CN106216965A - 一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，包括如下内容：（1）管坯离心浇铸，根据辗扩成形的保持架锻件尺寸、辗扩环坯尺寸和辗扩比确定离心浇铸管坯直径和长度，然后将模具预热后在一定的浇铸条件下浇铸成形和脱模；（2）辗扩环坯制备，将管坯在剪切设备上利用铸造余热进行热剪切下料，将下料所得辗扩环坯放入控温炉均匀保温；（3）辗扩成形，将轧辊预热后在一定辗扩条件下采取合理的辗扩规程辗扩成形。本发明可以改善铸造保持架组织缺陷，提高力学性能，同时可以减少新工艺设备投入，提高生产效率。

Description

一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法

技术领域

本发明涉及轴承制造技术，具体涉及一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法。

背景技术

保持架作为轴承的关键组件，对轴承的磨损和破坏防护起着重要作用。铜合金保持架以其高强度、耐磨损、自润滑等性能优点，广泛用于中大型高速重载轴承，如大型机床主轴、冶金轧机、铁路机车轴承等。

中大型轴承铜合金保持架的传统加工方法为离心浇铸，采用离心浇铸制成管坯再进行切削加工。离心浇铸成形精度差，导致切削加工材料和工时消耗大，而且容易产生气孔、缩松等组织缺陷，严重影响产品性能和生产合格率。目前也有采用压铸成形和等温挤压成形方法，相比离心浇铸方法生产质量和效率有所改善，但是设备和模具要求很高、投入大，增加了生产成本，而且工件内部容易产生明显内应力，引起服役过程应力腐蚀、造成失效。上述铜合金保持架成形方法存在的技术问题，不仅限制了铜合金保持架工业生产，也制约了大型高速重载轴承技术和产业发展，因此需要开发新的高质量、高效率、低成本成形方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，该方法可显著提高成形精度，改善组织性能，减少后续切削加工，从而提高材料利用率、生产效率和产品质量，降低生产成本。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、管坯离心浇铸

(1)计算管坯直径及长度：根据辗扩成形的保持架锻件尺寸和辗扩比，按下式计算离心浇铸的管坯直径：

$R_0=\frac{(R+r)+{\mathrm{HS}}^2}{2S},r_0=\frac{(R+r)-{\mathrm{HS}}^2}{2S}$

其中，r₀、R₀分别为管坯内、外半径；r、R分别为辗扩成形保持架锻件内、外半径，H＝R-r为保持架锻件壁厚，保持架锻件尺寸可根据保持架成品尺寸和辗扩加工余量确定；S为辗扩比(即辗扩环坯与保持架锻件截面积比值)；为了使辗扩环坯通过辗扩产生充分变形以消除铸造组织缺陷、改善性能，而且控制辗扩不均匀变形和各向异性程度，辗扩比S取1.2～1.5为宜；离心浇铸的管坯的内直径d₀＝2r₀、外直径D₀＝2R₀；

管坯长度按公式L＝nB计算，其中L为管坯长度，B为辗扩环坯轴向尺寸，n为离心铸造滚筒的高度与辗扩环坯轴向尺寸之商的最大整数值；

(2)浇铸成形：根据管坯尺寸确定铸模尺寸和浇注量，将模具预热至195-205℃，在一定的浇铸温度、浇铸时间和铸模转速条件下浇铸成形；浇铸温度、浇铸时间和铸模转速对管坯组织和表面质量有着重要的影响，为了有效抑制夹杂、气孔、缩松及表面裂纹等缺陷，浇铸温度控制在铜合金液相线以上100～150℃，浇铸时间控制在5～15秒，铸模转速根据管坯平均直径大小控制在350～1100r/min，且管坯外径越大取值越小；浇铸成形铜管冷却至800℃以下脱模，得到脱模的管坯；

2)、辗扩环坯制备

将脱模的管坯在剪切设备上利用余热进行剪切下料，根据辗扩环坯轴向尺寸分段剪切下料，辗扩环坯轴向尺寸取为保持架锻件轴向尺寸；将下料所得辗扩环坯放入控温炉均匀保温，根据初始辗扩温度和尺寸合理设置辗扩环坯保温温度和时间，保温温度设置为初始辗扩温度以上20℃～50℃，保温时间设置为10～30分钟，辗扩环坯壁厚越大保温时间越长。

3)、辗扩成形

将轧辊预热至250～300℃，将均温后的辗扩环坯放上热辗扩机，在一定辗扩温度和辗扩速度(包括线速度和平均进给速度)下采取合理的辗扩规程进行辗扩，得到保持架锻件；为了使环坯在合适温度塑性变形而改善组织状态和力学性能，辗扩温度控制在650～750℃，辗扩线速度根据辗扩环坯外径大小控制在1.2～1.6m/s且外径越大取值越小，辗扩平均进给速度可根据辗扩环坯、保持架锻件和轧辊尺寸按下式计算：

