内设有环件圆柱形孔，包括以下步骤：
s1、环坯设计：将环坯沿高度方向依次分为平滑连接的环坯小圆柱体、环坯小圆台体、环坯大圆台体和环坯大圆柱体，环坯小圆柱体的高度略小于小挡圈的高度，环坯大圆柱体的高度略小于大挡圈的高度，环坯小圆台体和环坯大圆台体的高度之和等于环件圆台体的高度，基于体积不变原理，根据内圈环件的各尺寸设计环坯的各尺寸；
s2、冷轧成形：轧制孔型采用半闭式孔型结构，驱动辊、芯辊和导向辊均设计为工字型结构，驱动辊和导向辊的工作面形状与内圈环件的外表面形状一致，芯辊的工作面形状与内圈环件的内表面形状一致，将环坯放入驱动辊与芯辊之间，并通过导向辊进行导向，驱动辊、芯辊和导向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，得到内圈环件。
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、设计轧制比λ取值1.20～1.35；
s102、以d1、d2、d3、d4、d分别表示小挡圈外径、环件圆台体小端外径、环件圆台体大端外径、大挡圈外径、环件内径，以θ表示环件圆台体的锥度，以b、b1、b2、b3分别表示内圈环件的总高度、小挡圈的高度、环件圆台体的高度、大挡圈的高度，以v、v1、v2、v3分别表示内圈环件的总体积、小挡圈的体积、环件圆台体的体积、大挡圈的体积，则有b＝b1+b2+b3、v＝v1+v2+v3；
s103、以d10、d20、d30、d40、d0分别表示环坯小圆柱体的外径、环坯小圆台体大径端的外径、环坯大圆台体大径端的外径、环坯大圆柱体的外径、环坯的内径，以b0、b10、b20、b30、b40分别表示环坯总高度、环坯小圆柱体的高度、环坯小圆台体的高度、环坯大圆台体的高度、环坯大圆柱体的高度，以v0、v10、v20、v30、v40分别表示环坯的总体积、环坯小圆柱体的体积、环坯小圆台体的体积、环坯大圆台体的积、环坯大圆柱体的体积；
环坯高度设计：b0＝b10+b20+b30+b40，b10＝b1-(0.2～0.9)mm，
b40＝b3-(0.2～0.9)mm，b2＝b20+b30；
环坯体积满足：v0＝v10+v20+v30+v40，v10＝v1，v40＝v3，v20+v30＝v2，v20＝(0.2～0.4)v2，v10/v20＝v1/v2；
环坯内径：d0＝d/λ；
环坯外径设计：
d40≥d30≥d20≥d10。
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：
驱动辊工作面半径rd＝500vd/πnd，vd为驱动辊线速度，nd＝n/η为驱动辊转速，n为设备电机转速，η为设备减速机传动比；
驱动辊型腔高度：驱动辊大圆柱体高度bd1＝b1，驱动辊圆台体高度bd2＝b2，驱动辊小圆柱体高度bd3＝b3；
驱动辊型腔侧壁宽度：
驱动辊上凸缘与驱动辊大圆柱体的半径差
驱动辊大圆柱体与驱动辊圆台体大径端的半径差
驱动辊圆台体小径端与驱动辊小圆柱体的半径差
驱动辊小圆柱体与驱动辊下凸缘的半径差
脱模斜度：驱动辊上凸缘脱模斜度αd1＝3°～6°，驱动辊下凸缘脱模斜度αd2＝3°～6°，驱动辊圆台体的锥度θd＝θ。
按上述技术方案，vd取1.1～1.6m/s。
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：
芯辊工作面半径ri满足
芯辊型腔高度bi＝b+0.2mm，
芯辊侧壁宽度
芯辊脱模斜度αi＝3°～6°。
按上述技术方案，步骤s2包括芯辊设计，考虑设备的极限闭合中心距限制，驱动辊工作面半径rd与芯辊工作面半径ri按下式进行校核：
其中，lmax与lmin是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包括导向辊设计，导向辊的工作尺寸包括：
导向辊工作面半径rg＝sg4+(2～5)mm，
导向辊型腔高度：导向辊大圆柱体高度bg1＝bd1，导向辊圆台体高度bg2＝bd2，导向辊小圆柱体高度bg3＝bd3，
导向辊型腔侧壁宽度：导向辊上凸缘与导向辊大圆柱体的半径差sg1＝sd1，
导向辊大圆柱体与导向辊圆台体大径端的半径差sg2＝sd2，
导向辊圆台体小径端与导向辊小圆柱体的半径差sg3＝sd3，
导向辊小圆柱体与导向辊下凸缘的半径差sg4＝sd4，
脱模斜度：导向辊上凸缘脱模斜度αg1＝3°～6°，导向辊下凸缘凸模斜度αg2＝3°～6°，导向辊圆台体的锥度θg＝θ。
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三个阶段，各阶段进给量和进给速度按下式设计和控制：
高速进给量δh1＝0.3δh，高速进给速度ν1＝(1.5～3)νmin；
中速进给量δh2＝0.6δh，中速进给速度ν2＝(1.5～2)νmin；
