內外球面金屬環件的冷輾擴加工方法及其裝置的製作方法
2023-06-06 01:25:56 4
專利名稱：內外球面金屬環件的冷輾擴加工方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及軸承零件加工技術，特別是涉及一種以冷輾擴的方法加工內、外球 面金屬環件的方法及其相應裝置的技術。
背景技術：
內、外球面金屬環件廣泛應用於軸承領域，典型的工件例如帶座軸承的外環、 調心軸承的外環、關節軸承的關節、萬向球籠保持器等。所採用的材料常見的有軸 承鋼、不鏽鋼和低碳合金鋼等。這一類型的零件除了要求有較高的製造精度外，由 於其工作場合多數用於汽車、農機和機械等領域，對其內在質量也有較高要求。
目前這一類零件的典型加工工藝為鋼材經鍛造或穿孔拔管改制，形成具有一 定加工留量的金屬環件，再以各種類型的金屬切削工具機通過多道工序加工成具有一 定尺寸精度和形位公差的零件。這種傳統的加工方法具有以下不足之處
1) 球面加工效率低，由於內球面或外球面多用仿形車床、數控車床或專用球面 車床加工，加工時刀具沿一定軌跡對工件進行切削，並且受毛坯形狀限制，需要多 次走刀才能完成一個工作面的加工，因此生產效率較低；
2) 浪費材料，受鍛造和制管條件限制，工件毛坯是按照成品工件的內、外徑的 最大直徑處放機加工留量的，受球面弧度的影響，大量的材料被白白浪費；
3)切削過程切斷了金屬纖維，使工件的機械性能受到影響。
發明內容
針對上述現有技術中存在的缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種能提 高環件的機械性能，生產效率高，工件形狀一致性好，加工精度高、材料利用率高 的內、外球面金屬環件的冷輾擴加工方法及其裝置。
為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種內、外球面金屬環f^的冷輾擴加 工裝置，包括軸線平行的輾壓輪、芯軸、二個支撐輪、託輥，其特徵在於，芯軸中 部的凸型槽用於冷輾工件內球面的成形，即芯軸的外圓凸型槽軸向截面的形狀與成 品工件軸向截面的內球面(徑)形狀一致，以形成環件的內球面，芯軸凸型槽(軸 向)的二側為左右二支撐輪；輾壓輪的外圓凹型槽用於冷輾工件外球面的成形，即 所述凹型槽截面形狀與成品工件軸向截面的外形吻合，以形成環件的外球面；輾壓 輪外圓凹型槽的圓弧的中線與芯軸外圓凸型槽的圓弧的中線相重合；左右二支撐輪 之間對應的側面為工件的止推面，其與工件兩端面為動配合，以限制輾擴過程中工 件的軸向移動；冷輾擴過程中，工件置於輾壓輪的外圓凹型槽與芯軸的外圓凸型槽 形成的半封閉的加工孔型內，所述輾壓輪為主動輪，支撐輪和芯軸向輾壓輪方向做 進給運動，在凹型槽與凸型槽的共同作用下使工件逐步輾擴為成品。
進一步的，所述託輥在輾擴加工過程中(徑向的)從外向內始終頂住工件，用 於穩定工件位置和限制工件軸向移動；所述託輥軸向截面圓弧凹型槽的形狀與成品 工件軸向截面的外形吻合，託輥截面的圓弧的中線與輾壓輪外圓凹型槽的圓弧的中 線和芯軸外圓凸型槽的圓弧的中線相重合，以保證工件受力的平衡並保證成品的外 形。
進一步的，所述託輥通過滾針軸承繞託輥軸迴轉，鎖緊螺母通過隔套消除兩端 推力軸承的軸向間隙，微調螺杆調整託輥軸向位置，百分表用作位置指示，使託輥 (截面)的圓弧的中線與輾壓輪外圓凹型槽的圓弧的中線和芯軸外圓凸型槽的圓弧 的中線相重合，緊定螺釘固定託輥軸向位置。
進一步的，所述的左右二支撐輪之間對應的側面與工件兩端面的間距均為 0. 5mm。
