6320軸承外圈冷碾擴(kuò)成形機(jī)理研究,軸承,外圈,冷碾擴(kuò),成形,機(jī)理,研究,鉆研 第 27 卷 第 8期 2005年 8 月 武 漢 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報 JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol .27 No.8 Aug .2005 圓 錐 滾 子 軸 承 套 圈 成 對 冷 輾 擴(kuò) 工 藝 設(shè) 計 和 試 驗(yàn) 毛 華 杰 ,史 宏 江 ,華 林 ,袁 樂 健 (武 漢 理 工 大 學(xué) 材 料 科 學(xué) 與 工 程 學(xué) 院 ,武 漢 430070) null 摘 要 : 圓 錐 滾 子 軸 承 的 套 圈 是 重 要 的 承 載 部 件 ,對 軸 承 的 性 能 有 著 重 要 的 影 響 。 成 對 冷 輾 擴(kuò) 生 產(chǎn) 不 僅 能 抵 消 因 不 對 稱 變 形 產(chǎn) 生 的 軸 向 力 、 提 高 制 件 精 度 、 延 長 芯 輥 壽 命 ,還 能 提 高 生 產(chǎn) 效 率 。 通 過 對 成 對 冷 輾 擴(kuò) 過 程 中 圓 錐 套 圈 變 形 過 程 分 析 與 受 力 分 析 ,推 導(dǎo) 出 圓 錐 套 圈 成 對 冷 輾 擴(kuò) 成 型 時 咬 入 條 件 、 鍛 透 條 件 、 冷 輾 擴(kuò) 力 的 計 算 方 法 ,毛 坯 設(shè) 計 方 法 及 模 具 設(shè) 計 方 法 ,并 對 圓 錐 軸 承 329/32(ISO355 系 列 2BD)圓 錐 套 圈 成 對 冷 輾 擴(kuò) 進(jìn) 行 試 驗(yàn) 驗(yàn) 證 。 關(guān) 鍵 詞 : 圓 錐 套 圈 ; 軸 承 ; 冷 輾 擴(kuò) 中 圖 分 類 號 : TG 376.3 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 : A 文 章 編 號 :1671-4431(2005)08-0070-04 Technology Design and Experiment of Cold Ring Rolling with Twin Taper Roller Bearing Race M AO Hua-jie, SHI Hong-jiang, H UA Lin, Y UA N Le-jian (School of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China) Abstract: Taper roller bearing race, a very important load-bearing component, has significant affection on the property of the bearing . Twinning cold ring rolling can not only counterbalance axial force of asymmetry deformation, increase accuracy and prolong life of idle roller, but also be more productive . Through the deformation process analysis and loading analysis, the bite condition, plastic penetration condition, calculation method of rolling force, stock design method and tolling design method of twinning cold ring rolling were deduced .The taper race of bear 329/32(2BD of ISO355 serials) was twinning cold rolled for ex- periment confirmation . Key words: taper roller; bearing; cold ring rolling 收 稿 日 期 :2005-05-11 . 基 金 項 目 :國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 (50335060)和 高 校 青 年 教 師 獎 項 目 (教 人 司 [2002]383). 作 者 簡 介 :毛 華 杰 (1962-),男 ,副 教 授 .E-mail:maohuajie @ vip .sina .com 圓 錐 滾 子 軸 承 具 有 高 承 載 能 力 和 高 可 靠 性 ,廣 泛 用 于 機(jī) 械 、 汽 車 、 船 舶 等 重 載 傳 動 軸 的 支 承 [1] 。 