轴承精密冷辗扩及磨削超精技术的发展状

轴承精密冷辗扩及磨削超精技术的发展状一、精密辗扩技术轴承套圈是作为大批量生产的零件。

采用传统的加工方法，材料利用低，工作条件差，且难以满足现在产品的要求。

近年来迅速发展的精密冷辗扩加工工艺是一种少、无切削的新工艺，由于精密冷辗扩能最大限度地使工件形状和精度接近于成品零件的形状和精度，并可显著改善工件的内在质量，大幅度地节省原材料，具有很好的经济和社会意义，所以该加工方法引起国内外轴承企业界的普遍重视。

（一）应用冷辗扩技术制造轴承套圈的优点1、可以降低原材料的消耗。

如果采用通常的切削加工方法来制造，材料的利用率通常为40~50%，而用冷辗压方法制造，材料利用率则可达60～75%。

例如：6308常规工艺下料0.918Kg，冷辗工艺下料0.68 Kg，两者相差0.23 Kg。

2、可以大幅度提高劳动生产率。

冷辗压是在辗扩机上进行的，机床的一次行程就可以完成所有形面的加工。

3、可以提高零件的机械性能。

冷辗压变形后，金属材料的晶粒组织更加致密，金属流线不变，没有切断，所以材料的抗疲劳强度提高。

采用冷辗工艺其寿命可稳定提高一倍。

洛阳轴承研究所1984年对冷辗6204轴承进行寿命实验结果表明，实际寿命与计算寿命之比达到22倍以上，可靠性达99.93%。

1990年洛阳轴承厂将冷辗工艺应用于6206轴承，实验结果为6206轴承的实验寿命与计算寿命之比达到20多倍，1998年洛阳轴承研究所与温州摩托车轴承有限公司合作，把冷辗工艺应用于摩托车曲柄连杆轴承6304，实验结果为轴承寿命1000小时，可靠性99.99%，而采用钢管车削轴承寿命为300小时，可靠性98%。

4、可以降低零件的制造成本。

冷辗压可以减少材料消耗和缩短加工时间，降低了生产成本。

减少材料消耗和缩短加工时间，机床的一次行程就可以完成多个形面加工，大幅度提高劳动生产率，节省能耗等。

5、具有很好经济效益和社会效益。

以6308为例：节材0.23 Kg，如钢材按3.6元/ Kg，节省0.828元；节约锻造加退火费达2.5元/ Kg，节能效益为2.5×0.23=0.58元；机加工减少25%，常规车加工套圈加工费为0.8元/套，那么冷辗节约加工费为0.8×25%=0.2元。

综上所述冷辗节能节材的效益为（以6308为例）1.6元/套，如企业生产6308轴承100万套，采用冷辗工艺就节约160万元。

6、可以加工形状复杂的零件。

7、可获得较高尺寸精度的零件。

洛阳轴承研究所经过长期研究，应用冷辗压技术，设计制造出了辗扩轴承内、外圈的精密冷辗扩机。

该机可以辗压出很高精度的轴承内、外圈，一般不需经过再加工，就可以投入使用。

另外该辗压机的加工效率很高，对成批生产的轴承来说更为明显。

轴承辗压机除了上述优点之外，也还存在一些技术上的缺点：变形抗力高，对模具材质、结构以及加工制造提出了更高的要求。

在辗压后，一般不再有其它的工序，因此在辗压前，就需把毛坯设计成合乎要求的尺寸形状。

总体上说，轴承的冷辗压技术的优点和长处是主要的，也是关键的。

随着科学技术的发展，有理由相信，轴承冷辗压技术有着广阔的应用前景，会得到更广泛的运用。

（二）冷辗技术的国内外概况通过冷辗来扩径并成形环形件的设想早在一个世纪前就有了。

只是从上个世纪80年代，世界上许多轴承工业发达国家才致力于冷辗技术的研究，经过几年的探索，因为当初的技术只能做到辗扩和成形但达不到精度要求而被放弃，随着数控和比例技术的发展以及材料性能的改善，使得冷辗工艺再获新生。