進一步的，所述的金屬環件的材質為軸承鋼、不鏽鋼和低碳合金鋼。
進一步的，所述支撐輪採用Crl2MoV經過淬火，硬度範圍HRc58 62,其左右 二支撐輪之間對應的側面(止推面)粗糙度RaO. 1，表面3 5um TiC鍍膜，與金 屬的摩擦係數小於0.15。
為了解決上述技術問題，本發明所提供的一種內、外球面金屬環件的冷輾擴加 工方法，包括以卞步驟；
1) 材料改制；將材料製成環件；
2) 材料軟化；將製成的環件進行熱處理退火，獲得較低的硬度以便於實施冷輾
擴；
3) 冷輾毛坯製備； 冷輾毛坯的內徑
formula see original document page 7其中A: = 1.35 —1.55 (^。冷輾毛坯內徑-d:冷輾成品內徑
冷輾毛坯的高度
formula see original document page 7
其中:成品工件高度 //。毛坯高度:成品法向壁厚 力壁厚修正係數 /2 :輾擴比修正係數A :輾擴比
冷輾毛坯外徑的確定根據輾擴前後工件重量不變的原則，由上述公式確定毛 坯內徑和高度後，通過重量與體積計算能求得對應的外徑；
將軟化後的環件經過切削加工製成符合所述冷輾毛坯內徑、外徑和高度的冷輾
毛坯；以供冷輾擴
4) 冷輾擴成型；使用冷輾毛坯，在冷輾擴工具機上，採用內、外球面金屬環件加 工裝置，並經調整，使託輥的圓弧的中線、芯軸的圓弧的中線與工件圓弧的中線吻 合，同時調節支撐輪，使支撐輪止推面與工件的間距到合適狀態；執行冷輾擴過程，
模具部分中輾壓輪的外圓凹型槽和芯軸的外圓凸型槽軸使工件實現成型，而所述託 輥和支撐輪的止推面用於穩定工件位置和限制工件軸向移動。
進一步的，所述步驟2)中熱處理退火後製成環件的硬度範圍為HB160 217, o s《320MPa。
進一步的，所述步驟l)中將材料(棒料)鍛造成管狀的環件。
進一步的，所述步驟l)中將材料製成鋼管再切斷成環件。
利用本發明提供的內、外球面金屬環件的冷輾擴加工方法及其裝置，由於採用
冷輾擴成型的方法加工內、外球面金屬環件，具有效率高，精度好的優點。由於是
利用成型模具一次輾擴加工成型，被加工件的形狀精度由模具保證，因此工件形狀
一致性好，精度高；內、外球面一次成型，其同軸度遠高於切削加工獲得的工件。
在冷輾擴過程中，金屬材料的流線按模具輪廓取向，無斷頭，金屬組織更緻密，因
此有利於提高環件的機械性能。冷輾擴本身是無切削加工，所用毛坯形狀簡單，口
徑小，容易製備，其切削佘量小，相對傳統方式，可節約大量原材料，有利於降低
成本。
圖1-l為本發明實施例內、外球面金屬環件形式之一示意圖； 圖l-2為本發明實施例內、外球面金屬環件形式之二示意圖； 圖1-3為本發明實施例內、外球面金屬環件形式之三示意圖； 圖2為本發明實施例內、外球面金屬環件冷輾用毛坯的示意圖； 圖3為本發明實施例內、外球面金屬環件冷輾擴狀態的示意圖； 圖4為本發明圖3實施例的A向視圖5為本發明實施例內、外球面金屬環件冷輾擴用軸向微調託輥示意圖。 圖中l-輾壓輪；2-芯軸；3-內、外球面金屬環件；4-支撐輪；5-託輥6-託 輥架；7-滾針軸承；8-推力軸承；9-託輥軸；10-微調螺杆座；11-微調螺杆；12-
緊定螺絲；13-隔套；14-鎖緊螺母；15-百分表架；16-百分表。
具體實施例方式
以下結合
對本發明的實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於 限制本發明，凡是採用本發明的相似方法、結構及其相似變化，均應列入本發明的 保護範圍。
