王明舟

（浙江五洲新春集團(tuán)股份有限公司）

我國(guó)中小型軸承鍛造成形工藝經(jīng)歷了從1980年以前的棒料打孔、單擠、輾擴(kuò)，發(fā)展到現(xiàn)在的自動(dòng)化、近凈成形、高速鍛等技術(shù)，不斷推陳出新，表1為由1980年以前到現(xiàn)今的軸承鍛造成形工藝的發(fā)展歷程。

國(guó)內(nèi)軸承質(zhì)量與先進(jìn)水平差距

我國(guó)軸承行業(yè)經(jīng)過近些年的裝備升級(jí)、工藝改進(jìn)、創(chuàng)新提高，軸承質(zhì)量已得到大幅改善，但行業(yè)的整體提升是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，與先進(jìn)水平相比，當(dāng)前國(guó)內(nèi)軸承質(zhì)量仍然存在以下差距。

⑴產(chǎn)品質(zhì)量一致性差。

質(zhì)量參數(shù)離散度大，公差分布正態(tài)曲線呈邱峰狀而非尖峰狀，疲勞壽命散差大。

⑵動(dòng)態(tài)性能差。

振動(dòng)、噪聲和摩擦，同樣標(biāo)準(zhǔn)下，合格率較國(guó)外低20%～40%，振動(dòng)、噪聲大5～10db。

⑶性能保持性差。

靜態(tài)、動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果相同，運(yùn)行的精度保持性差。

⑷壽命可靠性低。

球軸承：壽命指數(shù)K（試驗(yàn)壽命與計(jì)算壽命之比)，國(guó)產(chǎn)K≥6，國(guó)外K≥8，對(duì)應(yīng)可靠度R，國(guó)內(nèi)R≥0.96，國(guó)外R≥0.98；

滾子軸承：K≥2，R≥0.94，國(guó)外同類產(chǎn)品K≥8，R≥0.96。

表1 中小型軸承鍛造成形工藝的發(fā)展歷程

鍛造質(zhì)量對(duì)軸承性能影響

鍛件質(zhì)量對(duì)軸承性能的影響

⑴鍛件網(wǎng)狀碳化物、晶粒度、流線：影響軸承疲勞壽命。

⑵鍛件裂紋、過熱、過燒：嚴(yán)重影響軸承可靠性。

⑶鍛件尺寸、幾何精度：影響車加工自動(dòng)化，材料利用率。

⑷生產(chǎn)效率、自動(dòng)化：影響鍛件制造成本，質(zhì)量一致性。

鍛件質(zhì)量、工藝水平與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)差距

⑴產(chǎn)品質(zhì)量分散度大、一致性差。

⑵工藝過程控制不嚴(yán)甚至失控。

⑶自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率低。

軸承行業(yè)中小型軸承鍛造存在的問題

⑴由于長(zhǎng)期受行業(yè)“重冷輕熱”思想的影響，鍛造行業(yè)員工文化水平普遍偏低，再加上工作條件、作業(yè)環(huán)境惡劣，認(rèn)為只要有力氣就行，沒有認(rèn)識(shí)到鍛造是特殊過程，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣對(duì)軸承壽命有重大影響。

⑵從事軸承鍛造的企業(yè)規(guī)模普遍偏小，鍛造工藝水平良莠不齊，很多中小企業(yè)還停留在鍛造控形的階段。

⑶鍛造企業(yè)普遍對(duì)加熱方式進(jìn)行了改進(jìn)，采用中頻感應(yīng)加熱，但僅僅停留在把鋼棒只加加熱的階段，沒有認(rèn)識(shí)到加熱質(zhì)量的重要性，行業(yè)也沒有中頻感應(yīng)鍛造透熱的行業(yè)技術(shù)規(guī)范，存在很大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

⑷工藝裝備大都采用壓機(jī)連線，人工操作，人為因素影響很大，質(zhì)量一致性差，如鍛造折疊、尺寸散差、圓角缺料、過熱甚至過燒、濕裂等。

⑸由于鍛加工工作環(huán)境艱苦，年輕人不愿從事，招工難是行業(yè)普遍存在的問題，鍛造企業(yè)更為艱難，對(duì)鍛造自動(dòng)化、信息化升級(jí)改造形成很大的挑戰(zhàn)。

⑹生產(chǎn)效率低下，加工成本高，企業(yè)處于低層次的生態(tài)圈，生存環(huán)境惡化。

鍛造轉(zhuǎn)型升級(jí)

材料技術(shù)轉(zhuǎn)型升級(jí)

標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)，由GB/T 18254-2002升級(jí)到GB/T 18254-2016，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

⑴冶煉工藝：真空冶煉。

⑵增加了微量有害殘余元素的控制：從5個(gè)增加到12個(gè)。

⑶關(guān)鍵指標(biāo)氧、鈦含量、DS夾雜物控制方面接近或達(dá)到先進(jìn)水平。

⑷均勻性明顯改善：主要成分偏析明顯改善控軋控冷工藝應(yīng)用，控制軋鋼溫度及冷卻方式，實(shí)現(xiàn)雙細(xì)化（奧氏體晶粒、碳化物顆粒細(xì)化)，改善碳化物網(wǎng)狀級(jí)別。