$\stackrel{\‾}{v}=\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{VR}}_1{R}_2{\left(arctan\mathrm{\μ}\right)}^2}{2{\mathrm{\πR}}_{01}(R_1+R_2)}$

其中，α为常数，取0.2～0.8；R₁、R₂分别为驱动辊和芯辊工作面半径；R₀₁为辗扩环坯外半径，R₀₁＝R₀；V为辗扩线速度；μ为环坯与轧辊之间摩擦系数；

为了使辗扩环坯在辗扩过程稳定变形而获得较好几何精度的保持架锻件，辗扩规程分三个阶段：辗扩建立阶段，在0％～20％进给率区间(不含20％)，采用平均进给速度 的增速进给模式，使辗扩环坯稳定咬入孔型建立辗扩变形，同时消除辗扩环坯初始壁厚差；辗扩稳定阶段，在20％～80％进给率区间(不含80％)，采用平均进给速度的恒速进给模式，使辗扩环坯快速稳定变形；辗扩结束阶段，在80％～100％进给率区间，采平均进给速度用的降速进给模式，逐渐降低辗扩环坯直径扩大速度、控制变形产生的椭圆度和壁厚差。

步骤1)中，所述的管坯的材料可为铜合金，如黄铜H90、铅黄铜HPb59-1、铝青铜QAl7等中的一种。

本发明基于离心浇铸与热辗扩成形复合，通过合理的工艺设计规划，可显著提高成形精度，改善组织性能，减少后续切削加工，从而提高材料利用率、生产效率和产品质量，降低生产成本

本发明的有益效果是：本发明将传统离心浇铸与辗扩相结合，通过合理设计控制工艺条件下，利用塑性变形改善或消除保持架铸件内部孔隙缺陷、细化组织、提升性能；此外，本发明是在原离心浇铸工艺上增加辗扩工艺，发挥其连续局部成形设备吨位少、生产效率高的技术经济性，相比压铸和等温挤压明显降低了设备投入和生产成本，而且配合铸造余热下料和均温控制，可以实现铸辗连续成形，提高了生产效率。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

以某冶金轧机轴承HPb59-1材质黄铜保持架为例，根据保持架产品尺寸和辗扩加工余量，确定辗扩成形的保持架锻件尺寸为：外径Φ193.8mm、内径Φ164.0mm、高度36.5mm，其铸辗复合成形方法按如下步骤实现：

1、管坯离心浇铸

(1)计算管坯直径及长度：根据本发明中管坯直径和长度计算公式，其中r为82.0mm，R为96.9mm，锻件壁厚H＝14.9mm，辗扩比S为1.463，d为36.5mm；进而确定管坯内外半径尺寸，r₀为55.3mm、R₀为77.1mm，离心浇铸的管坯的内直径d₀＝110.6mm、外直径D₀＝154.2mm；取n为6，确定管坯的长度为219mm。

(2)浇铸成形：根据管坯尺寸确定铸模尺寸和浇注量，将模具预热至200℃，将离心机起动逐步加速至转速1050r/min。浇铸温度控制在1020～1050℃进行浇注，开始浇注时应快，而后进行匀速浇注，不得断流，浇铸时间控制在8～10秒。浇铸完成后铸件冷却到800℃以下停机、脱模，得到脱模的管坯。

2、辗扩环坯制备

将脱模的管坯在剪切设备上利用余热进行热剪切下料，辗扩环坯轴向尺寸为保持架锻件轴向尺寸36.5mm，将脱模的管坯按36.5mm分段剪切下料，将下料所得环坯放入控温炉均匀保温，将剪切后的下料环坯放置炉温780℃均温炉中保温时间20min(辗扩环坯初始辗扩温度约为760℃)；得到均温后的辗扩环坯。

3、辗扩成形

将轧辊预热至250℃，将均温后的环坯放上热辗扩机，辗扩线速度V选择为1.2m/s。根据辗扩进给速度公式，在本实例中驱动辊和芯辊工作面半径R₁、R₂分别为200mm和20mm，辗扩环坯外半径R₀₁＝R₀(管坯外半径)为77.1mm，μ为0.3，α取0.3。代入计算得辗扩平均进给速度v约为1.2mm/s。

辗扩温度控制在750～650℃，辗扩线速度根据环坯外径大小控制在1.2～1.6m/s。

为了使辗扩环坯在辗扩过程稳定变形而获得较好的几何精度，辗扩规程分三个阶段：在0％～20％进给率区间，以0.8mm/s的平均进给速度增速进给；在20％～80％进给率区间，以1.8mm/s的平均进给速度恒速进给；在80％～100％进给率区间，以0.4mm/s的平均进给速度降速进给。

