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锻造工艺对机械轴承用铝合金性能的影响

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：张涛闫加宝刘诗亮尹旭方王泽

[导读] 摘要：随着时代的进步工业的不断改革和进步，机械行业的发展也是越来越好，而轴承在机械领域则发挥着巨大的作用。

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        摘要：随着时代的进步工业的不断改革和进步，机械行业的发展也是越来越好，而轴承在机械领域则发挥着巨大的作用。它承载着机械旋转体，能够减少旋转时的摩擦和负荷。轴承的精度、质量、寿命等关系到机械产品的质量和综合性能，甚至关系到人身安全，因而轴承的质量、性能不容忽视。目前，轴承常用到的原材料有不锈钢、高碳铬钢等。而近些年来，在轻量化、绿色环保、可持续发展等理念的推广下，并基于机械行业对轴承性能越来越高的需求，铝合金受到越来越多的关注和青睐。铝合金具有密度小、强度高、易加工、耐腐蚀性高等优点，适用于机械轴承的加工。除了原材料的优化外，加工工艺也是影响轴承性能的关键因素。虽然我国的锻造工艺水平取得了较大的提升，但是轴承在锻造时存在易偏析、开裂等问题。
        关键词：锻造工艺对机械轴承用铝合金性能的影响
        引言
        轴承零件常用锻造工艺成型，特别是中大型尺寸的轴承，常用加热锻造的方法将轴承零件锻造成需要的零件大致形状。由于锻造过程中不断地分不同阶段辗扩，成型后的零件既节约了材料成本，又能使内部组织更加均匀一致，综合机械性能得到显著改善，为后工序的加工尤其是热处理工序提供了良好的基础。由于锻造工艺属于热加工范畴，在锻造过程中不可避免产生氧化皮、脱碳、过热等热加工缺陷，这些缺陷对热处理质量控制及轴承寿命影响较大。
        1锻造工艺与特点
        1.1变形抗力较大，但塑性较低
        对于铝合金而言，其塑性主要受合金的成分及锻造时的温度直接影响，并且塑性对于变形发生速度的感知程度还会因合金元素实际含量的改变而变化，如果合金元素的实际含量增加，则塑性将明显降低，对变形发生速度的感知程度增强。基于此，相较于形状一致的钢锻件，采用铝合金锻造时，需要达到的吨位可以达到钢锻件150%左右。设计中，应充分考虑铝合金自身抗变形能力与热锻模对应的热收缩率，其中，收缩率以锻件形状为依据在0.6%～0.7%范围内选取，当变形量较大，且金属流动激烈的部位应取1.0%。另外，还要对锻模使用中的温度进行适当调整，当锻模的温度升高时，收缩率增加，若进行等温锻造，则收缩率可适当地减小。
        1.2锻造温度范围相对较窄
        不同的类型的铝合金，其锻造温度不同，但都小于150℃，某些甚至低于70℃。可见，多火次和小变形是铝合金锻造的主要特点，生产中，生产的节拍可将生产要求作为依据来确定和调整。锻造对温度有着很高的要求，生产时，需要对炉温进行严格控制，炉温的均匀性不能超过±6℃，在温控过程中，精度要达到±3℃，测温可借助红外测温仪实现，根据实测温度，确定适宜的时间节拍，以保证出炉温度达到要求。
        1.3多工序和小变形
        这是铝合金锻造生产的主要特性，基于此，在锻造时应重点防止由于变形量过大而产生粗晶与裂纹。为达到这一目标，需要以锻造生产特性为依据，结合零件结构，确定适宜的工艺路线，一般情况下，工艺路线为：先进行连续加热，再进行弯曲和压扁预锻，然后，进行切边与二次加热，最后进行终锻与切边校正。
        2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。

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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。
        3铝合金锻造自动化工艺设计
        3.1加热
        选取控温精度高、加热均匀性好且风速大的节能环保型连续式加热炉，避免传统箱式加热炉温度控制不严造成坯料过热、过烧的缺陷。由于简统化的接触网腕臂定位连接件形状各异，在加热炉中的传输过程需要确保工件稳定且定位准确，以便于机械手抓取料的一致性和连续性，建议采用链板式传送带，排除网带式传送带。
        3.2预锻
        传统生产线一次锻造成形的工艺设计中，锻件可能出现如折叠、充型不足、局部变形不均匀等缺陷，同时还会因为模具承受锻机荷载过大而加速模具损耗。合理的预锻件设计可以改善金属在模膛中的流动方式，让金属更加易于充满型腔，减少过多金属材料流向飞边的料耗，避免出现折叠等缺陷；同时减少模具型腔的磨损，提高模具寿命。
        3.3模具优化设计及制造
        （1）增加模座及模具加热装置。改变传统锻造模具直接安装在锻机床身更换频繁的连接方式，对于生产批量大、精度要求高的铝合金锻件，增加拆装、调整方便的通用模具基座，便于模具安装，并起支撑、保护、连接模具的关键作用。因为模座不参与成形，其形状不会随部品的改变而变化，只与部品的大小、结构有关，因此在铝合金锻造自动化生产线中将模座标准化，加工方便，可以将模座先加工好各种大小不同规格的模板、导柱等，再根据需要组成一套一套的模座，同时充分考虑模座的强度及刚度，确保锻造工件的质量和生产安全性。模具温度对铝合金锻造成形至关重要，模具温度过高，锻件容易粘模且模具损耗加剧；模具温度过低，又易造成锻件成形缺陷。通过装置模具控温系统，保证整个锻造生产中模具在要求的温度下保持恒温；避免锻件锻后因冷缩包覆模具及铝合金材料本身存在外摩擦系数大、流动速度慢、黏附力强等变形特点从而造成的脱模困难。由于铝合金的锻造温度范围较窄，在锻造前模具需要经过预热，使得锻造温度变化范围小；而且铝合金材料在锻造成形时，毛坯料与模具之间的接触传热直接影响模具使用寿命和锻件成形精度。因此，对传统锻造工艺只在锻造前进行模具预热升温的工艺步骤进行优化完善，增加锻造过程中模具自动加热和控温装置，能够在锻造时有利于产品成形，降低产品报废率。（2）顶料机构的设计。高效稳定可靠的顶料机构可以保证锻模及时脱模，减少锻件变形，提高锻造生产效率和模具寿命，是实施铝合金锻造自动化的关键影响因素。因此，要消除传统多点顶料时顶升偏载，顶出时间不同造成的锻件翘曲变形甚至报废，严重时导致顶料机构卡死的现象，需要根据锻件的大小和结构，以及预锻和终锻工序均需要顶料出模的情况，从顶杆设计、顶杆布置、顶杆长度、顶杆导向段与模具孔之间间隙和二者之间的表面粗糙度等方面进行优化设计，优先选用对称形式，利于顶料机构的受力均衡，保证顶杆工作可靠性。
        结语
        近年来，锻造行业因工作环境较恶劣，工人的劳动强度不断加大。自动化锻造生产线将实现锻造模拟仿真数据应用到实际锻造生产，采用自动化设备完成锻造过程，整条生产线可流水线操作，周而复始，循环运行。与人工锻造相比，自动化锻造生产可大大降低工人劳动强度、提高生产效率，产品质量得到充分保证。
        参考文献：
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        [4]刘静安，谢水生.铝合金锻压生产与技术的发展方向[C].合金加工学术研讨会文集，2020.
        [5]方敏.柔性软件自动化生产线研究[D].浙江大学，2020.