⑸碳化物帶狀合格率明顯提升：控制澆注過熱度，增加軋制比，保證高溫?cái)U(kuò)散退火時(shí)間。

⑹軸承鋼質(zhì)量一致性提高：實(shí)物冶金質(zhì)量爐次合格率大幅度提升。

鍛造自動(dòng)化轉(zhuǎn)型

⑴高速鍛造。自動(dòng)加熱、自動(dòng)剪切，機(jī)械手自動(dòng)傳遞，自動(dòng)成形，自動(dòng)沖孔、分離，實(shí)現(xiàn)快速鍛打，Z高速度可達(dá)180次/min，適用于大批量中小軸承、汽車零部件的鍛造，高速鍛工藝優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾方面。

1)高效。自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高：以哈特貝爾AMP30S高速鍛自動(dòng)生產(chǎn)線（圖1)為例：高速鍛造平均班產(chǎn)約33000套，操作工3人；同樣產(chǎn)品普通垂直鍛造班產(chǎn)約8400套，員工10人，人均勞動(dòng)生產(chǎn)效率提高13倍。

2)優(yōu)質(zhì)。鍛件加工精度高，車加工余量少，原材?浪費(fèi)少；鍛件內(nèi)部質(zhì)量好，流線分布有利于增強(qiáng)沖擊韌性和耐磨性，軸承壽命能提高一倍以上。

3)頭尾自動(dòng)甩料，去除棒料探傷盲區(qū)、端頭毛刺。

4)節(jié)能。與常規(guī)鍛造比節(jié)能10%～15%，節(jié)約原材料10%～20%，水?源節(jié)約95%。

5)安全。整個(gè)鍛造過程在封閉狀態(tài)下完成；生產(chǎn)過程易于控制，不容易產(chǎn)生水淬裂紋、混料和過燒現(xiàn)象。

6)環(huán)保。無(wú)三廢，環(huán)境整潔、噪聲低于80dB；冷卻水封閉循環(huán)使用，基本實(shí)現(xiàn)零排放。

⑵多工位步進(jìn)梁。采用熱模鍛設(shè)備，在同一臺(tái)設(shè)備上完成壓餅、成形、分離、沖孔等工序，工序之間傳遞采用步進(jìn)梁，適用于中型軸承鍛造，生產(chǎn)節(jié)拍10～ 15次/min。

圖1 哈特貝爾AMP30S高速鍛自動(dòng)生產(chǎn)線

⑶機(jī)器人代替人。根據(jù)鍛造工序，多臺(tái)壓機(jī)連線，壓機(jī)之間產(chǎn)品傳遞采用機(jī)器人傳遞，適用于中大型軸承或齒坯鍛造，生產(chǎn)節(jié)拍4～8次/min。

⑷機(jī)械手代替人。改造現(xiàn)有鍛造連線，局部工位采用簡(jiǎn)易機(jī)械手代替人，操作簡(jiǎn)單，投資少，適用于小型企業(yè)自動(dòng)化改造。

中頻感應(yīng)鍛造加熱技術(shù)

⑴中頻感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)。

1)加熱結(jié)束時(shí)，料段芯表溫差、頭尾溫差≤30℃(通過計(jì)算機(jī)模擬)，加熱過程溫度波動(dòng)為±25℃。

2)加熱應(yīng)分三個(gè)階段：預(yù)熱、升溫、保溫，預(yù)熱階段芯表溫差≤400℃。

3)被加熱過的棒料必須小于100℃方可再次被加熱，并且只能再加熱一次，需有防錯(cuò)裝置。

4)中頻加熱爐必須配三路分選，與加熱系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)形成閉環(huán)。

⑵中頻感應(yīng)加熱測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)控制要點(diǎn)。

1)加熱溫度應(yīng)在無(wú)氧化皮的表面上測(cè)量，如技術(shù)上有難度，也可以在棒料/料段外徑表面測(cè)量。

2)對(duì)同一點(diǎn)采用紅外線雙測(cè)溫，與棒料/料段表面垂直，離爐口10cm。

3)測(cè)溫儀每秒鐘測(cè)溫≥10次，取兩者的Z大值作為數(shù)據(jù)處理或過程控制；兩者溫差超過溫度控制公差，須報(bào)警。

4)紅外測(cè)溫儀聚焦點(diǎn)直徑應(yīng)≤2mm，發(fā)射率ε=0.9（1000～1200℃)。

5)每天用比對(duì)高溫計(jì)與設(shè)備固定雙測(cè)溫高溫計(jì)進(jìn)行比對(duì)，偏差≤50℃。

6)所有紅外測(cè)溫儀每年必須校正，精度不超過測(cè)量范圍上下限的±0.5%。

7)溫度測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性要求：在穩(wěn)定加熱狀態(tài)下，連續(xù)測(cè)量30個(gè)料段的加熱溫度，溫度應(yīng)呈正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差σ≤7℃。

