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概述
軸承是機械基礎(chǔ)零件，廣泛用于機械、汽車、火車、船舶、飛機等工業(yè)領(lǐng)域，軸承的制造技術(shù)水平在一定程度上反映了一個國家制造業(yè)的技術(shù)水平和競爭能力。軸承由軸承環(huán)、滾動體、保持架等組件組成，軸承環(huán)是軸承中尺寸、重量和制造成本最大的組件，直接決定了軸承的性能和壽命。2012年我國滾動軸承產(chǎn)量 180 億套，軸承環(huán) 360 億件，是世界第一大軸承生產(chǎn)國。我國軸承產(chǎn)量巨大，但主要生產(chǎn)中低端產(chǎn)品。關(guān)于高鐵軸承、高速機床主軸承、航空主軸承等高端軸承的開發(fā)能力十分薄弱，甚至是空白。為了提升我國軸承自主開發(fā)和創(chuàng)新能力，迫切需要研究開發(fā)軸承組件先進制造技術(shù)。
國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973 計劃)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃)、國家自然科學基金計劃分別月 2014 年 8 月 華 林等：軸承環(huán)軋制成形理論和技術(shù) 71針對軸承制造基礎(chǔ)理論和先進技術(shù)立項開展了研究探索。軸承品種規(guī)格眾多，微型軸承環(huán)直徑為 2～3mm，超大型風電軸承環(huán)直徑為 4 000～5 000 mm。
軸承環(huán)傳統(tǒng)的加工工藝主要為熱鍛制坯和切削加工，不僅加工余量大、工時長、材料利用率低，而且金屬流線被切斷，嚴重損害了軸承產(chǎn)品的組織和性能，以致不能生產(chǎn)高端軸承。軸承環(huán)軋制(簡稱輾環(huán))成形是一種連續(xù)局部塑性成形技術(shù)，是國際高性能軸承環(huán)制造技術(shù)發(fā)展方向。
軸承環(huán)軋制成形分為徑向軋制和徑軸向軋制兩種，技術(shù)原理如下圖所示，它利用軋輥的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和直線進給作用使環(huán)件毛坯連續(xù)咬入軋制孔型，產(chǎn)生壁厚減薄、直徑增大、截面輪廓成形的連續(xù)局部塑性變形，進而直接獲得復雜截面輪廓形狀軸承環(huán)產(chǎn)品的塑性成形新技術(shù)。它具有省力、節(jié)能、節(jié)材、效率高、成本低、產(chǎn)品性能好等顯著特點，SKF、FAG、NSK、KOYO、TIMKEN 等國際著名軸承公司廣泛使用軋環(huán)成形技術(shù)特別是室溫冷軋環(huán)技術(shù)制造高性能軸承環(huán)組件。本文簡要闡述軸承輾環(huán)機軋制成形理論、工藝、裝備等研究進展和生產(chǎn)應用。
輾環(huán)機原理
1 環(huán)件軋制成形理論
軋環(huán)始于 19 世紀火車輪箍的制造 ，當時采用軋制鋼質(zhì)輪箍取代鑄鐵輪箍，以滿足火車提速要求。軋環(huán)理論研究始于 20 世紀 60 年代，JOHNSON等[7-9]針對環(huán)件軋制理論進行了開創(chuàng)性研究，通過軋制試驗和解析計算，研究了環(huán)件徑向軋制中的塑性鉸位置、壓力分布以及軋制力計算方法，從塑性力學的角度初步揭示了軋環(huán)變形的基本規(guī)律。20 世紀80 年代以來，有限元數(shù)值模擬的快速發(fā)展，軋環(huán)過程塑性變形數(shù)值分析得到了許多學者的重視 。但是，軋環(huán)變形過程穩(wěn)定實現(xiàn)、軋環(huán)技術(shù)參數(shù)設(shè)計控制等關(guān)鍵問題還需要解決。參見圖 1 徑向軋環(huán)，驅(qū)動輥作旋轉(zhuǎn)軋制運動，壓力輥作直線進給運動和旋轉(zhuǎn)軋制運動，導向輥作旋轉(zhuǎn)與跟隨導向運動，環(huán)件毛坯(簡稱環(huán)坯)在驅(qū)動輥、壓力輥和導向輥共同作用下反復通過驅(qū)動輥與壓力輥構(gòu)成的軋制孔型，產(chǎn)生壁厚減小、直徑擴大的軋環(huán)變形，直至達到規(guī)定的徑向尺寸和截面輪廓時軋環(huán)變形結(jié)束。