对采用上述方法成形的铜合金保持架锻件与传统离心浇铸铜合金保持架铸件进行力学性能比较，采用本发明方法使保持架屈服强度由115.56MPa提高至143.42MPa，抗拉强度由226.13MPa提升至565.89MPa，断后延伸率由11.45％提升至57.76％，屈服强度、抗拉强度以及延伸率的提高幅度分别为24.11％、150.2％和404.4％，说明本发明铸辗复合成形方法能够显著提升铜合金保持架力学性能。

本发明技术方法还适用于其它铜合金保持架，其方法与上述实施例相同，效果也相同，在此不逐一列举实施例。

Claims (7)

1.一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、管坯离心浇铸

(1)计算管坯直径及长度：根据辗扩成形的保持架锻件尺寸和辗扩比，按下式计算离心浇铸的管坯直径：

$R_0=\frac{(R+r)+{\mathrm{HS}}^2}{2S},r_0=\frac{(R+r)-{\mathrm{HS}}^2}{2S}$

其中，r₀、R₀分别为管坯内、外半径；r、R分别为保持架锻件内、外半径，H＝R-r为保持架锻件壁厚；S为辗扩比；辗扩比S取1.2～1.5；离心浇铸的管坯的内直径d₀＝2r₀、外直径D₀＝2R₀；

管坯长度按公式L＝nB计算，其中L为管坯长度，B为辗扩环坯轴向尺寸，n为离心铸造滚筒的高度与辗扩所需辗扩环坯轴向尺寸之商的最大整数值；

(2)浇铸成形：根据管坯尺寸确定铸模尺寸和浇注量，将模具预热至195-205℃，在一定的浇铸温度、浇铸时间和铸模转速条件下浇铸成形；浇铸温度控制在铜合金液相线以上100～150℃，浇铸时间控制在5～15秒，铸模转速根据管坯平均直径大小控制在350～1100r/min；浇铸成形铜管冷却至800℃以下脱模，得到脱模的管坯；

2)、辗扩环坯制备

将脱模的管坯在剪切设备上利用余热进行剪切下料，根据辗扩环坯轴向尺寸分段剪切下料，辗扩环坯轴向尺寸取为保持架锻件轴向尺寸；将下料所得辗扩环坯放入控温炉均匀保温，保温温度设置为初始辗扩温度以上20℃～50℃，保温时间设置为10～30分钟；得到均温后的辗扩环坯；

3)、辗扩成形

将轧辊预热至250～300℃，将均温后的辗扩环坯放上热辗扩机，进行辗扩，得到轴承铜合金保持架。

2.根据权利要求1所述的一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于，步骤1)中，所述的管坯的材料为铜合金。

3.根据权利要求1所述的一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于，步骤1)中，铸模转速根据管坯平均直径大小控制在350～1100r/min，且管坯外径越大取值越小。

4.根据权利要求1所述的一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于，步骤2)中，保温时间设置为10～30分钟，辗扩环坯壁厚越大保温时间越长。

5.根据权利要求1所述的一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于，步骤3)中，在一定辗扩温度和辗扩速度下采取合理的辗扩规程进行辗扩，得到轴承铜合金保持架锻件；辗扩温度控制在650～750℃，辗扩线速度根据辗扩环坯外径大小控制在1.2～1.6m/s且辗扩环坯外径越大取值越小，辗扩平均进给速度可根据辗扩环坯、保持架锻件和轧辊尺寸按下式计算：

$\stackrel{\‾}{v}=\mathrm{\α}\frac{{\mathrm{VR}}_1{R}_2{\left(arctan\mathrm{\μ}\right)}^2}{2{\mathrm{\πR}}_{01}(R_1+R_2)}$

其中，α为常数，取0.2～0.8；R₁、R₂分别为驱动辊和芯辊工作面半径；R₀₁为辗扩环坯外半径，R₀₁＝R₀；V为辗扩线速度；μ为环坯与轧辊之间摩擦系数。

6.根据权利要求5所述的一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于，辗扩规程分三个阶段：辗扩建立阶段，在0％～20％进给率区间，采用平均进给速度0.4v～0.8v的增速进给模式，使辗扩环坯稳定咬入孔型建立辗扩变形，同时消除辗扩环坯初始壁厚差；辗扩稳定阶段，在20％～80％进给率区间，采用平均进给速度1v～2v的恒速进给模式，使辗扩环坯快速稳定变形；辗扩结束阶段，在80％～100％进给率区间，采平均进给速度用0.1v～0.4v的降速进给模式，逐渐降低辗扩环坯直径扩大速度、控制变形产生的椭圆度和壁厚差。

7.根据权利要求1所述的一种轴承铜合金保持架的铸辗复合成形方法，其特征在于，步骤1)中，所述的铜合金为黄铜H90、铅黄铜HPb59-1、铝青铜QAl7中的一种。