風(fēng)電軸承鋼球毛坯的高速鐓鍛工藝研究與開發(fā)

文/楊偉·浙江五洲新春集團(tuán)股份有限公司富盛精密鍛造廠

風(fēng)電軸承是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件之一，因其使用環(huán)境惡劣、維護(hù)成本高，通常要求有20 年以上的使用壽命。因此，對(duì)于軸承鋼球等配件的質(zhì)量要求也較高。鋼球毛坯以優(yōu)質(zhì)軸承鋼為原材料，采用熱鍛工藝、鍛后控制冷卻及球化退火工藝，保證了球坯心部及表面的網(wǎng)狀、帶狀和液析組織等符合質(zhì)量要求，有效提升成品鋼球的可靠性，為保證風(fēng)電軸承的使用壽命奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

高速鐓鍛機(jī)生產(chǎn)鋼球毛坯

風(fēng)電軸承鋼球毛坯的需求量大，質(zhì)量要求高，直徑范圍為45～70mm，適合在高速鐓鍛機(jī)上進(jìn)行生產(chǎn)。AMP50XL 高速熱鐓機(jī)是由瑞士哈特貝爾研制的先進(jìn)自動(dòng)化多工位精密熱鍛設(shè)備，如圖1 所示，總成形噸位為8000 kN，集成了剪切下料模塊及4 個(gè)成形工位，生產(chǎn)速度為每分鐘60 ～100 件，生產(chǎn)鍛件的最大直徑為104mm，特別適合于精密鍛件的大批量生產(chǎn)。風(fēng)電軸承鋼球毛坯基于AMP50XL 進(jìn)行工藝開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了大批量生產(chǎn)。

工藝流程

鋼球毛坯的原材料是優(yōu)質(zhì)軸承鋼，一般需進(jìn)行定制，按照原材料質(zhì)量協(xié)議進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后入庫。鍛造時(shí)，圓棒料自動(dòng)送料，經(jīng)中頻感應(yīng)加熱爐進(jìn)行加熱，然后由剪切機(jī)構(gòu)進(jìn)行下料。鍛造工藝如圖2 所示，首先進(jìn)行鐓粗，去除氧化皮，然后進(jìn)行預(yù)鍛，兩端成形為球形；再進(jìn)行終鍛成球形。

模具裝配圖如圖3 所示，熱剪切下料后料段由料段夾持器夾持送往第一工位鐓粗成形、去除氧化皮。鐓粗成形結(jié)束后，由四點(diǎn)接觸式機(jī)械手將鐓粗后的工件送至第二工位進(jìn)行預(yù)鍛成形，第三工位由半球形的凸、凹模進(jìn)行合模終鍛成形。高速鐓鍛機(jī)模具采用組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參與成形的易損件模具尺寸在滿足模具使用壽命需求的前提下盡可能減小，這將大大降低模具的材料成本。生產(chǎn)速度快，工件和模具的接觸時(shí)間極短，生產(chǎn)過程中成形模具直接用水進(jìn)行冷卻，這大大降低了模具的表面工作溫度，從而提高了模具的使用壽命。

鋼球毛坯在鍛后需進(jìn)行快速控制冷卻，然后進(jìn)行球化退火，出廠前再對(duì)球坯進(jìn)行外觀缺陷及內(nèi)部金相組織檢驗(yàn)。

關(guān)鍵技術(shù)

鍛造溫度控制

考慮到鋼球的鍛后組織，鋼球毛坯的始鍛溫度范圍為1050 ～1080℃，終鍛溫度一般為950 ～980℃。在棒料加熱后，由固定式雙測溫槍進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測并將相關(guān)信息傳輸至高速鐓鍛機(jī)控制系統(tǒng)。對(duì)于不在設(shè)定溫度范圍內(nèi)的棒料，由剪切機(jī)構(gòu)下料后丟入廢料槽，避免產(chǎn)生不合格鍛件。

球坯出料改進(jìn)

AMP50XL 的四個(gè)工位為臥式水平布置，在第四工位凹模側(cè)下方設(shè)有出料口。球坯從第三工位凹模型腔頂出后，有時(shí)球坯會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)現(xiàn)象，現(xiàn)有機(jī)械手為四點(diǎn)接觸方式夾持（圖4），球面和機(jī)械手鉗指之間是點(diǎn)接觸，接觸面積較小，在傳送時(shí)可能出現(xiàn)夾持不穩(wěn)，影響工藝穩(wěn)定性。因此，自行設(shè)計(jì)了球坯接料槽，將第三工位成形后的球坯通過接料槽順暢地移至出料口。通過生產(chǎn)驗(yàn)證，球坯出料平穩(wěn)，生產(chǎn)穩(wěn)定性好。

鍛后控制冷卻

高碳鉻軸承鋼在熱鍛成形后的冷卻過程中，隨著碳在奧氏體中的溶解度降低，過飽和碳以碳化物的形式從奧氏體中沿奧氏體的晶界析出，形成碳化物網(wǎng)狀組織，這些網(wǎng)狀碳化物在后續(xù)的球化退火中也不能消除。而網(wǎng)狀碳化物的存在，嚴(yán)重影響軸承鋼性能，將直接影響到軸承鋼球成品的使用壽命，因此，網(wǎng)狀碳化物級(jí)別的控制是鋼球鍛件關(guān)鍵的指標(biāo)之一。一般情況下，鍛件出料后可在傳送帶上進(jìn)行控制冷卻。但是，鋼球毛坯這種實(shí)心鍛件表面冷卻快、心部冷卻慢，容易析出網(wǎng)狀碳化物，造成質(zhì)量缺陷。因此，對(duì)于鋼球鍛后控制冷卻工藝進(jìn)行優(yōu)化改善，采用分段冷卻方式，各個(gè)區(qū)段控制的鋼球毛坯表面溫度變化趨勢如圖5 所示，先進(jìn)行水冷，然后風(fēng)冷，再進(jìn)行噴霧冷卻，最后空冷至室溫。

經(jīng)過多次試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證，經(jīng)過球化退火后的鋼球毛坯網(wǎng)狀組織可達(dá)到2 級(jí)以下，鍛造流線連續(xù)、分布合理，如圖6 所示，滿足質(zhì)量要求。

結(jié)束語

通過以上技術(shù)攻關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電鋼球毛坯在AMP50XL 高速鐓鍛機(jī)上的批量化生產(chǎn)，圖7 為生產(chǎn)的部分鋼球毛坯。現(xiàn)在8 小時(shí)單班平均可生產(chǎn)2 萬～3萬件。通過測試，此工藝生產(chǎn)的鋼球毛坯大大提升了軸承的質(zhì)量，達(dá)到了使用壽命要求。