圓 錐 滾 子 軸 承 套 圈 冷 輾 擴(kuò) 成 形 是 一 種 極 具 發(fā) 展 前 景 的 新 技 術(shù) ,生 產(chǎn) 中 還 存 在 一 些 關(guān) 鍵 技 術(shù) 問 題 有 待 于 解 決 。 例 如 , 圓 錐 滾 子 軸 承 外 圈 冷 輾 擴(kuò) 生 產(chǎn) 中 由 于 它 的 錐 形 外 形 會 對 芯 輥 產(chǎn) 生 較 大 軸 向 力 ,使 得 芯 輥 壽 命 降 低 ,同 時 影 響 了 生 產(chǎn) 精 度 [2～ 5]。 在 環(huán) 件 輾 擴(kuò) 成 形 理 論 和 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 上 [6～ 9],提 出 2 個 圓 錐 套 圈 同 時 冷 輾 擴(kuò) 成 型 的 技 術(shù) 方 案 ,可 以 抵 消 因 不 對 稱 變 形 產(chǎn) 生 的 軸 向 力 ,同 時 由 于 成 型 角 度 增 大 一 倍 減 小 了 應(yīng) 力 集 中 ,不 僅 提 高 了 模 具 壽 命 ,而 且 由 原 來 的 一 次 成 型 1 個 環(huán) 件 變 成 一 次 成 型 2 個 環(huán) 件 ,使 勞 動 生 產(chǎn) 率 增 長 一 倍 。 現(xiàn) 針 對 D56G90 型 精 密 冷 輾 環(huán) 機(jī) 設(shè) 計 圓 錐 軸 承 329/ 32(ISO355 系 列 2BD )外 圈 冷 輾 擴(kuò) 試 驗(yàn) 工 藝 。 1 試 驗(yàn) 環(huán) 件 的 選 取 及 冷 輾 擴(kuò) 工 藝 方 案 選 擇 如 圖 1 所 示 圓 錐 滾 子 軸 承 329/ 32(ISO355 系 列 2BD )外 圈 ,設(shè) 計 冷 輾 擴(kuò) 試 驗(yàn) 工 藝 。 采 用 特 殊 的 模 具 結(jié) 構(gòu) 同 時 輾 擴(kuò) 2 個 套 圈 ,使 其 對 稱 冷 輾 擴(kuò) 從 而 抵 消 因 不 對 稱 變 形 產(chǎn) 生 的 軸 向 力 。 這 就 大 大 改 善 了 芯 輥 的 受 力 狀 態(tài) ,提 高 了 制 造 精 度 。 其 冷 輾 擴(kuò) 示 意 及 受 力 分 析 如 圖 2 所 示 。 2 冷 輾 擴(kuò) 工 藝 設(shè) 計 2 .1 力 能 計 算 1)咬 入 條 件 要 使 環(huán) 件 能 順 利 冷 輾 擴(kuò) 必 須 滿 足 咬 入 條 件 ,由 環(huán) 件 冷 輾 擴(kuò) 區(qū) 受 力 平 衡 方 程 ∑ Fx = T1 x + P1 x + P2 x ≥ 0 ∑ Fy = T1 y + P1 y + P2 y = 0 得 到 咬 入 條 件 μ ≥ tan(ε 1α 1 + ε 2α 2) P1/ P2 ≤ cos(ε 1α 1 + ε 2α 2) (1) 滿 足 咬 入 條 件 的 進(jìn) 給 量 Δ h ≤ Δ hm a x = 2β 2 R 1 (1 + R1/ R2)2(1 + R1/ R2 + R1/ R - R1/ r) (2) 式 中 , R2 = ( R′ 2 + R″ 2)/ 2; r = ( r′ 2 + r″ 2)/ 2;α 1≈ L/ R1;α 2≈ L/ R2。 其 中 , L 為 接 觸 弧 長 L = 2Δ h 1R 1 + 1R 2 + 1R - 1r( ) -1 2)鍛 透 條 件 根 據(jù) 環(huán) 件 最 大 壁 厚 尺 寸 計 算 ,因 為 只 要 環(huán) 件 最 厚 端 能 鍛 透 則 整 個 環(huán) 件 都 能 鍛 透 。 則 應(yīng) 滿 足 的 鍛 透 條 件 為 : 變 形 區(qū) 平 均 厚 度 ha = ( h0 + h)/ 2 由 滑 移 線 理 論 知 L/ ha ≥ 1/ 8 .74 (3) 由 h0 = h +Δ h,得 ha = h + Δ h/ 2 ≈ h = R - r′ (4) 將 式 (4)帶 入 式 (3)得 到 滿 足 鍛 透 條 件 的 進(jìn) 給 量 Δ h ≥ 6 .55× 10-3( R - r′ )2 1R 1 + 1R 2 + 1R - 1r( ) (5) 3)環(huán) 件 冷 輾 擴(kuò) 力 孔 型 開 式 p = 2 k(1 + h04 L + 38 m Lh 0 ) 孔 型 閉 式 p = 2 k(1 + h04 L + 38 m Lh 0 + 34 m LB ) P = pB L M = pBR1Δ h Δ hmin ≤ Δ h ≤ Δ hm a x 式 中 , m 為 摩 擦 因 子 ; B 為 環(huán) 件 寬 度 ; h0 為 終 軋 壁 厚 。 