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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。