本發明實施例所提供的一種內、外球面金屬環件的冷輾擴加工方法及其裝置。 如圖1-1所示，所述的內、外球面金屬環件，為萬向球籠保持器，材料為20CrMo;
圖l-l中H為環件高度，d)D為環件外徑，-d為環件內徑，S為環件法向壁厚； 本發明實施例所提供的一種內、外球面金屬環件的冷輾擴加工方法實現的步驟
如下
1) 鋼材鍛造(改制)；將適當重量的金屬棒料切斷一加熱一鍛造，鍛造成金屬 環形件；
2) 材料軟化；對鍛造後的環件進行球化退火處理，以獲得較低的硬度以便於實 施冷輾擴，經退火軟化後的環件硬度範圍HB160 217。 os《320MPa;
3) 冷輾擴毛坯製備；經過軟化後的環件經過切削加工達到一定幾何精度後供冷 輾擴，冷輾毛坯的重量與冷輾後成品重量相同；冷輾擴毛坯應符合一定的精度要求； 其幾何尺寸由以下方法確定如圖l-l,圖1-2,圖l-3所示，成品工件內徑為0d 輾擴比1<=1.35 1.55，若取k-1.35,則毛坯內徑^o^0c/1^^0/1.35。成品工件高 度為H,設工件法(徑)向壁厚S〈9,則毛坯高度H。=H—0.10—5 S-2—1/2(1.35 — 1.4)=H—0.125 — 5S—2;在冷輾擴前後，毛坯與成品工件重量是一致的，則在計算出 毛坯的內徑0c/。和高度H。後，由成品工件的重量即可計算出毛坯的外徑巾D。；按照 計算出的毛坯尺寸，對經過軟化的毛坯鍛件進行加工，採用切削形式去除鍛件的餘 量，以獲得一定精度的毛坯。毛坯的尺寸公差應與成品工件的尺寸公差一致，通過 冷輾擴口徑擴大後，誤差會有所減小。根據工件的不同要求，冷輾毛坯的尺寸精度、
形狀、外觀需要相應調整；
4)冷輾擴成型；冷輾毛坯在冷輾機上需要通過冷輾(專用)裝置才能完成冷輾 擴成型過程。所述的冷輾(專用)裝置如圖3、 4所示，包括轉軸方向一致(軸線平 行)的輾壓輪l、芯軸2、支撐輪4、託輥5等，其中，芯軸2 (軸向)的中部的凸 型槽21用於冷輾工件3內球面的成形，即芯軸的外圓凸型槽21軸向截面的形狀與 成品工件軸向截面的內球面(徑)形狀一致，以形成環件的內球面，芯軸2凸型槽 (軸向)21的二側為芯軸的驅動段22,分別對應於左右二支撐輪4,輾壓輪的外圓 的凹型槽11用於冷輾工件外球面的成形，即所述凹型槽截面形狀與成品工件軸向截 面的外形吻合，以形成環件的外球面；輾壓輪l外圓凹型槽ll的圓弧的中線與芯軸 2外圓凸型槽21的圓弧的中線X相重合；冷輾擴過程中，工件3置於輾壓輪的外圓 凹型槽與芯軸的外圓凸型槽形成的半封閉的加工孔型內，輾壓輪l為主動輪，帶動 工件3旋轉，支撐輪4與芯軸2的驅動段22接觸後，驅動芯軸2向輾壓輪1方向做 進給運動，當芯軸切入工件後，在摩擦力的作用下，帶動芯軸和支撐輪被動轉動； 同時採用潤滑油或潤滑液對工作區進行潤滑兼冷卻。當芯軸持續進行進給時，模具 孔型截面逐步減小，工件逐步變形，壁厚減薄，直徑擴大，其截面逐步與模具孔型 所吻合直至完全成型。
內外球面環件在輾擴過程中，由於球面具有調心作用，導致其容易在模具孔型 內偏擺，導致輾擴過程惡化，破壞工件甚至模具，因此必須通過專用裝置對其輾擴 狀態進行控制。
所述的專用裝置如圖4所示，支撐輪4採用Crl2MoV或類似牌號的材料製成。 經過淬火後硬度範圍服c58 62,左右二支撐輪之間對應的側面為工件3的止推面F, 所述止推面F經精密磨削並研磨後粗糙度RaO.l，對表面進行CVD處理，獲得3 5 ym的TiC鍍膜，鍍膜經研磨去除氧化層後，與金屬的摩擦係數小於O. 15。當工件 3居於正中位置時，分別調整左右二支撐輪的止推面F，使其與工件兩端面間距r均