軋環(huán)變形中，驅(qū)動輥旋轉(zhuǎn)軋制運動由電動機驅(qū)動；壓力輥直線進給運動由液壓缸驅(qū)動，壓力輥的旋轉(zhuǎn)軋制運動無動力驅(qū)動，它由環(huán)坯與壓力輥接觸面之間的摩擦力驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)軋制運動，因而壓力輥又稱為從動輥或芯輥；導向輥無動力驅(qū)動，它由環(huán)坯與其接觸面的摩擦驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)導向運動。由此可知，徑向軋環(huán)是在多輥多運動作用下的復雜運動和變形。圖 2的徑軸向軋環(huán)是在徑向軋環(huán)基礎(chǔ)上增加了一對軸向軋制錐輥，軸向錐輥同時作旋轉(zhuǎn)軋制運動、軸向直線進給運動和隨環(huán)件直徑擴大的徑向跟隨運動，進而實現(xiàn)環(huán)件的軸向變形和端面成形。從圖 1 和圖 2所示的軋環(huán)原理可知，無論是徑向軋環(huán)還是軸向軋環(huán)，它們都具有如下共同特點：
① 驅(qū)動輥作主動旋轉(zhuǎn)軋制運動，壓力輥作從動旋轉(zhuǎn)軋制運動，且兩者的軋制轉(zhuǎn)速是不同的，具有異步軋制變形性質(zhì)；
②驅(qū)動輥直徑大，壓力輥直徑小，具有非對稱軋制變形性質(zhì)；
③ 軋環(huán)過程中隨著壓力輥的直線進給運動，驅(qū)動輥與壓力輥構(gòu)成的軋制孔型逐漸變化，環(huán)件反復通過不斷變化的軋制孔型進行多轉(zhuǎn)軋環(huán)變形，具有多道次軋制變形性質(zhì)。
因此軋環(huán)變形是多種軋制變形的復合，成形規(guī)律十分復雜。軋環(huán)過程中經(jīng)常出現(xiàn)如下異?，F(xiàn)象：
① 環(huán)件不轉(zhuǎn)動，亦即環(huán)件不能咬入孔型；
② 環(huán)件轉(zhuǎn)動但不產(chǎn)生直徑擴大變形；
③ 環(huán)件被導向輥壓扁，亦即環(huán)件整體剛度失穩(wěn)；
④ 環(huán)件和軋輥產(chǎn)生強烈自激振動，壓力輥跳離環(huán)件，甚至導致軋環(huán)機主軸和壓力輥折斷。任一上述現(xiàn)象出現(xiàn)將會使軋環(huán)過程中斷，導致軋環(huán)廢品。為了實現(xiàn)軋環(huán)成形，環(huán)件必須連續(xù)咬入軋制孔型產(chǎn)生穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)軋制運動；在環(huán)件旋轉(zhuǎn)軋制運動的同時，驅(qū)動輥與壓力輥共同作用產(chǎn)生的塑性變形區(qū)應穿透環(huán)件的壁厚，進而實現(xiàn)環(huán)件壁厚整體變薄、直徑整體擴大，亦即實現(xiàn)軋環(huán)成形；在軋環(huán)過程中，環(huán)件還要具有足夠剛度，保持整體圓環(huán)形狀。針對軋環(huán)的性質(zhì)特點和異?，F(xiàn)象，國內(nèi)學者開展了深入的理論和試驗研究，提出了軋環(huán)的咬入孔型條件、塑性鍛透條件、剛性穩(wěn)定條件和運動穩(wěn)定性條件，揭示了軋環(huán)力能作用規(guī)律，初步建立了軋環(huán)成形理論框架
2 環(huán)件軋制成形技術(shù)設(shè)計
環(huán)件軋制成形技術(shù)設(shè)計的依據(jù)是環(huán)件軋制成形理論，也就是說在滿足軋環(huán)條件和力能參數(shù)的前提下，合理設(shè)計與選擇的軋環(huán)工藝參數(shù)、環(huán)坯和軋環(huán)孔型。其關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計如下所述。
2.1 軋輥直徑
2.2 軋制環(huán)件壁厚
2.3 軋制變形量
2.4 軋制進給速度
2.5 軋制進給規(guī)程
環(huán)件軋制過程從環(huán)件咬入孔型開始，經(jīng)過穩(wěn)定軋制變形，再到定徑整形結(jié)束軋制，整個過程中幾何形狀尺寸和軋制過程參數(shù)都是不斷變化的，是一個多運動耦合的復雜動態(tài)過程。要獲得合格的軋制
