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摘 要

圆锥滚子轴承作为一种可以同时承受径向载荷和轴向载荷的滚动轴承，是汽车传动系统的关键零件，在各类汽车中都有着广泛的应用。圆锥滚子轴承由套圈、滚动体保持架组成，其中套圈是轴承的关键零件，套圈的性能决定了轴承的最终服役性能。目前，圆锥滚子轴承多采用热轧方式制造，具有切削加工量大、能耗高等缺点，而且得到的轴承套圈晶粒组织粗大、金属流线被大量切削破坏，最终造成轴承力学性能较差。

环件近净冷轧是一种先进的连续局部塑性成形工艺，与传统圆锥滚子轴承套圈加工方法相比，具有材料利用率高、晶粒组织细匀、金属流线分布合理的优点。本课题针对圆锥滚子轴承内圈近净冷轧成形工艺，开展冷轧成形锻件、毛坯、孔型和工艺参数的设计，并通过有限元数值模拟的方法，研究了冷轧不同阶段的金属流动、成形

缺陷及损伤分布情况，探究了轧制比对套圈成形几何精度的影响，为圆锥滚子轴承内圈加工工艺的改进提供了指导，从而促进异形截面环件冷轧技术的发展，提升我国的轴承制造水平。

关键词：圆锥滚子轴承内圈；冷轧；异形截面；数值模拟

Abstract

Tapered roller bearings, as a type of rolling bearing that can bear radial load and axial load at the same time , play an important part in automotive transmission system , and they are widely used in various types of automobiles. Tapered roller bearings are composed of rolling elements, ferrules and cages. The ferrule is the key part of the bearing. The performance of the ferrule determines the final service performance of the bearing. At present, tapered roller bearings are mostly manufactured by hot rolling, which has the disadvantages of large machining volume and high energy consumption. Moreover, the obtained bearing ferule has a coarse grain structure and a large number of metal streamline are damaged by cutting, which ultimately weakens the mechanical properties of the bearing

Near-net cold rolling is an advanced continuous plastic forming process. Compared with traditional tapered roller bearing ring processing methods, it has the advantages of high material utilization rate, fine grain structure and reasonable metal streamline distribution. In this subject , the cold rolled forming forgings, blanks, pass types and process parameters are designed, the metal flow, Forming defects and damage distribution at different stages of cold rolling is studied, , the effect of rolling ratio on the geometric accuracy of the ring forming was explored. This paper has provided guidance for the improvement of the processing technology of tapered roller bearing inner rings, promoted the development of cold rolling technology for special-shaped cross-section rings and improved the bearing manufacturing level of China.

