汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝及其鍛造模具的製作方法
2023-05-26 06:34:51 1
專利名稱：汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝及其鍛造模具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種汽車零部件的加工製造工藝和製造模具，特別是一種應用於汽車重要的動作零部件軸承圈加工中的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝及其鍛造模具。
背景技術：
傳統的汽車零部件，尤其是汽車軸承圈的加工多採用高溫鍛造、再進行機械切削的製造工藝。高溫鍛造是一種粗鍛工藝，這種「熱粗鍛+機械切削」的製造工藝有以下缺陷1、加工的產品存在品質缺陷，產品尺寸一致性差、容易產生脫碳、氧化等毛病，而且經過高溫鍛造過的軸承圈再經退火、切削等一系列加工之後，其材質會回復原材料的疏鬆材質，使後續深加工後的軸承等汽車零部件耐用性能不高，達不到強化設計的目的；2、由於高溫鍛造是一種粗鍛工藝，加工件的毛坯有很多的切削餘量，材料浪費大，一般會留有30％左右的餘量，成本將增加15％左右；3、由於高溫鍛造產生的加工件的毛坯有很多的切削餘量，需要進行複雜的機械切削加工，工作量大，生產周期長；4、高溫鍛造生產環境惡劣，噪音大，且能耗高。
近年來，部分汽車零部件的加工採用冷精鍛造工藝，替代傳統的「熱粗鍛」的加工工藝。冷精鍛造工藝是利用常溫下塑性金屬材料在超高壓狀態下的蠕變原理進行加工的工藝。冷精鍛造工藝加工的零部件具有抗拉、抗彎、抗壓、抗震、耐衝擊、耐疲勞等特性。冷精鍛造工藝鍛造的產品精度高，後續機械切削工作量小，冷精鍛技術較傳統的「熱粗鍛」的加工技術具有經濟、節能、降耗、環保等優點。然而，現有的冷精鍛造工藝需要成套專用裝備，投資較大，而且這些裝備的功能以閉塞鍛造和分流鍛造為主，只能進行「短小精悍」的批量零部件鍛造，如齒輪、高強度螺絲等，缺乏通用性，廣泛地推廣應用存在一定的困難。現有技術的模具採用一體化的實心衝頭，如圖5所示，這種結構的衝頭更換不方便，而且使用時折斷率很高。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，克服現有技術存在的缺陷，提供一種能替代傳統的「熱粗鍛」的、用接近淨形的精密鍛造工藝——冷精鍛技術，製造汽車輪轂，即錐形推力軸承的內外圈部件，具有加工產品質量好、製造成本低、生產裝備投資少、能實現規模化生產等優點的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝。
本發明所要解決的技術問題還有提供一種結構合理、使用壽命長，在鍛造時能完成擠壓預熱步驟的用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具。
本發明解決上述問題所採用的技術方案是該汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝，其特點是所述的冷精鍛造工藝是在常溫下進行的接近淨形的精密鍛造工藝，該鍛造工藝採用複合式鍛造模具，包括下料、預處理、高壓鍛造成型和鍛造後處理工序，所述的高壓鍛造成型工序包含連貫作業的擠壓預熱和擠壓成型步驟。
本發明汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝所述的擠壓預熱和擠壓成型步驟在同一臺或分二臺鍛壓機進行。
本發明汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝所述的預處理工序包含球化退火、去表面氧化層和表面潤滑步驟。
本發明汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝所述的鍛造後處理工序包含應力時效處理和探傷檢測。
本發明汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝所述的擠壓預熱和擠壓成型的擠壓壓力為20Mpa-30Mpa，擠壓行程的線速度為每秒55毫米-65毫米。
本發明解決上述問題所採用的技術方案還有該用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具，其結構特點是所述的鍛造模具是複合式鍛造模具，主要由上、下模架、衝頭、法蘭體、緊固件構成，衝頭與法蘭體連接後裝在上模架上、且通過緊固件固定，上、下模架配套對應，所述的衝頭的中心鑽有一個通孔，衝頭與法蘭體連接處呈上粗下細的圓錐體。