最后只有三个国家坚持下来，即中国、日本、德国。

日本共荣精工株式公司生产的CRF冷辗机尺寸范围为外径Ø 30—Ø 250mm，冷辗机床采用冷辗加整径以保证其产品精度。

德国Bad Diiben研制的VRWA冷辗机，其加工范围为外径Ø 52—Ø 350mm，冷辗机床多采用液压比例伺服技术和相应的控制技术来保证所加工产品的精度。

中国于1978年，由洛阳轴承研究所开始致力于冷辗技术的研究，先后开发出开式和闭式两种类型的冷辗机。

开式冷辗机PCR，吸收了德国与日本机床的优点，同时考虑到中国的实际情况。

其加工范围从Ø30--- Ø 230mm。

洛阳轴研所开发出的闭式冷辗机在国际上仍处于领先技术，在此机床基础上，首先开发的圆锥套圈冷辗工艺为轴承行业做出了贡献。

（三）冷辗扩技术的研究1、冷辗扩原理和冷辗压力的阶段分析。

在冷辗压过程中，辗压力不是个常数，其随着进给的行程变化，有着明显的阶段性，冷辗压力与行程关系一般可分为三个阶段：第Ⅰ阶段：滑块进给，套圈开始辗压，金属材料开始产生塑性变形，辗压力急剧增高。

辗压开始，在这一阶段中，辗压力必须克服金属内部的变形阻力以及坯料与模具间的摩擦力，使所有的金属晶格完全被压紧。

第Ⅱ阶段：滑块继续进给，迫使金属继续流动。

在这阶段中，只改变坯料高度，变形区稳定不变。

在此阶段内，塑性变形区高度不随时间而改变，压力也不随行程而变化，故称为稳定变形阶段。

此阶段内的塑性变形区高度称为稳定塑性变形区高度。

该高度可根据当辗压力达到某一最小值时，才可产生稳定变形的原理来确定。

第Ⅲ阶段：当坯料的残留厚度超过稳定变形区高度以后，滑块继续向前运动时，辗压力又急剧上升。

由上述分析可知，第二阶段结束时，如果继续辗压，压力就急剧增加。

因此，此时必须结束辗压，否则模具或辗扩机就较易损坏。

当第二阶段完成时就结束整个辗压过程，那么，此时辗压余料的厚度就等于稳定变形区的高度。

如果第二阶段结束时仍继续辗压，此时压力会急剧升高。

若限制升高值不超出模具的许用单位压力，并按此原理求得的辗压余料的厚度，这样即可充分发挥模具材料的能力，又可节省原材料的损耗。

此时辗压余料的厚度应小于稳定变形区的高度。

一般情况下，第二阶段辗压即告结束。

因此，计算冷辗压变形力以第二阶段，即以稳定变形阶段为依据。

2、影响单位辗压力的因素1）材料的化学成分及机械性能的影响：C与Cr元素对单位辗压力的影响皆较大，特别是C的影响远比Cr的影响大得多。

2）变形程度的影响：通过实验可知，辗压时单位辗压力与变形程度的关系为：所有材料的单位辗压力P均随断面缩减率值的增大而加大3）辗压速度的影响：辗压速度对单位辗压力的影响不太大。

辗压速度对辗压力的影响主要在于，辗压过程中产生辗压热而产生影响。

4）模具的几何形状的影响：模具几何形状是指模具工作部分的几何形状，辗压的情况分别如下：辗轮的形状是多样的，不同形状对单位辗压力的影响是不同的。

5）冷辗压工艺对辗扩机的要求：精密冷辗扩机能量要大,刚性要好,导向精度要高,要有可靠的过载保护装置,能提供合适的辗压速度,具有对模具进行润滑冷却的装置。

3、冷辗工艺两种方式:精密冷辗和粗辗。

国外最多采用的是粗辗。

日本在小尺寸用精辗，308以上全部是粗辗，SKF不建议采用精辗。

但形状复杂的套圈均采用精辗。

精密冷辗优势是沟道、倒角不用车，粗糙度好,劣势是模具要求高，影响磨削率变形大。

粗辗优势是容易控制，不影响磨削效率，生产布局简单。

劣势是机器维护清理难。

无论精密冷辗或粗辗，对材料利用和轴承寿命是一样的。

二、磨削超精技术（一）国内外概况磨削与超精加工在轴承加工中约占70%，国外新技术应用侧重于高效率、高精度、高可靠及自动化生产，归根结底是为了提高产品质量与生产效率。