則 對 稱 冷 輾 擴(kuò) 時 的 冷 輾 擴(kuò) 力 為 P = 2 pBL (6) 2 .2 模 具 設(shè) 計 1)主 動 輥 最 小 半 徑 R1min = R2( R - r′ )17 .5β R 2 - ( R - r′ ) 2)芯 輥 最 小 半 徑 R2min = R1( R - r′ )17 .5β R 1 - ( R - r′ ) 17第 27 卷 第 8 期 毛 華 杰 ,等 :圓 錐 滾 子 軸 承 套 圈 成 對 冷 輾 擴(kuò) 工 藝 設(shè) 計 和 試 驗(yàn) 3 毛 坯 設(shè) 計 計 算 根 據(jù) 體 積 不 變 原 理 設(shè) 計 毛 坯 尺 寸 ,圓 錐 套 圈 的 體 積 為 圓 柱 體 積 減 去 圓 臺 體 積 ,因 此 環(huán) 件 體 積 為 V環(huán) 件 = nullπ ( D2 )2 H - 13π H( r21 + r22 + r1 r2) = 1 4π D 2 H - 1 3π H( 3 4 d 2 + 3 2 Htan α + H 2 tan2α ) 同 理 得 到 毛 坯 的 體 積 V毛 坯 = 14π D20 H - 13π H( 34 d20 + 32 Htan α + H2 tan2α ) 由 體 積 不 變 得 d0 = d2 - (1 - 1/ K2) D2 式 中 , d0 為 毛 坯 的 小 端 內(nèi) 徑 ,為 設(shè) 計 所 求 尺 寸 。 由 上 面 的 推 導(dǎo) 公 式 可 知 毛 坯 的 最 小 內(nèi) 徑 必 須 大 于 芯 輥 的 最 大 直 徑 才 能 穿 入 芯 輥 輾 擴(kuò) ,所 以 只 要 知 道 芯 輥 的 最 大 直 徑 就 可 求 出 環(huán) 件 的 最 大 輾 擴(kuò) 比 。 d0 = d2 - (1 - 1/ K2) D2 > Dm a x 故 K < D D2 - d2 + D2m a x 毛 坯 的 外 徑 可 由 零 件 外 徑 直 接 給 出 ,輾 擴(kuò) 比 K = 1 .4,由 上 式 驗(yàn) 算 確 定 滿 足 最 小 輾 擴(kuò) 比 條 件 ,由 于 環(huán) 件 軸 向 展 寬 很 小 ,可 先 假 設(shè) 軸 向 尺 寸 不 變 ,最 后 再 根 據(jù) 試 驗(yàn) 進(jìn) 行 精 確 確 定 。 有 了 這 些 尺 寸 就 能 設(shè) 計 出 毛 坯 的 尺 寸 。 鍛 件 圖 、 毛 坯 圖 尺 寸 如 圖 5 所 示 。 毛 坯 的 尺 寸 R = 18 .55 mm, r′ = 12 .77 mm, r″ = 14 .90 mm, r = ( r′ + r″ )/ 2 = 13 .83 mm 4 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 計 算 與 校 核 1)滿 足 咬 入 條 件 的 最 大 進(jìn) 給 量 Δ hma x = 2β 2 R 1 (1 + R1/ R2)2(1 + R1/ R2 + R1/ R - R1/ r) = 0 .32 mm 所 以 要 滿 足 軋 輥 咬 入 條 件 ,進(jìn) 給 必 須 小 于 最 大 進(jìn) 給 量 Δ h ≤ 0 .32 mm 2)滿 足 鍛 透 條 件 的 進(jìn) 給 量 Δ hmin = 6 .55× 10- 3( R - r′ )2(1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R - 1/ r) = 5 .44× 10-2 mm 所 以 要 鍛 透 進(jìn) 給 量 必 須 大 于 鍛 透 所 需 最 小 進(jìn) 給 量 Δ h ≥ 5 .44× 10- 2 mm 考 慮 到 生 產(chǎn) 效 率 進(jìn) 給 應(yīng) 取 大 值 ,因 此 既 滿 足 咬 入 條 件 ,又 滿 足 鍛 透 條 件 的 進(jìn) 給 量 Δ h = 0 .3 mm 3)驗(yàn) 證 環(huán) 件 的 極 限 壁 厚 H ≤ Hm ax = 17 .5β R11 + R 1/ R2 = 22 .00 mm 環(huán) 件 大 端 壁 厚 R - r′ = 5 .78 mm < 22 .00 mm,滿 足 條 件 ,則 環(huán) 件 各 處 壁 厚 均 滿 足 條 件 。 