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        基于DEFORM的軸承鋼球冷鐓模具優(yōu)化

        2010-07-26 13:58:48傅蔡安華新鋒
        軸承 2010年5期
        關(guān)鍵詞:冷鐓環(huán)帶棒料

        傅蔡安,華新鋒,王 賢

        (江南大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 無錫 214122)

        鋼球作為球軸承的關(guān)鍵零件,其質(zhì)量在很大程度上影響著軸承的動態(tài)性能和使用壽命。鋼球冷鐓模具在冷鐓工藝設(shè)計中尤為重要,其直接影響球坯的尺寸、形狀、材料利用率、生產(chǎn)效率和鋼球的使用壽命,而國內(nèi)、外對鋼球冷鐓工藝研究主要以生產(chǎn)試驗為主,設(shè)計周期長。我國一直沿用球形球坯;國外已逐步采用錐鼓形球坯,使用模具的內(nèi)腔帶有錐角,摩擦較小,金屬的流動性好,環(huán)帶和兩極縮小。下面設(shè)計了虛擬正交試驗,并應(yīng)用DEFORM軟件進行了仿真模擬,從理論上對錐鼓形球坯的冷鐓模具設(shè)計進行了研究。

        1 冷鐓成形過程模擬

        1.1 冷鐓成形過程分析

        鋼球加工的一般工藝過程為:切料→冷鐓→光磨→熱處理→硬磨→初研→精研→成品檢驗→包裝。錐鼓形鋼球冷鐓成形時的變形過程如圖1所示,其變形特點為:先出兩極,后出環(huán)帶。

        圖1 球坯變形過程

        1.2 應(yīng)力變化分析

        運用DEFORM仿真工具得到球坯成形過程的應(yīng)力分布如圖2所示。在初始階段(圖2a),應(yīng)力主要產(chǎn)生在棒料的端角處,因為端角部位與模具內(nèi)腔先接觸;在運行到60步時,由于模具的內(nèi)腔帶有錐角,使棒料首先形成錐角,應(yīng)力在錐面處最大(圖2b);運行到100步時,棒料中間部分開始形成鼓形,錐面與球窩過渡處應(yīng)力最大,中間鼓形處次之(圖2c);最終成形時,整個球坯的應(yīng)力分布比較均勻(圖2d)。

        圖2 球坯成形過程應(yīng)力分布

        1.3 應(yīng)變速率分析

        DEFORM仿真得到冷鐓過程應(yīng)變速率分布如圖3所示。由圖可知,變形過程中,棒料各部分的應(yīng)變速率的大小和方向是不同的,尤其是在形成錐面和環(huán)帶時,變化尤其劇烈。

        圖3 球坯成形過程速度分布

        2 評價指標(biāo)的建立

        考慮到球坯對后續(xù)工序以及生產(chǎn)實踐的影響,提出評價體系:

        (a)飽滿度。主要評價材料是否充滿模具,質(zhì)量好的球坯應(yīng)該有明顯的兩極。

        (b)圓化度。為了在后續(xù)光磨中更利于磨削,要求鋼球毛坯的三向尺寸相近,提出圓化度的評價指標(biāo)為:δ=D環(huán)帶/H,δ≥1且越接近1越好,其中,D環(huán)帶為球坯的直徑;H為球坯的高度。

        (c)體積。體積要盡量小,以節(jié)省材料,減小環(huán)帶體積,減少后續(xù)光磨時間。

        (d)冷鐓力。通過改變兩極大小、壓縮比以及體積的方法來減小冷鐓力,從而提高模具使用壽命。

        3 虛擬正交試驗分析設(shè)計

        虛擬正交試驗是用有限元數(shù)值仿真取代實際試驗[1],其優(yōu)點為:容易改變設(shè)計變量的范圍;設(shè)計變量的各種水平的組合易于實現(xiàn);數(shù)值模擬的試驗結(jié)果重復(fù)性高;模擬試驗的時間和費用較少;可以獲得實際試驗難以得到的結(jié)果。

        冷鐓模具的設(shè)計主要是球坯形狀及尺寸的確定。球坯兩極的尺寸應(yīng)盡可能小,而兩極的直徑可通過半錐角α進行調(diào)整。同時,在設(shè)計過程中還應(yīng)兼顧模具對塑性變形、冷鐓力以及材料體積的影響。

        表1 正交試驗表

        4 DEFORM仿真分析[4]

        DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng),可對金屬的各種成形工藝和熱處理工藝進行仿真和計算,并按用戶要求返回計算結(jié)果。在計算機上模擬整個加工過程,可以實現(xiàn):(1)生產(chǎn)工具在加工中受力、受熱變形過程的模擬仿真和有限元分析計算,有助于模具的修改,部分地替代實際試驗;(2)加工材料在加熱、變形過程的模擬仿真和有限元計算,有助于進行材料的力學(xué)性能分析,縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