低速进给量δh3＝0.1δh，低速进给速度ν3＝(0.2～1)νmin；
其中，δh为轧制总进给量，νmin为最小极限进给速度，
本发明产生的有益效果是：本发明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是本发明实施例中内圈环件的结构示意图；
图2是本发明实施例中内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是本发明实施例中导向辊的结构示意图；
图8是本发明实施例中内圈环件冷轧进给规程示意图。
图中：1-驱动辊，2-芯辊，3-内圈环件，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。
一种圆锥滚子轴承内圈冷轧成形方法，如图1所示，内圈环件包括环件圆台体以及位于环件圆台体小径端的小挡圈和位于环件圆台体大径端的大挡圈，内圈环件内设有环件圆柱形孔，该方法包括以下步骤：
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。对于圆锥滚子轴承内圈冷轧，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外表面两侧带台阶、中间部分带锥度的锥台复合结构，其两端台阶部分为矩形截面、中间部分端为锥形截面，如图4所示，将环坯沿高度方向依次分为平滑连接的环坯小圆柱体、环坯小圆台体、环坯大圆台体和环坯大圆柱体，环坯小圆柱体的高度略小于小挡圈的高度，环坯大圆柱体的高度略小于大挡圈的高度，环坯小圆台体和环坯大圆台体的高度之和等于环件圆台体的高度，基于体积不变原理，根据内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、芯辊和导向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、芯辊和导向辊均设计为工字型结构，驱动辊和导向辊的工作面形状与内圈环件的外表面形状一致，芯辊的工作面形状与内圈环件的内表面形状一致，如图2、图3所示，冷轧孔型由驱动辊1、芯辊2和导向辊4的工作面组成，驱动辊和导向辊的工作面形状与内圈环件外表面形状一致，芯辊的工作面形状与内圈环件内表面形状一致，将环坯放入驱动辊与芯辊之间，并通过导向辊进行导向，驱动辊、芯辊和导向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，得到内圈环件3。
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、以冷轧成形环件内径与环坯内径之比作为轧制比λ，即λ＝d/d0，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，对于圆锥滚子轴承内圈冷轧，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1.20～1.35范围；
s102、如图1所示，以d1、d2、d3、d4、d分别表示小挡圈外径、环件圆台体小端外径、环件圆台体大端外径、大挡圈外径、环件内径，以θ表示环件圆台体的锥度，以b、b1、b2、b3分别表示内圈环件的总高度、小挡圈的高度、环件圆台体的高度、大挡圈的高度，以v、v1、v2、v3分别表示内圈环件的总体积、小挡圈的体积、环件圆台体的体积、大挡圈的体积，则有b＝b1+b2+b3、v＝v1+v2+v3；
s103、如图4所示，以d10、d20、d30、d40、d0分别表示环坯小圆柱体的外径、环坯小圆台体大径端的外径、环坯大圆台体大径端的外径、环坯大圆柱体的外径、环坯的内径，以b0、b10、b20、b30、b40分别表示环坯总高度、环坯小圆柱体的高度、环坯小圆台体的高度、环坯大圆台体的高度、环坯大圆柱体的高度，以v0、v10、v20、v30、v40分别表示环坯的总体积、环坯小圆柱体的体积、环坯小圆台体的体积、环坯大圆台体的积、环坯大圆柱体的体积；
环坯高度设计：b0＝b10+b20+b30+b40，b10＝b1-(0.2～0.9)mm，
b40＝b3-(0.2～0.9)mm，b2＝b20+b30；
环坯体积满足：v0＝v10+v20+v30+v40，v10＝v1，v40＝v3，v20+v30＝v2，v20＝(0.2～0.4)v2，v10/v20＝v1/v2；
环坯内径：d0＝d/λ；
环坯外径设计：
d40≥d30≥d20≥d10。
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：
驱动辊工作面半径rd＝500vd/πnd，vd为驱动辊线速度，通常取1.1～1.6m/s，nd＝n/η为驱动辊转速，n为设备电机转速，η为设备减速机传动比；