為0.5ram，當輾擴過程工件發生偏擺後，某一端面在與同側支撐輪接觸後被止推面F 限位，由於止推面F的鍍膜與環件之間的摩擦係數很低，同時有潤滑液的作用，兩 者之間不會產生劃傷或粘連，從而對工件起到糾偏作用，使芯軸凸型槽截面的圓弧 的中線與工件截面圓弧的中線X在輾擴過程中始終保持吻合。
所述的專用裝置如圖5所示，所述託輥5在輾擴加工過程中從外向內始終頂住 工件3，起穩定工件位置和限制工件軸向移動的作用。託輥5在工件3的作用力下 旋轉，並對工件3起反作用力，工件輾擴過程中逐步漲大，推動託輥5向工件下方 退讓。所述託輥5軸向截面圓弧凹型槽的形狀與成品工件軸向截面的外形吻合，託 輥5截面的圓弧的中線與輾壓輪1外圓凹型槽的圓弧的中線和芯軸2外圓凸型槽的 圓弧的中線相重合，才能保證工件受力的平衡並保證工件的外形。託輥通過滾針軸 承7繞託輥軸9迴轉，託輥軸9安裝在支架板6上，鎖緊螺母14通過隔套13消除 兩端推力軸承8的軸向間隙。調整時，旋動固定在微調螺杆座10上的微調螺杆11， 即可帶動託輥做軸向移動，在支架板6上固定有百分表架15，百分表架上安裝有百 分表16，用作位置指示。當調整到位後，鎖緊緊定螺釘12,避免託輥受力後位置變 動。在整個輾擴過程中，由於託輥的圓弧始終與工件圓弧吻合，可有效限制工件的 擺動。
本實施例所述的工件為20CrMo材質的球籠保持器。但應用不限於上述實施例， 當加工如附圖1-2、 1-3的工件時，採用相應形狀的輾壓輪、芯軸及託輥，並正確調 整支撐輪的止推面位置，即可進行冷輾擴加工。
權利要求
1、一種內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置，包括軸線平行的輾壓輪、芯軸、二個支撐輪、託輥，其特徵在於，芯軸中部的凸型槽用於冷輾工件內球面的成形，芯軸凸型槽的二側為左右二支撐輪；輾壓輪的外圓凹型槽用於冷輾工件外球面的成形；輾壓輪外圓凹型槽的圓弧的中線與芯軸外圓凸型槽的圓弧的中線相重合；左右二支撐輪之間對應的側面與工件兩端面為動配合；冷輾擴過程中，工件置於輾壓輪的外圓凹型槽與芯軸的外圓凸型槽形成的半封閉的加工孔型內，所述輾壓輪為主動輪，支撐輪和芯軸向輾壓輪方向做進給運動，在凹型槽與凸型槽的共同作用下使工件逐步輾擴為成品。
2、 根據權利要求l所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置，其特徵在於， 所述託輥在輾擴加工過程中從外向內始終頂住工件，用於穩定工件位置和限制工件 軸向移動；所述託輥軸向截面圓弧凹型槽的形狀與成品工件軸向截面的外形吻合， 託輥截面的圓弧的中線與輾壓輪外圓凹型槽的圓弧的中線和芯軸外圓凸型槽的圓弧 的中線相重合，以保證工件受力的平衡並保證成品的外形。
3、 根據權利要求l所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置，其特徵在於， 所述託輥通過滾針軸承繞託輥軸迴轉，鎖緊螺母通過隔套消除兩端推力軸承的軸向 間隙，微調螺杆調整託輥軸向位置，百分表用作位置指示，使託輥的圓弧的中線與 輾壓輪外圓凹型槽的圓弧的中線和芯軸外圓凸型槽的圓弧的中線相重合，緊定螺釘 固定託輥軸向位置。
4、 根據權利要求l所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置，其特徵在於， 所述的左右二支撐輪之間對應的側面與工件兩端面的間距均為0. 5mm。
5、 根據權利要求l所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置，其特徵在於， 所述的金屬環件的材質為軸承鋼、不鏽鋼和低碳合金鋼。