Key Words：tapered roller bearing；inner ring；numerical simulation；cold rolling

目 录

第1章 绪论 1

1.1 环件轧制基本原理 1

1.2 环件轧制研究现状 1

1.3 课题来源、研究目的及意义 2

1.4 本文主要研究内容 3

第2章圆锥滚子轴承内圈制坯-冷轧工艺全流程方案设计 4

2.1 引言 4

2.2 冷轧用锻件、孔型及毛坯设计 4

2.2.1 锻件设计 4

2.2.2 孔型设计 5

2.2.3 毛坯设计 5

2.3 锻造制坯工艺设计 6

2.3.1 下料 6

2.3.2 加热 7

2.3.3 锻造 7

2.4 冷轧工艺参数设计 8

2.4.1 进给速度 8

2.4.2 轧制时间 8

第3章冷轧成形模拟与成形效果分析 9

3.1 冷轧成形有限元模拟 9

3.2 冷轧成形效果分析 11

3.2.1 成形尺寸分析 11

3.2.2 型腔填充不满 11

3.2.3 端面不平整 12

3.2.4 端面毛刺 12

3.3 本章小结 13

第4章 冷轧成形工艺方案优化及成形结果分析 14

4.1 轧辊孔型的优化 14

4.2 毛坯设计的优化 15

4.2.1 毛坯体积优化 15

4.2.2 毛坯轧比优化 15

4.3 冷轧成形结果分析 16

4.3.1 不同轧比毛坯轧制结果比较 16

4.3.2 几何形状变化规律 18

4.3.3 塑性应变分布规律 18

4.3.4 损伤分布规律 19

第5章 总结与展望 21

5.1研究总结 21

5.2研究展望 21

参考文献 23

致谢 24

第1章 绪论

环件轧制技术是一种用于生产无缝回转体零件的连续局部塑性成形工艺。通过轧辊的回转和进给运动，坯料不断被咬入孔型，使小直径厚截面环件变形为具有轧辊型腔轮廓外形的大直径薄截面环件。与传统的模锻等加工方法相比较，它具有省力节能、材料利用率高、生产效率高等显著优点，因而在轴承环、齿轮环、法兰环等产品制造中应用广泛。

1.1 环件轧制基本原理

环件轧制基本原理如图1.1所示。图中驱动辊和芯辊为主动辊，驱动辊在电动机驱动下绕其轴心作匀速旋转运动，芯辊在液压机或者气动机构作用下向驱动辊方向作直线进给运动。导向辊一方面因为环件摩擦力的影响作被动自转运动，另一方面在导向机构作用下绕一中心作圆周公转运动，从而保证轧制过程的稳定。在驱动辊旋转运动和芯辊进给运动共同作用之下，环件不断被咬入轧制孔型并产生连续局部塑性变形，使环件内外径扩大、壁厚减小、截面轮廓逐渐成形。

图1.1 环件轧制基本原理图

1.2 环件轧制研究现状

环件轧制理论最早开始于矩形环件的轧制研究。在1968年，Johnson W等^[1,2]最早通过矩形截面环件轧制实验研究了环件轧制过程中基本的塑性变形行为和材料流动模式，引起了工程科学界对环轧技术的关注。早期的环件轧制研究主要采用实验法和解析法，这些研究揭示了环件轧制过程的基本规律，为环件轧制工艺设计提供了一定的依据。随着计算机技术的发展，有限元方法的出现为金属塑性成形领域提供了新的研究手段。1994年，Hu Z M^[3]最先将弹塑性有限元法应用到环件冷轧的研究中。由于冷轧中存在回弹现象，相比与之前的刚塑性有限元法，弹塑性有限元法的模拟结果能更好地符合冷轧过程中环件实际的变形行为。

近些年来，学界越来越认识到套圈的微观组织状态对轴承最终服役性能有着重要影响，相关研究也呈增多趋势。2010年Ryttberg K等^[4]最早研究了环件冷轧对GCr15钢组织的影响，并对沟球截面环件不同半径处的晶粒形貌进行了分析。邵一川^[5]针对GCr15轴承套圈滚道表面质量进行了研究，讨论了进给速度和压下量对滚道表面质量的影响。Georg Falkinger等^[6]利用Al–Mg–Si合金，分析了冷轧时晶粒形貌的变化规律。此外，Bohan Lu^[7]和Song Deng等^[8]均对环件冷轧时微观组织的演变规律进行了研究。

由于异形截面环件轧制过程中变形行为复杂，针对异形环件的轧制技术发展得相对较晚，相关研究也相对缺乏。1975年，Mamalis^[9]等研究了T形环轧制过程中进给速度对环件沟槽成形结果的影响。Li等^[10]研究发现,轧制比的增大一方面使得变形更加均匀，但另一方面也使得金属充填型腔的难度加大。华林^[11,12]等分别针对内台阶和外台阶环件，分析了轧制过程中的轧制缺陷、尺寸变化和金属流动情况。钱东升^[13]研究了异形截面环件的轧制过程，提出了异形截面环件轧制的力学原理和工艺理论。钱东升、华林等^[14,15]采用不同截面形状的环坯进行L形截面环件的轧制模拟，发现环坯形状对轧制效果有着重要的影响。进一步地，龚小涛^[16]提出了毛坯设计优化的3条基本原则：“体积相等”、“截面相等”、“形状相似”，并对典型台阶锥形环件毛坯进行了优化。路博涵等^[17]优化了圆锥滚子轴承外圈毛坯的设计方法。然而，由于圆锥滚子轴承内圈截面形状更为复杂，相关研究一直较少，异形截面环件的研究仍存在模拟运行时间久、槽型充满困难等问题^[18]

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