4)環(huán) 件 冷 輾 擴(kuò) 力 的 計 算 摩 擦 系 數(shù) μ = 0 .15 ,相 應(yīng) 的 摩 擦 因 子 m = 0 .3 ,進(jìn) 給 量 Δ h = 0 .3 mm, h0 = 3 .87 mm,則 有 27 武 漢 理 工 大 學(xué) 學(xué) 報 2005年 8 月 L = 2Δ h( 1R 1 + 1R 2 + 1R - 1r )-1 = 2 .44 mm p = 2 k(1 + h04 L + 38 m Lh 0 + 34 m LB ) = 3 .03 k P = pBl = 73 .9 k M = pBR1Δ h = 946 .2 k Δ hmin ≤ Δ h ≤ Δ hma x 冷 輾 擴(kuò) 過 程 中 2 個 套 圈 同 時 進(jìn) 行 冷 輾 擴(kuò) ,因 此 軋 輥 的 冷 輾 擴(kuò) 力 為 2 P,冷 輾 擴(kuò) 力 矩 為 2 M。 對 于 此 次 試 驗(yàn) 采 用 不 同 材 料 的 毛 坯 進(jìn) 行 試 驗(yàn) ,分 別 為 :軸 承 鋼 、 45 鋼 、 純 鋁 。 試 驗(yàn) 計 算 參 數(shù) 見 表 2。 表 2 不 同 材 料 輾 擴(kuò) 力 、 力 矩 計 算 結(jié) 果 材 料 屈 服 強(qiáng) 度 σ s/ MPa 剪 切 屈 服 強(qiáng) 度 k/ MPa 軋 輥 壓 力 2 nullP/ N 冷 輾 擴(kuò) 力 矩 2 nullM/(N· m) 導(dǎo) 向 輥 壓 力 / N GCr15 P400 w231 null34 null141 437 }114 4 null969 45 null# 360 w207 null30 null597 391 }726 4 null453 Al 200 w115 null16 null997 217 }626 2 null474 5 結(jié) 論 a .根 據(jù) D56G90 型 精 密 冷 輾 環(huán) 機(jī) ,設(shè) 備 參 數(shù) 最 大 冷 輾 擴(kuò) 壓 力 為 100 kN,可 知 試 驗(yàn) 所 需 壓 力 遠(yuǎn) 遠(yuǎn) 小 于 額 定 冷 輾 擴(kuò) 力 ,因 此 得 出 結(jié) 論 ,試 驗(yàn) 從 力 能 角 度 考 慮 圓 錐 滾 子 軸 承 329/ 32(ISO355 系 列 2BD )外 圈 對 稱 冷 輾 擴(kuò) 成 型 的 方 案 可 行 。 b .當(dāng) 進(jìn) 給 量 控 制 在 Δ h = 0 .3 mm 時 ,既 滿 足 咬 入 條 件 ,又 滿 足 鍛 透 條 件 ;按 上 述 方 法 設(shè) 計 出 了 毛 坯 形 狀 和 尺 寸 。 通 過 試 驗(yàn) 證 明 ,該 工 藝 可 生 產(chǎn) 高 質(zhì) 量 圓 錐 滾 子 軸 承 外 圈 。 參 考 文 獻(xiàn) [1] w史 宏 江 ,毛 華 杰 ,袁 樂 健 ,等 .冷 輾 擴(kuò) 技 術(shù) 在 新 時 期 的 發(fā) 展 [J].機(jī) 械 制 造 ,2004,(10):23～ 24. [2] 時 大 方 .圓 錐 套 圈 精 密 成 型 工 藝 分 析 [J] .軸 承 ,1998,(1):14～ 16 . [3] 時 大 方 .錐 形 環(huán) 形 件 套 鍛 輾 擴(kuò) 工 藝 分 析 [J] .礦 山 機(jī) 械 ,2003,(5):69～ 70 . [4] 田 民 ,王 衛(wèi) 榮 ,吳 宗 彥 .圓 錐 滾 子 軸 承 套 圈 精 密 輾 擴(kuò) [J] .軸 承 ,2003,(7):13～ 16 . [5] 曹 淑 明 ,李 法 泉 .圓 錐 內(nèi) 圈 輾 擴(kuò) 時 內(nèi) 徑 凹 心 分 析 [J] .軸 承 ,1995,(3):45～ 46 . [6] Yea Y, Ko Y, Kim N, et al .Prediction of Spread, Pressure Distribution and Roll Force in Ring Rolling Process Using Rigid- plastic Finite Element Method[J] .Journal of Materials Processing Technology, 2003, 140(1): 478～ 486 . [7] Hua Lin, Zhao Zhongzhi . The Extreme Parameters in Ring Rolling[J] . Journal of Materials Processing Technology, 1997, 69(1～ 3):273～ 276 . [8] Hua Lin, Mei Xuesong, Wu Xutang .Vibration and Control in Ring Rolling Process[J] .Transactions of Nonferrous Metals So- ciety of China, 1999, 9(2): 213～ 217. 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