1.1研究背景

圆锥滚子轴承是指滚动体为圆锥滚子的径向推力式滚动轴承。圆锥滚子轴承主要承受以径向为主的径、轴向联合载荷。圆锥滚子轴承有圆锥形内圈和外圈滚道，圆锥滚子排列在两者之间，所有圆锥表面的投影线都在轴承轴线的同一点相聚，这种设计使圆锥滚子轴承特别适合承受复合负荷。汽车圆锥滚子轴承可运用在汽车的车轮、变速器、差速器等位置。为了使圆锥滚子轴承正常工作，其零件质量十分重要。

汽车圆锥滚子轴承由外圈、内圈、圆锥滚子组成（汽车圆锥滚子轴承结构图如下图所示），其内圈形状复杂，外表面为圆锥面且上下端各带一个小台阶。环件轧制是该类轴承目前主流制造技术，但该方式难以精密成形上下台阶，通常对锻件形状进行简化，如先轧制成形带单台阶的锥形环件，然后进行大的切削加工得到另一个台阶，这种方法破坏了金属流线分布的完整性，会削弱轴承力学性能，同时大的切削加工降低了材料利用率和加工效率。

圆锥滚子轴承结构图

环件轧制又称环件辗扩或扩孔，是借助环件轧制设备使环件产生壁厚减小、直径扩大、截面轮廓成形的塑性加工工艺。环件轧制是连续局部塑性加工成形工艺，与整体模锻成形工艺相比，它具有大幅度降低设备吨位和投资、振动冲击小、节能节材、生产成本低等显著技术经济优点，然而这种方式难以生成异形环件^[1-2]。环件复合轧制是一种异形环件精密成形技术。复合轧制工艺是将三辊横轧与环件轧制相结合的一种塑性成形新工艺，其轧制过程按其特点主要分为环轧阶段横轧阶段。环轧阶段主要是环件在主动辊和芯辊的作用下发生扩孔，当环件与副轧辊接触后停止。横轧阶段主要是主动辊和副轧辊一起限制孔径增大，使得金属充满轧辊孔型，实现圆锥滚子轴承内圈复杂形状的成形。由于复合轧制是两者相结合的新工艺，因此兼具两者的优点，具有材料利用率高、生产效率高、耗能少、生产成本低、金属流线完整等优点。

1.2研究现状

环件轧制技术是伴随着铁路运输业的发展而产生的^[3]。自19世纪中叶以来，铁路系统的迅速发展使得火车的行驶速度和载重量大幅提高。火车的铸铁车轮无法满足高速重载的使用要求，于是人们在火车上装备钢质轮箍。生产轮箍的正是环件轧制技术，这项技术随后推广至其他环形零件的生产。经过100多年的发展，环件轧制技术逐步完善^[4]。而三辊横轧工艺也是一种基于普通轧环工艺的新型特种轧制技术。华林等人针对于回转体饼类零件，提出了三辊横轧成形方法，并对三辊横轧的成形原理及生产对象等进行了说明^[5]。周秀梅等人以对称双联齿坯为研究对象，对三辊横轧工艺进行了静力学和运动分析并分析了起成形规律^[6]。马琦等人通过有限元软件ABAQUS对厚壁深槽小孔环件三辊横轧过程的基本变形规律进行分析^[7]。钱东升等人研究了小孔深槽环件三辊横轧径向宽展行为，并总结了这种行为的演变规律和发布规律^[8]。邓加东等人针对矩形截面毛坯三辊横轧成形复杂深槽小孔环件出现的一端台阶充不满、一端台阶金属堆积的现象，提出了一种台阶型毛坯理论设计方法，建立了体积修正系数的 BP 神经网络预测模型，并通过实验验证了该设计方法和模型的可靠性^[9]。

复合轧制技术是将普通环轧与三辊横轧而结合起来的的一种塑性成形新工艺。复合轧制是一种新工艺，但已经获得了一些成果。钱东升等人用模拟和实验验证了复合轧环工艺的可行性，说明了复合轧环工艺的成形原理和技术特点^[10]。张志强结合理论总结出了复合轧环工艺过程中的几何学运动学变化规律和静力学条件，并提出了完善系统的复合轧制工艺设计方法，阐明了复合轧制过程中的宏观塑性变形行为和规律^[11]。曹强等人提出了用于成形大型厚壁深槽环件的卧式复合轧制新方式并验证了其可行性，总结了主要成形参数的设计^[12]。邓加东利用有限元模拟的方法对台阶型环坯三辊横轧及复合轧制过程进行了分析，揭示了轧制过程中几何、热、力演变规律，进而研究了成形工艺参数对深槽环件成形质量的影响规律^[13]。乐金山以HHRM1600重载立式复合轧设备为对象，利用虚拟设计技术建立能对其进行结构创新、设计质量评价以及优化的功能、结构模型，从而优化复合轧制设备设计^[14]。上述研究成果主要围绕复合轧制工艺的宏观变形规律的研究，而对于复合轧制微观层面等规律及宏观与微观间的相互作业方面的研究较少。近年来，许多学者在复合轧制工艺的微观层面也有不少成果。彭亚亚通过对热变形、组织和性能演变规律的总结，揭示了复合轧环工艺中变形-温度-晶粒细化之间的协同演变规律,建立了不同工艺条件下球阀芯平均晶粒尺寸最值的预测模型，并揭示了热变形-水冷组织-性能间的关联关系，并从复合轧环工艺角度提出了球阀芯组织性能优化措施，充分肯定了复合轧环工艺的可行性和优越性^[15]。王丰等人以复合轧制为工艺对象，利用有限元模拟与实验验证相结合的方法，研究球阀零件成形过程中的再结晶演变规律及主要工艺参数对其影响规律^[16]。目前对复合轧制工艺的研究还在不断深入当中。

1.3研究目的及意义