立方体氮化硼砂轮（即CBN）磨削技术装备的开发与应用，使磨削超精精度、质量水平和效率大大迈进一步，日本及欧美已使用全自动CBN磨削技术，八十年代中后期以每年20%的速度比例增长。

而我国到目前为止，在轴承行业还基本属于空白，主要原因是对CBN磨削技术开发研究不充分。

NTN、SKF公司磨加工短线，磨削过程中不仅能主动测量尺寸，而且能根据确定的加工条件，用机外的信息处理机进行质量信息交换，并进行自我判断，与标准件定期地校对，从而使用磨加工精度可靠地保持一致。

磨加工线上的磨床普遍采用约束性适应控制技术，具有人机对话功能的CNC控制技术，CBN砂轮高速内表面磨削（可达80m/s）技术，使得套圈内表面磨削质量稳定性大为提高，成本降低。

加工精度100%满足P6级，70—80%达P5级水平（P6级毛坯），一些影响轴承性能的重要指标可控制到P4级精度水平。

轴承装备数控化逐步提高，向着高速度、高精度、高柔性和高自动化发展。

这对数控系统和伺服驱动系统技术提出了相应的要求：（二）高速化技术要实现数控设备高速化，首先要求数控系统能对由微小程序段构成的加工程序进行高速处理，以计算出伺服电机的移动量，同时要求伺服电机能高速度地作出反应。

采用32位微处理器，是提高数控系统高速处理有效手段。

在数控设备高速化中，提高主轴转速占有重要地位。

采用直线电机技术来替代目前机床传动中常用的滚珠丝杆技术是发展趋势。

（三）机电特性参数的辨识、分析与控制优化高速控制的核心在于实现高加速度，为此需要使司服机构处于、最佳工作状态，从而获得系统最大运动加速度。

因此，基于系统整体建模的加速度控制曲线选择、伺服机电参数的辨识优化、多轴增益的协调控制等是当前研究的热点。

（四）高精度化技术在减少CNC系统控制误差方面，通常采取提高数控系统的分辨率（目前轴承磨床为0.25μ/数量脉冲），提高位置检测精度的方法。

然而在高速，高精加工的情况下，在线动态测量和补偿存在着高精度与大量程几何量之间的矛盾，是传统检测方法难以完成的。

因此，需要研究新的测量和补偿机理，即进行高精度、大量程几何量的在线动态检测原理研究，以及控制误差的在线、实时检测、预报和补偿方法等研究，在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。

三、关键技术研究及应用（一）CNC交流伺服及适应控制技术研究与设计改善控制器的基本性能，提高数据的处理能力，具有NC控制，能实现高速、高精度、高可靠的对进给进行坐标定位的控制。

建立人机界面，提高操作人员与机床的亲和性。

对电主轴电流进行适时测控，实现快速消除磨削空程。

主控制系统能与电主轴变频器进行通讯，实时监视电主轴运转状况，并能向变频器发送转送指令，进行转速切换，转速补偿，以实现砂轮恒线速度磨削。

（二）CBN磨削与超精技术用普通磨料砂轮磨削轴承工作时，由于磨料硬度低、磨损快，导致磨削比低、磨削力大、磨削温度高，容易产生烧伤及精度和表面质量降低。

而CBN磨料本身具有一系列特殊的性能，高硬度、高的热稳定性、高的化学惰性、红硬性、导热性好以及热膨胀系数低等。

从而在加工黑色金属方面，CBN磨具与金刚石和普通磨料磨具相比，具有非常满意的磨削表面质量和极低的砂轮磨损。

其优点主要是：一砂轮耐用度高，每一次修整可加工的工件数量多；二砂轮磨损少，每片砂轮可加工的工件数量多、精度高；三磨削力小，磨加工质量好。

总之，由于CBN磨料的优异性能，磨超加工采用CBN砂轮与油石，可以提高加工工作的质量，有利于磨超加工的自动化生产。