本發明用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具所述的下模架包括成形凹模體、頂料墊塊、支承座和下模架底座，頂料墊塊的上端伸進成形凹模體的中心孔內，成形凹模體固定在支承座上，支承座裝在下模架底座上、且通過緊固件固定，所述的成型凹模體的坯料導入段中部的內圓壁設置有往外凸的韌帶。
本發明用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具所述的衝頭的通孔直徑為衝頭外徑的10％-20％，所述的成型凹模體的韌帶的徑向直徑比成型凹模體坯料導入段的徑向直徑小0.09-0.1毫米，韌帶的寬度為2.5-3.5毫米。
本發明用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具所述的上、下模架之間裝有導柱，導柱外圈套有導套，所述的緊固件為鎖緊螺母。
本發明用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具所述的成型凹模體選用比重高、耐衝擊的鋼結硬質合金或高速鋼材料，衝頭選用SKD11或65Nb鋼材，衝頭採用預置硬度及灰光離子氮化複合熱處理工藝、立方碳化物塗覆處理工藝。
本發明與現有技術相比具有以下優點1、本發明冷精鍛造工藝鍛壓加工的產品質量保證。運用冷精鍛的擠壓蠕變原理進行冷精鍛制坯，鍛造的軸承圈金相結構緻密、均稱，具有抗拉、抗彎、抗壓、抗震、耐衝擊、耐疲勞等優點。本發明用連貫作業法進行擠壓預熱和擠壓成型，提高和保證鍛壓件金屬流線分布的正常、穩定，能提高軸承壽命，保證設計精度，用該製造工藝生產的軸承圈經磨削、精衍等深加工後裝用於汽車上，疲勞壽命可達30萬公裡以上。2、製造成本低、生產效益高。應用本發明接近淨形的冷精鍛造工藝加工的汽車錐形推力軸承內外圈為精坯，可以實現最小化的後序切削餘量，切削餘量約3％左右，材料利用率高、生產周期短、生產效益高。用本發明作為汽車軸承深加工的前道工序，具有省工、省時、節能、降耗、環保等優點。3、生產裝備投資少、能實現規模化生產。本發明鍛造工藝採用複合式鍛造模具在液壓機上完成鍛壓，設備簡單、投資少，且能實現規模化生產。4、用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具結構合理。本發明鍛造模具採用複合式結構，使用方便、安裝靈活。①衝頭採用上圓錐度式法蘭活絡連接，提高衝頭的通用互換性和衝頭的製造精度與聯接的可靠性，還能節約衝頭的材料消耗。衝頭的上圓錐度靜態配合，受鍛壓壓力作用時，衝頭上端面成為主要承受面，而上大下小的圓錐度連接設計，在起到固定作用的同時，還能使衝頭對行程位移中可能出現的因同心度形位誤差等引起的顫動，進行自適應修正。②衝頭的中空設計有效提高衝頭的抗折性。③成型凹模體上的韌帶設計，能對金屬擠壓中的應力回彈產生止鎖功能，在擠壓初始階段產生脈衝波效應，滿足金屬擠壓成型中的物理變化需要的條件，在鍛造時能完成擠壓預熱步驟，為擠壓預熱及連貫作業中提高金屬材料的冷態延展性起到了複合成型的作用。④該模具設計的導柱，有很好的定位作用。5、本發明鍛造模具使用壽命長。衝頭的中空設計使其剪切力比實心衝頭提高20％～30％，計算機模擬計算分析得出中空衝頭抗拉值達到250KN、折斷機率很小，實心衝頭抗拉值為170KN、折斷率會很高，中空衝頭的壽命比實心衝頭提高數倍。預置硬度及灰光離子氮化複合熱處理工藝、立方碳化物塗覆處理工藝的採用，使衝頭耐用性好、模具壽命提高1倍以上。
圖1為本發明實施例工藝流程圖。
圖2為本發明實施例鍛造模具結構示意圖，帶剖視。
圖3為圖2中A處放大圖。
圖4為本發明實施例衝頭結構示意圖，帶剖視。
圖5現有技術衝頭結構示意圖，帶剖視。
具體實施例方式
本發明汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的實施例參見圖1，該冷精鍛造工藝採用複合式鍛造模具，是在常溫下進行的接近淨形的精密鍛造工藝。包括以下工序1、下料工序I，按照加工軸承內外圈的材料及尺寸要求，根據最小切制餘量下料。
2、預處理工序，實施例的預處理工序包括球化退火步驟II、去表面氧化層步驟III和表面潤滑步驟IV三個步驟。工件經球化退火步驟II後的硬度達HB150-170；去表面氧化層步驟III也稱拋丸，去掉工件的表面氧化層；表面潤滑步驟IV是使用高分子潤滑劑對工件表面進行潤滑處理，實施例使用的高分子潤滑劑是二硫化鉬潤滑劑。
3、高壓鍛造成型工序VI，這是本鍛造工藝的主要工序。在鍛造成型前先進行模具安裝工序V。實施例的高壓鍛造成型工序VI包括連貫作業的擠壓預熱和擠壓成型兩個步驟，擠壓預熱和擠壓成型步驟可以在同一臺鍛壓機上進行，也可以分兩臺鍛壓機進行。本實施例是採用公稱力為1000KN的一臺液壓機來鍛造的。