鍛造控形控性技術(shù)

⑴技術(shù)維度。

1)加熱質(zhì)量控制：配置雙電源設(shè)計(jì)，保證預(yù)熱階段芯表溫差≤400℃；配置雙測(cè)溫儀（加熱爐出料口)；進(jìn)料處配置1套測(cè)溫儀，防止余溫料進(jìn)入（特別是高速鍛)；配置在線混料檢測(cè)裝置；三路分選、超溫報(bào)警、水溫、水壓報(bào)警為標(biāo)配。

2)控鍛控冷：雙“細(xì)化”，精確的溫度控制，防止鍛件過熱、過燒；細(xì)化晶粒；控制鍛后冷卻速度，防止出現(xiàn)網(wǎng)狀組織，細(xì)化組織，提高疲勞壽命。

表2 高速鍛+冷輾對(duì)產(chǎn)品性能的影響

3)模具技術(shù)：計(jì)算機(jī)仿真模擬設(shè)計(jì)；真空熱處理；表面改性技術(shù)。

4)重要零部件：對(duì)原材料進(jìn)行“雙探”，超聲+漏磁探傷；表面扒皮，去除表面探傷盲區(qū)裂紋。

5)特殊零件，設(shè)備結(jié)構(gòu)特殊設(shè)計(jì)：小而薄的零件如汽車凸輪軸上的凸輪片，設(shè)計(jì)側(cè)向排料系統(tǒng)。

⑵管理維度：人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)。

鍛件的近凈成形技術(shù)

⑴高速鍛造+冷輾技術(shù)，工藝流程見圖2。冷輾產(chǎn)品尺寸精度與形位公差按JB/T 11759-2013《冷軋軸承環(huán)件機(jī)械加工余量及公差》及JB/T 12101-2014《數(shù)控冷輾環(huán)機(jī)》，以3155產(chǎn)品為例，高速鍛+冷輾近凈成形技術(shù)節(jié)材17.7%，高速鍛+冷輾對(duì)產(chǎn)品性能的影響見表2。

⑵數(shù)值模擬仿真技術(shù)在鍛造中的應(yīng)用。

1)構(gòu)建齒坯及模具數(shù)字化三維幾何模型和有限元模型，分析近凈成形過程中的金屬流動(dòng)、應(yīng)變、應(yīng)力、溫度等場(chǎng)量分布狀態(tài)，為實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)備選型提高參考。

圖2 高速鍛造+冷輾技術(shù)工藝流程

2)分析齒坯近凈成形主要工藝參數(shù)：鍛造溫度、鍛造速度、模具預(yù)熱溫度和摩擦系數(shù)，得到各工藝參數(shù)對(duì)齒坯成形過程的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

3)分析不同工藝方案的成形規(guī)律，建立成形工藝參數(shù)優(yōu)化模型，確定Z佳成形工藝參數(shù)。

4)建立模具結(jié)構(gòu)因素彈塑性有限元模型，分析齒坯成形過程中模具局部應(yīng)力應(yīng)變分布狀態(tài)，研究模具成形載荷和磨損，分析優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、提高模具壽命。

⑶模具數(shù)值模擬仿真技術(shù)應(yīng)用。

1)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)值模擬。

2)工藝優(yōu)化數(shù)值模擬。

3)模具結(jié)構(gòu)改善金屬流線。

4)齒坯近凈成形模具壽命預(yù)測(cè)。

5)模具磨損數(shù)值模擬。

展望

鍛造涉及材料種類繁多，鍛造過程及模具存在主觀和客觀方面的復(fù)雜性、多樣性，在材料技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、加熱技術(shù)、控形控性技術(shù)、近凈成形技術(shù)方面還有很多提升空間，尤其是近凈成形數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用方面，還不是十分廣泛，材料數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)較少，模擬變形數(shù)據(jù)與實(shí)際還有一定差異，需對(duì)材料高溫變形進(jìn)行大量試驗(yàn)，以獲取高溫變形的實(shí)際數(shù)據(jù)，提高模擬仿真的準(zhǔn)確性。隨著鍛造仿真模擬技術(shù)的研究，相信近凈成形技術(shù)一定會(huì)廣泛應(yīng)用于少無(wú)切削的精密鍛造領(lǐng)域。

作者簡(jiǎn)介

王明舟，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事金屬材料及軸承鍛造、熱處理加工工藝方面的研究與應(yīng)用，現(xiàn)任集團(tuán)副總工程師，技術(shù)總監(jiān)兼省級(jí)技術(shù)中心主任等職。中國(guó)軸承工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)委員會(huì)材料專業(yè)委員會(huì)委員，浙江省軸承工業(yè)協(xié)會(huì)技術(shù)聯(lián)盟平臺(tái)專家。獲專利11項(xiàng)，參與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定2項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)；省部級(jí)優(yōu)秀論文4篇，省部級(jí)榮譽(yù)3項(xiàng)。

來源：《鍛造與沖壓》2019年第23期