        4.1 設(shè)計模具

        首先利用三維軟件CATIA建立上、下模及棒料的三維模型,導(dǎo)出擴展名為*.stl的文件,用DEFORM軟件分別導(dǎo)入,如圖4所示。

        圖4 DEFORM導(dǎo)入

        4.2 前處理

        前處理過程中,材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、運動設(shè)立、特性等為重要的參數(shù),為準(zhǔn)確模擬,有些參數(shù)在模擬過程中要不斷修改,特別是網(wǎng)格的重新劃分。定義棒料材料為E52100(相當(dāng)于國內(nèi)的GCr15),模具材料為TiC,網(wǎng)格劃分如圖5所示[4-6]。上模的運動速度為50 mm/s,最小步長為0.035 mm,設(shè)置停止距離為環(huán)帶厚度 。由于需要觀察模具的磨損情況,故設(shè)置了模具磨損的相關(guān)參數(shù),如圖6所示。

        圖5 棒料和上模的網(wǎng)格

        圖6 模具磨損參數(shù)

        4.3 模擬運行

        直接點擊DEFORM中的“Run”,軟件就根據(jù)前處理的設(shè)置進行計算。

        4.4 后處理

        后處理是計算機在計算程序運行結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行分析整理,并且用較直觀的方法輸出數(shù)據(jù)的過程。在冷鐓模具設(shè)計過程中,DEFORM是在設(shè)定比較合理的條件下,模擬出合乎冷鐓應(yīng)力應(yīng)變的真實擠壓過程,通過DEFORM仿真分析得出的結(jié)果如圖7所示。

        圖7 DEFORM中的后處理

        5 球坯參數(shù)的確定

        觀察發(fā)現(xiàn)冷鐓球坯1,2,3,5,6,11號試驗沒有明顯的兩極和環(huán)帶,說明沒有完全填充滿,不滿足工藝要求。對其他球坯進行圓化度分析,以定量地得到不同試驗的圓化度情況,如表2所示。從表2中可以看出,8,9號試驗冷鐓力比較小,綜合前面圓化度的分析,確定9號試驗的因素水平組合最為理想(冷鐓力為1.62×105N)。

        表2 不同試驗的圓化度與冷鐓力分析

        6 結(jié)果與比較

        錐鼓形球坯仿真結(jié)果與錐鼓形實物球坯尺寸和外形基本吻合,如圖8所示。

        圖8 仿真錐鼓形球坯與實物圖

        6.1 冷鐓力的比較

        原工藝的冷鐓力比較大為2.53×105N,而經(jīng)過仿真優(yōu)化之后的冷鐓力為1.62×105N,減小了35%,從而減小了模具的受力。圖9為原工藝與優(yōu)化后的錐鼓形球坯的冷鐓力的比較。

        圖9 原工藝與優(yōu)化后錐鼓形球坯的冷鐓力比較

        6.2 模具的磨損情況對比

        球形球坯由于模具內(nèi)腔為圓球形,在冷鐓過程中,模具內(nèi)表面與棒料的摩擦較大,在球坯形成環(huán)帶的瞬間,變形力瞬間陡增,這對模具的邊緣有很大的磨損。改進后錐鼓形球坯的模具,內(nèi)腔帶有錐角,非常有利于金屬流動,減小摩擦,而且由于優(yōu)化后的錐鼓形球坯呈微環(huán)帶或近似無環(huán)帶,也減小了由于形成環(huán)帶而陡增的變形力。圖10為仿真結(jié)果,由圖可知,原工藝模具的磨損程度相對優(yōu)化后的模具,顯然要劇烈得多。優(yōu)化后的模具主要參數(shù)如圖11所示。

        圖10 模具內(nèi)腔磨損情況的對比

        注:鋼球公稱直徑8.000 mm;鋼球毛坯直徑8.35 mm。圖11 模具內(nèi)腔的主要尺寸

        7 結(jié)論

        (1)結(jié)合正交試驗與DEFORM模擬仿真,對鋼球球坯的成形影響因素(壓縮比、錐角、環(huán)帶厚度、環(huán)帶寬度)設(shè)計虛擬正交試驗是可行的。

        (2)DEFORM的仿真結(jié)果與實物相吻合。

        (3)在同樣的試驗條件下,優(yōu)化后的錐鼓形球坯的冷鐓模具內(nèi)腔在成形過程中的磨損比原工藝的磨損要小。

        (4)從虛擬正交試驗分析得出球坯的合理工藝參數(shù),并設(shè)計出模具的主要尺寸,在鋼球的實際生產(chǎn)中有一定的參考價值。

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