鍛造成型工序的具體過程如下首先按照加工軸承內外圈的形狀和尺寸要求選好鍛造模具，並把鍛造模具的上、下模架4、5固定在液壓機的上下工作檯上；把頂料墊塊8的上端伸進成形凹模體7的中心孔內，成形凹模體7固定在支承座9上；將套有導套13的導柱12兩端穿插進上模架4和下模架5的下模架底座11；用鎖緊螺母6分別鎖緊裝有衝頭1的法蘭體2和上模架4、支承座9和下模架底座11；將需鍛造的軸承圈坯料14放入成形凹模體7內，參見圖2。然後設定液壓機的工作行程，開始鍛造作業，衝頭1在液壓機的上工作檯施加的壓力中向下移動，接觸軸承圈坯料14，並使軸承圈坯料14進入成形凹模體7的韌帶10區，韌帶10對軸承圈坯料14的外圍進行磨擦式擠壓，由於磨擦發熱，軸承圈坯料14迅速被擠壓預熱；液壓機繼續產生向下位移，衝頭1繼續向下，完成軸承圈坯料14的擠壓成型步驟。鍛造結束後，由液壓機行程控制退出衝頭1，利用頂料墊塊8頂出已成型的軸承圈。經測試軸承圈坯料14在擠壓預熱步驟能被加熱至100℃多度，在連續生產過程中，擠壓預熱將使鍛造模具和軸承圈坯料14保持在150℃左右，對於冷精鍛造而言，這擠壓預熱步驟很重要。
擠壓預熱和擠壓成型的擠壓壓力為20Mpa-30Mpa，擠壓行程的線速度為每秒55毫米-65毫米，具體的擠壓壓力和線速度根據鍛造零件不同而調整。實施例鍛制一個約90克的軸承圈，液壓機的壓力保持在25Mpa以下，工作行程的線速度為每秒60毫米，大於60毫米以上會縮短鍛造模具壽命，小於60毫米則會影響生產效益，完成一個軸承圈鍛造需5-10秒鐘。
4、鍛造後處理工序，實施例的鍛造後處理工序包括應力時效處理VII和探傷檢測VIII二個步驟。應力時效處理VII步驟是為提高鍛造件的緻密度，進行450℃-550℃、2-3小時的回火處理。冷精鍛的軸承內外圈硬度值為HB≤231，經應力時效處理VII步驟後，硬度有所下降，在HB180左右，可滿足後序切削的需要。
本發明用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具的實施例結構參見圖2-4。該鍛造模具是複合式鍛造模具，包括衝頭1、法蘭體2、上模架4、下模架5、緊固件和套有導套13的導柱12。實施例緊固件採用鎖緊螺母6。下模架5由成形凹模體7、頂料墊塊8、支承座9和下模架底座11構成。成型凹模體7的坯料導入段中部的內側面設計有往外凸的韌帶10，韌帶10的徑向直徑比成型凹模體7坯料導入段的徑向直徑大0.09-0.11毫米，韌帶10的寬度為2.5-3.5毫米。實施例鍛造模具成型凹模體7上部為一個過量配合的導入口，把軸承圈坯料14導入，成型凹模體7中部設置了一組韌帶10，也可設置多組，如設置多組，則衝頭1的長度將相應增加。作靜態比較，韌帶10的徑向尺寸要比軸承圈坯料14的徑向尺寸要小得多，屬過盈匹配，韌帶10的截面寬度，一般設計在3個毫米。韌帶10的尖角處需圓弧處理並要求壁表面光滑柔順，成型凹模體7下部為實際需要的產品的容納量，徑向直徑要比韌帶10直徑大0.1毫米左右。衝頭1的中心鑽有一個通孔3，通孔3直徑為衝頭1外徑的10％-20％，實施例的通孔3直徑為衝頭1外徑的七分之一，經試驗這種空心衝頭的剪切力比實心衝頭可提高20％～30％，使用壽命提高數倍。實施例的衝頭1前部設置了一圈裙邊韌帶，其寬度約3毫米、徑向直徑較衝頭直徑大0.10毫米，配合成型凹模體7坯料導入段中部的內圓壁周圍設置的外凸韌帶10，可有效解決現有技術中反擠深內孔不足的缺陷，利於鍛造時的擠壓升溫和擠壓蠕變。
上模架4和下模架5對應配套，上、下模架4、5之間裝有導柱12。衝頭1與法蘭體2連接後通過鎖緊螺母6固定在上模架4上，衝頭1與法蘭體2連接處呈上粗下細的圓錐體。頂料墊塊8的上端伸進成形凹模體7的中心孔內，成形凹模體7固定在支承座9上，支承座9通過鎖緊螺母6固定在下模架底座11上。
本實施例的成型凹模體7選用比重高、耐衝擊的鋼結硬質合金或高速鋼材料，熱處理硬度為HRC68-72，硬度太高模具易開裂，太低易磨損。衝頭1選用日本進口的SKD11或國產65Nb鋼材。衝頭1採用預置硬度複合處理工藝，首先把衝頭1整體硬度控制在HRC55-58間進行預置淬透，之後，進行精密加工，再進行灰光離子氮化處理，經灰光離子氮化後的表面硬度可控制在HRC65左右，使其內部具有足夠的韌性和外部具有高的硬性，用這種工藝製作的衝頭耐用性好，可滿足規模生產的需要。為了使冷精鍛軸承圈的生產規模化，實施例還採用立方碳化物塗覆工藝處理鍛造模具，使鍛造模具壽命提高1倍以上。
實施例鍛造模具的上模架4和下模架5中的下模架底座11設計成一樣，使用時能通用互換，加快安裝速度。
本發明的鍛造模具為提高生產效益，可以設計成一出多模。
