轴承先进锻造工艺及制造技术

王明舟

（浙江五洲新春集团股份有限公司）

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，表1为由1980年以前到现今的轴承锻造成形工艺的发展历程。

国内轴承质量与先进水平差距

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。

表1 中小型轴承锻造成形工艺的发展历程

锻造质量对轴承性能影响

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。

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。

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。

锻造转型升级

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。

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，Z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。

1)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（图1)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。

2)优质。锻件加工精度高，车加工余量少，原材?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。

3)头尾自动甩料，去除棒料探伤盲区、端头毛刺。

4)节能。与常规锻造比节能10%～15%，节约原材料10%～20%，水?源节约95%。

5)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。

6)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。

图1 哈特贝尔AMP30S高速锻自动生产线

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。

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。

1)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℃。

2)加热应分三个阶段：预热、升温、保温，预热阶段芯表温差≤400℃。

3)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。

4)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。

1)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。

2)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。

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

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

5)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℃。

6)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±0.5%。

7)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℃。

锻造控形控性技术

⑴技术维度。

1)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。

2)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。

表2 高速锻+冷辗对产品性能的影响

3)模具技术：计算机仿真模拟设计；真空热处理；表面改性技术。

4)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。

5)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。

锻件的近净成形技术

⑴高速锻造+冷辗技术，工艺流程见图2。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见表2。

⑵数值模拟仿真技术在锻造中的应用。

1)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。

图2 高速锻造+冷辗技术工艺流程

2)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。

3)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Z佳成形工艺参数。

4)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。

1)模具结构优化数值模拟。

2)工艺优化数值模拟。

3)模具结构改善金属流线。

4)齿坯近净成形模具寿命预测。

5)模具磨损数值模拟。

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。

作者简介

王明舟，高级工程师，长期从事金属材料及轴承锻造、热处理加工工艺方面的研究与应用，现任集团副总工程师，技术总监兼省级技术中心主任等职。中国轴承工业协会技术委员会材料专业委员会委员，浙江省轴承工业协会技术联盟平台专家。获专利11项，参与国家标准制定2项，行业标准2项；省部级优秀论文4篇，省部级荣誉3项。

来源：《锻造与冲压》2019年第23期