環(huán)件產(chǎn)品，除了合理設(shè)計軋輥孔型、環(huán)件毛坯和軋環(huán)各工藝參數(shù)外，還要合理規(guī)劃軋制進給規(guī)程，才能實現(xiàn)環(huán)件順利咬入孔型、穩(wěn)定軋制變形和精確成形。
3 軸承環(huán)軋制成形技術(shù)應用
20 世紀 80 年代以來，武漢理工大學聯(lián)合浙江天馬軸承股份有限公司、華中科技大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等，經(jīng)過深入系統(tǒng)的環(huán)件軋制理論和應用研究，開發(fā)了包括軸承環(huán)在內(nèi)的各種環(huán)
類零件室溫冷軋成形技術(shù)和高溫熱軋成形技術(shù)。此外，與浙江五洲新春集團有限公司、張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司等合作，研究開發(fā)了數(shù)控精密冷軋環(huán)機、數(shù)控精密熱軋環(huán)機和軋環(huán)過程在線測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了中小型軸承環(huán)精密冷軋成形批量生產(chǎn)和超大型軸承環(huán)精密熱軋成形批量生產(chǎn)。相關(guān)環(huán)件軋制理論和技術(shù)研究成果獲得了 2011 年國家科學技術(shù)進步二等獎。
3.1 高性能軸承環(huán)精密冷軋成形技術(shù)
GCr15 軸承鋼含碳量為 1.0%，屬于高碳鋼，塑性差，變形抗力大，難以冷軋環(huán)成形。GCr15 軸承鋼室溫冷軋成形是國際高性能軸承環(huán)先進制造技術(shù)發(fā)展方向，我國經(jīng)過深入研究開發(fā)，發(fā)明了球軸承環(huán)精密冷軋成形方法和滾子軸承環(huán)冷軋成形方法，攻克了 GCr15 軸承鋼室溫冷軋高塑性預處理、長壽命軋輥孔型設(shè)計制造、精密冷軋環(huán)過程控制等關(guān)鍵技術(shù)，突破了高碳軸承鋼冷軋成形的技術(shù)禁區(qū)。精密冷軋直接成形軸承滾道，精度為 6～7 級，高出國際先進水平 1～2 級。精密冷軋軸承環(huán)，節(jié)省了大量切削加工，節(jié)材 15%～20%，滾道內(nèi)部組織細密，金屬流線分布合理，顯著提高軸承壽命。此外，自主研發(fā)了新型數(shù)控精密冷軋環(huán)機，創(chuàng)新性地研究設(shè)計了伺服電動機-減速器-強力滾珠絲杠機構(gòu)，取代液壓伺服系統(tǒng)作為冷軋環(huán)機主傳力進給系統(tǒng)，解決了爬行和零飄問題，保持了機電伺服進給系統(tǒng)精密進給優(yōu)點，實現(xiàn)了 50 t 重載塑性變形條件下的軸承環(huán)冷軋精密進給，進給精度達到 0.005 mm，加工精度達到φ 100 mm±0.05 mm，高于德國和日本同類型精密冷軋環(huán)機加工精度φ 100 mm±0.1 mm。應用精密冷軋技術(shù)和裝備批量生產(chǎn)的軸承環(huán)不僅替代進口，還大量出口瑞典 SKF、德國 FAG、日本 NSK、美國 TIMKEN 等國際著名軸承公司，實現(xiàn)了軸承環(huán)制造從熱鍛低性能粗坯到冷軋高性能精坯的重大技術(shù)突破。精密冷軋成形的典型軸承環(huán)如下圖 所示。
3.2 超大型環(huán)件精密熱軋成形技術(shù)
超大型環(huán)件是指直徑 5 m 以上的風電軸承環(huán)件、石油化工容器環(huán)件、核電反應堆環(huán)件、武器裝備環(huán)件等超大型無縫環(huán)件，是關(guān)系到國家重大裝備和國防安全的關(guān)鍵零件。我國經(jīng)過深入研究開發(fā)，發(fā)明了超大型復雜無縫環(huán)件精密熱軋成形方法，攻克了徑軸向軋環(huán)工藝規(guī)劃、軋環(huán)運動協(xié)調(diào)與變形匹配技術(shù)，研制了超大型復雜環(huán)件精密熱軋生產(chǎn)線。精密熱軋成形了直徑 9 m 的無縫環(huán)件(圖 4)，圓度圖 3 典型精密冷軋軸承環(huán)為 8 mm，圓度誤差小于國際 0.1%的先進水平。該技術(shù)打破了國際封鎖，實現(xiàn)了超大型復雜無縫環(huán)件熱軋成形批量生產(chǎn)，解決了我國重大裝備和國防建設(shè)急需的超大型復雜無縫環(huán)件的制造難題。熱軋超大型環(huán)件還出口美國 GE、丹麥 VESTAS 等國際著名公司，使我國成為具有先進水平的國際大型復雜無縫環(huán)件重要生產(chǎn)基地。
