我国轴承锻造工艺发展的昨天、今天、明天

[ 关键词：轴承锻造工艺　发表日期：2020-09-07 10:01:26 ]

　　本山大叔的昨天、今天、明天让我们笑了又笑，我也写篇关于我国轴承锻造工艺发展的昨天、今天、明天。近日我厂升级耐高温轴承生产设备，碰到了轴承锻造工艺部分改进，遂总结了下我国轴承锻造工艺的发展历程、现状与未来。

一、发展历程与现状

1、发展历程

　　我国中小型轴承锻造成形工艺经历了从 1980 年以前的棒料打孔、单挤、辗扩，发展到现在的自动化、近净成形、高速锻等技术，不断推陈出新。

2、国内轴承质量与国际先进水平差距

　　我国轴承行业经过近些年的装备升级、工艺改进、创新提高，轴承质量已得到大幅改善，但行业的整体提升是一个循序渐进的过程，与国际先进水平相比，当前国内轴承质量仍然存在以下差距。

⑴ 产品质量一致性差

　　质量参数离散度大，公差分布正态曲线呈邱峰状而非尖峰状，疲劳寿命散差大。

⑵ 动态性能差

　　振动、噪声和摩擦，同样标准下，合格率较国外低 20% ～40% ，振动、噪声大5～10db 。

⑶ 性能保持性差

　　静态、动态检测结果相同，运行的精度保持性差。

⑷ 寿命可靠性低

　　球轴承：寿命指数 K（试验寿命与计算寿命之比 )，国产 K≥ 6，国外 K≥ 8，对应可靠度 R，国内 R≥ 0.96 ，国外R≥ 0.98 ；

　　滚子轴承：K≥ 2，R≥ 0.94，国外同类产品 K≥ 8，R≥ 0.96 。

二、锻造质量对轴承性能影响

1、锻件质量对轴承性能的影响

⑴ 锻件网状碳化物、晶粒度、流线：影响轴承疲劳寿命。

⑵ 锻件裂纹、过热、过烧：严重影响轴承可靠性。

⑶ 锻件尺寸、几何精度：影响车加工自动化，材料利用率。

⑷ 生产效率、自动化：影响锻件制造成本，质量一致性。

2、锻件质量、工艺水平与国外先进企业差距

⑴ 产品质量分散度大、一致性差。

⑵ 工艺过程控制不严甚至失控。

⑶ 自动化程度与生产效率低。

3、轴承行业中小型轴承锻造存在的问题

⑴ 由于长期受行业“重冷轻热”思想的影响，锻造行业员工文化水平普遍偏低，再加上工作条件、作业环境恶劣，认为只要有力气就行，没有认识到锻造是特殊过程，其质量优劣对轴承寿命有重大影响。

⑵ 从事轴承锻造的企业规模普遍偏小，锻造工艺水平良莠不齐，很多中小企业还停留在锻造控形的阶段。

⑶ 锻造企业普遍对加热方式进行了改进，采用中频感应加热，但仅仅停留在把钢棒只加加热的阶段，没有认识到加热质量的重要性，行业也没有中频感应锻造透热的行业技术规范，存在很大的质量风险。

⑷ 工艺装备大都采用压机连线，人工操作，人为因素影响很大，质量一致性差，如锻造折叠、尺寸散差、圆角缺料、过热甚至过烧、湿裂等。

⑸ 由于锻加工工作环境艰苦，年轻人不愿从事，招工难是行业普遍存在的问题，锻造企业更为艰难，对锻造自动化、信息化升级改造形成很大的挑战。

⑹ 生产效率低下，加工成本高，企业处于低层次的生态圈，生存环境恶化。

三、锻造转型升级

1、材料技术转型升级

　　标准升级，由 GB/T 18254-2002 升级到 GB/T 18254-2016 ，主要体现在以下几方面。

⑴ 冶炼工艺：真空冶炼。

⑵ 增加了微量有害残余元素的控制：从 5 个增加到 12 个。

⑶ 关键指标氧、钛含量、 DS 夹杂物控制方面接近或达到国际先进水平。

⑷ 均匀性明显改善：主要成分偏析明显改善控轧控冷工艺应用，控制轧钢温度及冷却方式，实现双细化（奥氏体晶粒、碳化物颗粒细化 )，改善碳化物网状级别。

⑸ 碳化物带状合格率明显提升：控制浇注过热度，增加轧制比，保证高温扩散退火时间。

⑹ 轴承钢质量一致性提高：实物冶金质量炉次合格率大幅度提升。

2、锻造自动化转型

⑴ 高速锻造

　　自动加热、自动剪切，机械手自动传递，自动成形，自动冲孔、分离，实现快速锻打，最高速度可达 180 次/min ，适用于大批量中小轴承、汽车零部件的锻造，高速锻工艺优势体现在以下几方面。

a、高效

　　自动化程度高，生产效率高：以哈特贝尔 AMP30S 高速锻自动生产线为例：高速锻造平均班产约 33000 套，操作工 3 人；同样产品普通垂直锻造班产约 8400 套，员工 10 人，人均劳动生产效率提高 13 倍。