6、 根據權利要求l所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置，其特徵在於， 所述支撐輪採用Crl2MoV經過淬火，硬度範圍HRc58 62，其左右二支撐輪之間對 應的側面粗糙度RaO.l，表面3 5um TiC鍍膜，與金屬的摩擦係數小於0. 15。
7、 一種權利要求l、 2所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工裝置的加工方法， 其特徵在於，包括以下步驟；1) 材料改制；將材料製成環件；2) 材料軟化；將製成的環件進行熱處理退火，以便於實施冷輾擴；3) 冷輾毛坯製備； 冷輾毛坯的內徑formula see original document page 3:其中formula see original document page 3冷輾毛坯內徑^J:冷輾成品內徑冷輾毛坯的高度formula see original document page 3時formula see original document page 3其中:成品工件高度 。毛坯高度5 :成品法向壁厚,:壁厚修正係數 /2 :輾擴比修正係數A::輾擴比冷輾毛坯外徑的確定根據輾擴前後工件重量不變的原則，由上述公式確定毛 坯內徑和高度後，通過重量與體積計算能求得對應的外徑；將軟化後的環件經過切削加工製成符合所述冷輾毛坯內徑、外徑和高度的冷輾 毛坯；以供冷輾擴；4) 冷輾擴成型；使用冷輾毛坯，在冷輾擴工具機上，採用所述內、外球面金屬環 件加工裝置，並經調整，使託輥的圓弧的中線、芯軸的圓弧的中線與工件圓弧的中 線吻合，同時調節支撐輪，使支撐輪止推面與工件的間距為動配合；執行冷輾擴過程，模具部分中輾壓輪的外圓凹型槽和芯軸的外圓凸型槽軸使工件實現成型，而所 述託輥和支撐輪的止推面用於穩定工件位置和限制工件軸向移動。
8、 根據權利要求7所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工方法，其特徵在於， 所述步驟2)中熱處理退火後製成環件的硬度範圍為HB160 217， os《320MPa。
9、 根據權利要求7所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工方法，其特徵在於， 所述步驟l)中將材料鍛造成管狀的環件。
10、 根據權利要求7所述的內外球面金屬環件的冷輾擴加工方法，其特徵在於， 所述步驟l)中將材料製成鋼管再切斷成環件。
全文摘要
一種內外球面金屬環件的冷輾擴加工方法及其裝置，涉及軸承零件加工技術領域；所要解決的是軸承零件的內、外球面金屬環件加工的技術問題；所述的內、外球面金屬環件加工方法包括如下步驟1)鋼材改制，將金屬棒料改制成環件；2)材料軟化，將環件進行熱處理獲得較低的硬度以便於實施冷輾擴；3)冷輾毛坯製備，採用切削加工將環件加工成一定精度的冷輾擴毛坯；4)冷輾擴成型，執行冷輾擴過程，模具部分中輾壓輪的外圓凹型槽和芯軸的外圓凸型槽軸使工件實現成型，而所述託輥和支撐輪的止推面用於穩定工件位置和限制工件軸向移動。本發明具有能提高環件的機械性能，生產效率高，工件形狀一致性好，加工精度高、材料利用率高的特點。
文檔編號B21H1/00GK101176903SQ200710045678
公開日2008年5月14日 申請日期2007年9月6日 優先權日2007年9月6日
發明者岷 劉 申請人:岷 劉