4 軸承環(huán)軋制理論和技術(shù)發(fā)展趨勢
軸承作為關(guān)鍵基礎(chǔ)零件，直接影響到裝備的工作性能和壽命。高性能長壽命軸承是裝備發(fā)展的必然要求，也是軸承技術(shù)的發(fā)展方向。軸承環(huán)作為軸承的本體組件，其軋制成形理論和技術(shù)發(fā)展趨勢有如下特點。
4.1 軸承環(huán)軋制成形理論
軸承環(huán)軋制成形理論研究將從軋制變形條件等宏觀層面延伸至組織演化等微觀層面，針對軸承環(huán)軋制控形控性科學和技術(shù)問題，開展基體組織和表面狀態(tài)軋制過程演化機理和控制方法基礎(chǔ)研究，為軸承環(huán)軋制成形成性一體化提供理論支撐。
4.2 軸承環(huán)軋制成形技術(shù)
4.2.1 大規(guī)格軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)
國內(nèi)外生產(chǎn)實踐充分表明，軸承環(huán)冷軋成形可以獲得細密的晶粒組織和合理分布的金屬流線，是高性能軸承環(huán)不可替代的成形制造技術(shù)。然而，由于高碳鉻軸承鋼 GCr15 塑性差、變形抗力大，目前冷軋成形的軸承環(huán)尺寸規(guī)格限于直徑 220 mm 以下，還不能冷軋成形更大規(guī)格的軸承環(huán)。鑒此，近期需要研究開發(fā)直徑 300～500 mm 的大規(guī)格軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)與裝備，以擴大軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)應用范圍，實現(xiàn)大規(guī)格軸承環(huán)冷軋成形技術(shù)生產(chǎn)。
4.2.2 軸承環(huán)熱軋成形控制技術(shù)
目前直徑 200 mm 以上的軸承環(huán)普遍采用熱軋成形生產(chǎn)，毛坯加熱溫度波動大，始軋溫度與終軋溫度波動大，軸承環(huán)熱軋成形一致性差，軸承環(huán)熱軋成形后自然隨機冷卻，以致熱軋成形的軸承環(huán)組織狀態(tài)和性能離散度大，難以滿足高性能軸承環(huán)組織質(zhì)量要求。這種軸承環(huán)熱軋成形狀況，也是我國許多軸承企業(yè)不能制造高性能軸承的重要原因。因此迫切需要研究開發(fā)軸承環(huán)熱軋成形控制技術(shù)，通過加熱、軋制變形和軋后冷卻過程控制，實現(xiàn)軸承環(huán)熱軋成形組織狀態(tài)和力學性能控制，保證熱軋軸承環(huán)組織性能一致性。
5 未來展望
在國家自然科學基金重點項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863 計劃)項目、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973 計劃)項目以及企業(yè)科技攻關(guān)項目等支持下，我國經(jīng)過 20 多年的產(chǎn)學研合作研究，建立了環(huán)件軋制理論和技術(shù)設(shè)計方法，發(fā)明了高性能軸承環(huán)精密冷軋成形技術(shù)和超大型復雜環(huán)件精密熱軋成形技術(shù)，開發(fā)了數(shù)控精密冷、熱軋環(huán)裝備，實現(xiàn)了高碳鉻軸承鋼冷軋環(huán)成形批量生產(chǎn)和超大型復雜環(huán)件熱軋成形批量生產(chǎn)。冷軋成形的高性能軸承環(huán)不僅在我國得到廣泛應用，還大量出口瑞典 SKF、德國FAG、日本 NSK、美國 TIMKEN 等國際著名軸承公司。熱軋成形的超大型無縫環(huán)件直徑達到 9 m，打破了國際技術(shù)封鎖，有力促進了我國重大裝備和國防建設(shè)。通過環(huán)類零件軋制成形理論和技術(shù)研究及應用，有力促進了我國環(huán)類零件精密軋制成形技術(shù)與裝備自主創(chuàng)新和發(fā)展。