b、优质

　　锻件加工精度高，车加工余量少，原材料浪费少；锻件内部质量好，流线分布有利于增强冲击韧性和耐磨性，轴承寿命能提高一倍以上。

c、头尾自动甩料，去除棒料探伤盲区、端头毛刺。

d、节能

　　与常规锻造比节能 10% ～15% ，节约原材料 10% ～20% ，水资源节约 95% 。

e、安全

　　整个锻造过程在封闭状态下完成；生产过程易于控制，不容易产生水淬裂纹、混料和过烧现象。

f、环保

　　无三废，环境整洁、噪声低于 80dB ；冷却水封闭循环使用，基本实现零排放。

⑵ 多工位步进梁

　　采用热模锻设备，在同一台设备上完成压饼、成形、分离、冲孔等工序，工序之间传递采用步进梁，适用于中型轴承锻造，生产节拍 10～15 次/min 。

⑶ 机器人代替人

　　根据锻造工序，多台压机连线，压机之间产品传递采用机器人传递，适用于中大型轴承或齿坯锻造，生产节拍 4～ 8 次/min 。

⑷ 机械手代替人

　　改造现有锻造连线，局部工位采用简易机械手代替人，操作简单，投资少，适用于小型企业自动化改造。

3、中频感应锻造加热技术

⑴ 中频感应加热设备设计技术要点。

a、加热结束时，料段芯表温差、头尾温差≤ 30 ℃ ( 通过计算机模拟 )，加热过程温

度波动为± 25 ℃。

b、加热应分三个阶段：预热、升温、保温，预热阶段芯表温差≤ 400 ℃。

c、被加热过的棒料必须小于 100 ℃方可再次被加热，并且只能再加热一次，需有防错装置。

d、中频加热炉必须配三路分选，与加热系统联动形成闭环。

⑵ 中频感应加热测温系统技术控制要点。

a、加热温度应在无氧化皮的表面上测量，如技术上有难度，也可以在棒料 / 料段外径表面测量。

b、对同一点采用红外线双测温，与棒料 / 料段表面垂直，离炉口 10cm 。

c、测温仪每秒钟测温≥ 次，取两者的最大值作为数据处理或过程控制；两者 10温差超过温度控制公差，须报警。

d、红外测温仪聚焦点直径应≤ 2mm，发射率 ε =0.9 1000 （ ～ 1200 ℃ ) 。

e、每天用比对高温计与设备固定双测温高温计进行比对，偏差≤ 50 ℃。

f、所有红外测温仪每年必须校正，精度不超过测量范围上下限的± 5% 。 0.

g、温度测量系统稳定性要求：在稳定加热状态下，连续测量 30 个料段的加热温度，温度应呈正态分布，标准偏差 σ≤ 7℃。

4、锻造控形控性技术

⑴ 技术维度

a、加热质量控制：配置双电源设计，保证预热阶段芯表温差≤ 400 ℃；配置双测温仪（加热炉出料口 )；进料处配置 1 套测温仪，防止余温料进入（特别是高速锻)；配置在线混料检测装置；三路分选、超温报警、水温、水压报警为标配。

b、控锻控冷：双“细化”，精确的温度控制，防止锻件过热、过烧；细化晶粒；控制锻后冷却速度，防止出现网状组织，细化组织，提高疲劳寿命。

c、模具技术：计算机仿真模拟设计；真空热处理；表面改性技术。

d、重要零部件：对原材料进行“双探”，超声 + 漏磁探伤；表面扒皮，去除表面探伤盲区裂纹。

e、特殊零件，设备结构特殊设计：小而薄的零件如汽车凸轮轴上的凸轮片，设计侧向排料系统。

⑵ 管理维度：人、机、料、法、环、测。

5、锻件的近净成形技术

⑴ 高速锻造 + 冷辗技术。冷辗产品尺寸精度与形位公差按JB/T 11759-2013 《冷轧轴承环件机械加工余量及公差》及 JB/T 12101-2014《数控冷辗环机》 ，以 3155 产品为例，高速锻 + 冷辗近净成形技术节材 17.7% ，高速锻 + 冷辗对产品性能的影响。

⑵ 数值模拟仿真技术在锻造中的应用。

a、构建齿坯及模具数字化三维几何模型和有限元模型，分析近净成形过程中的金属流动、应变、应力、温度等场量分布状态，为实际生产中的设备选型提高参考。

b、分析齿坯近净成形主要工艺参数：锻造温度、锻造速度、模具预热温度和摩擦系数，得到各工艺参数对齿坯成形过程的影响规律，为实际生产提供技术支持。

c、分析不同工艺方案的成形规律，建立成形工艺参数优化模型，确定最佳成形工艺参数。

d、建立模具结构因素弹塑性有限元模型，分析齿坯成形过程中模具局部应力应变分布状态，研究模具成形载荷和磨损，分析优化模具结构、提高模具寿命。

⑶ 模具数值模拟仿真技术应用。

a、模具结构优化数值模拟。

b、工艺优化数值模拟。

c、模具结构改善金属流线。

d、齿坯近净成形模具寿命预测。

e、模具磨损数值模拟。

四、展望

　　锻造涉及材料种类繁多，锻造过程及模具存在主观和客观方面的复杂性、多样性，在材料技术、自动化技术、加热技术、控形控性技术、近净成形技术方面还有很多提升空间，尤其是近净成形数值模拟技术应用方面，还不是十分广泛，材料数据库中实际应用数据较少，模拟变形数据与实际还有一定差异，需对材料高温变形进行大量试验，以获取高温变形的实际数据，提高模拟仿真的准确性。随着锻造仿真模拟技术的研究，相信近净成形技术一定会广泛应用于少无切削的精密锻造领域。