驱动辊型腔高度：驱动辊大圆柱体高度bd1＝b1，驱动辊圆台体高度bd2＝b2，驱动辊小圆柱体高度bd3＝b3；
驱动辊型腔侧壁宽度：
驱动辊上凸缘与驱动辊大圆柱体的半径差
驱动辊大圆柱体与驱动辊圆台体大径端的半径差
驱动辊圆台体小径端与驱动辊小圆柱体的半径差
驱动辊小圆柱体与驱动辊下凸缘的半径差
脱模斜度：驱动辊上凸缘脱模斜度αd1＝3°～6°，驱动辊下凸缘脱模斜度αd2＝3°～6°，驱动辊圆台体的锥度θd＝θ。
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：
芯辊工作面半径ri满足
芯辊型腔高度bi＝b+0.2mm，
芯辊侧壁宽度
芯辊脱模斜度αi＝3°～6°。
在本发明的优选实施例中，步骤s2包括芯辊设计，考虑设备的极限闭合中心距限制，驱动辊工作面半径rd与芯辊工作面半径ri按下式进行校核：
其中，lmax与lmin是设备允许的最大极限闭合中心距和最小极限闭合中心距。
在本发明的优选实施例中，步骤s2包括导向辊设计，如图7所示，导向辊的工作尺寸包括：
导向辊工作面半径rg＝sg4+(2～5)mm，
导向辊型腔高度：导向辊大圆柱体高度bg1＝bd1，导向辊圆台体高度bg2＝bd2，导向辊小圆柱体高度bg3＝bd3，
导向辊型腔侧壁宽度：导向辊上凸缘与导向辊大圆柱体的半径差sg1＝sd1，
导向辊大圆柱体与导向辊圆台体大径端的半径差sg2＝sd2，
导向辊圆台体小径端与导向辊小圆柱体的半径差sg3＝sd3，
导向辊小圆柱体与导向辊下凸缘的半径差sg4＝sd4，
脱模斜度：导向辊上凸缘脱模斜度αg1＝3°～6°，导向辊下凸缘凸模斜度αg2＝3°～6°，导向辊圆台体的锥度θg＝θ。
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，对于圆锥滚子轴承内圈冷轧，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，如图8所示，在本发明的优选实施例中，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三个阶段，各阶段进给量和进给速度按下式设计和控制：
高速进给量δh1＝0.3δh，高速进给速度ν1＝(1.5～3)νmin；
中速进给量δh2＝0.6δh，中速进给速度ν2＝(1.5～2)νmin；
低速进给量δh3＝0.1δh，低速进给速度ν3＝(0.2～1)νmin；
其中，δh为轧制总进给量，νmin为最小极限进给速度，
以某型号圆锥滚子轴承为对象，需要冷轧成形的圆锥滚子轴承内圈的d、d1、d2、d3、d4分别为45.17mm、53.9mm、52.1mm、58.6mm、63mm，b、b1、b2、b3分别为26.1mm、3.9mm、17.7mm、4.5mm，锥度θ为9.31°，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。
本发明包括以下步骤：
(1)冷轧环坯：轧制比λ选1.28，计算得到环坯各尺寸如下：d0、d10、d20、d30、d40分别为35.3mm、47mm、47mm、48.7mm、57.1mm，b0、b10、b20、b30、b40分别为25mm、3.5mm、5.5mm、11.7mm、4.3mm；
(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107mm，确定型腔高度bd为26.1mm、bd1为3.9mm，bd2为17.7mm，bd3为4.5mm，型槽侧壁宽度sd1为1.8mm、sd2为0.98mm，sd3为2.6mm，sd4为6.4mm，锥度θd为9.31°，脱模斜度αd1、αd2均为6°，确定芯辊工作半径ri为13mm、型腔高度bi为26.4mm、小端侧壁宽度si为1.9mm，脱模斜度αi为6°，确定导向辊工作半径rg为10mm，型腔高度bg为26.1mm、bg1为3.9mm，bg2为17.7mm，bg3为4.5mm，型槽侧壁宽度sg1为1.8mm、sg2为0.98mm，sg3为2.6mm，sg4为6.4mm，锥度θg为9.31°，脱模斜度αg1为6°，αg2为4°；
(3)冷轧进给规程：结合以上参数，确定总进给量δh为2.385mm、最小进给速度极限vmin为0.309mm/s，则高速进给阶段进给量δh1为0.72mm、进给速度v1为0.7mm/s，中速进给阶段进给量δh2为1.43mm、进给速度v2为0.5mm/s，低速进给阶段进给量δh3为0.235mm、进给速度v3为0.2mm/s。
经与圆锥轴承滚子内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法，可节约材料约35.7％，节约加工工时约3min。
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。