運用本發明汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝及其鍛造模具鍛造的軸承，經機械工業軸承產品質量檢測中心，即杭州軸承試驗研究中心檢測實驗室檢測，產品質量完全符合中國國家質量標準JB/T7361-1994、JB/T1255-2001的規定，檢測結論是品質好，耐疲勞，可靠性好。
本發明鍛造產品和現有技術產品的技術指標對比如下
權利要求
1.一種汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝，其特徵在於所述的冷精鍛造工藝是在常溫下進行的接近淨形的精密鍛造工藝，該鍛造工藝採用複合式鍛造模具，包括下料、預處理、高壓鍛造成型和鍛造後處理工序，所述的高壓鍛造成型工序包含連貫作業的擠壓預熱和擠壓成型步驟。
2.根據權利要求1所述的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝，其特徵在於所述的擠壓預熱和擠壓成型步驟在同一臺或分二臺鍛壓機進行。
3.根據權利要求1或2所述的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝，其特徵在於所述的預處理工序包含球化退火、去表面氧化層和表面潤滑步驟。
4.根據權利要求3所述的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝，其特徵在於所述的鍛造後處理工序包含應力時效處理和探傷檢測。
5.根據權利要求4所述的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝，其特徵在於所述的擠壓預熱和擠壓成型的擠壓壓力為20Mpa-30Mpa，擠壓行程的線速度為每秒55毫米-65毫米。
6.一種用於權利要求1所述的汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具，其特徵在於所述的鍛造模具是複合式鍛造模具，主要由上、下模架、衝頭、法蘭體、緊固件構成，衝頭與法蘭體連接後裝在上模架上、且通過緊固件固定，上、下模架配套對應，所述的衝頭的中心鑽有一個通孔，衝頭與法蘭體連接處呈上粗下細的圓錐體。
7.根據權利要求6所述的用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具，其特徵在於所述的下模架包括成形凹模體、頂料墊塊、支承座和下模架底座，頂料墊塊的上端伸進成形凹模體的中心孔內，成形凹模體固定在支承座上，支承座裝在下模架底座上、且通過緊固件固定，所述的成型凹模體的坯料導入段中部的內圓壁設置有往外凸的韌帶。
8.根據權利要求7所述的用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具，其特徵在於所述的衝頭的通孔直徑為衝頭外徑的10％-20％，所述的成型凹模體的韌帶的徑向直徑比成型凹模體坯料導入段的徑向直徑小0.0-90.11毫米，韌帶的寬度為2.5-3.5毫米。
9.根據權利要求7所述的用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具，其特徵在於所述的上、下模架之間裝有導柱，導柱外圈套有導套，所述的緊固件為鎖緊螺母。
10.根據權利要求9所述的用於汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝的鍛造模具，其特徵在於所述的成型凹模體選用比重高、耐衝擊的鋼結硬質合金或高速鋼材料，衝頭選用SKD11或65Nb鋼材，衝頭採用預置硬度及灰光離子氮化複合熱處理工藝、立方碳化物塗覆處理工藝。
全文摘要
本發明公開了一種汽車軸承內外圈的冷精鍛造工藝及其鍛造模具。該冷精鍛造工藝是在常溫下進行的接近淨形的精密鍛造工藝，採用複合式鍛造模具，包括下料、預處理、高壓鍛造成型和鍛造後處理工序，所述的高壓鍛造成型工序包含連貫作業的擠壓預熱和擠壓成型步驟。該鍛造模具是複合式鍛造模具，主要由上、下模架、衝頭、法蘭體、緊固件構成，衝頭與法蘭體連接後裝在上模架上、且通過緊固件固定，上、下模架配套對應，所述的衝頭的中心鑽有一個通孔，衝頭與法蘭體連接處呈上粗下細的圓錐體。本發明具有加工產品質量好、製造成本低、生產裝備投資少、能實現規模化生產、鍛造模具具有結構合理、使用壽命長，在鍛造時能完成擠壓預熱步驟的優點。
文檔編號B21K1/00GK1851281SQ20061005161
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月25日 優先權日2006年5月25日
發明者來海忠, 吳漢良 申請人:杭州友諧冷精鍛技術有限公司