傅蔡安,華新鋒,王 賢
(江南大學(xué) 機(jī)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(dòng)態(tài)性能和使用壽命。鋼球冷鐓模具在冷鐓工藝設(shè)計(jì)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(duì)鋼球冷鐓工藝研究主要以生產(chǎn)試驗(yàn)為主,設(shè)計(jì)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(dòng)性好,環(huán)帶和兩極縮小。下面設(shè)計(jì)了虛擬正交試驗(yàn),并應(yīng)用DEFORM軟件進(jìn)行了仿真模擬,從理論上對(duì)錐鼓形球坯的冷鐓模具設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。
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(yàn)→包裝。錐鼓形鋼球冷鐓成形時(shí)的變形過程如圖1所示,其變形特點(diǎn)為:先出兩極,后出環(huán)帶。
圖1 球坯變形過程
運(yùn)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?yàn)槎私遣课慌c模具內(nèi)腔先接觸;在運(yùn)行到60步時(shí),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(yùn)行到100步時(shí),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(shí),整個(gè)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
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(shí),變化尤其劇烈。
圖3 球坯成形過程速度分布
考慮到球坯對(duì)后續(xù)工序以及生產(chǎn)實(shí)踐的影響,提出評(píng)價(jià)體系:
(a)飽滿度。主要評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(shí)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。
虛擬正交試驗(yàn)是用有限元數(shù)值仿真取代實(shí)際試驗(yàn)[1],其優(yōu)點(diǎn)為:容易改變設(shè)計(jì)變量的范圍;設(shè)計(jì)變量的各種水平的組合易于實(shí)現(xiàn);數(shù)值模擬的試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性高;模擬試驗(yàn)的時(shí)間和費(fèi)用較少;可以獲得實(shí)際試驗(yàn)難以得到的結(jié)果。
冷鐓模具的設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)整。同時(shí),在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)兼顧模具對(duì)塑性變形、冷鐓力以及材料體積的影響。
表1 正交試驗(yàn)表
DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng),可對(duì)金屬的各種成形工藝和熱處理工藝進(jìn)行仿真和計(jì)算,并按用戶要求返回計(jì)算結(jié)果。在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過程,可以實(shí)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(jì)算,有助于模具的修改,部分地替代實(shí)際試驗(yàn);(2)加工材料在加熱、變形過程的模擬仿真和有限元計(jì)算,有助于進(jìn)行材料的力學(xué)性能分析,縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。
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(kuò)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
前處理過程中,材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分、運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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)
直接點(diǎn)擊DEFORM中的“Run”,軟件就根據(jù)前處理的設(shè)置進(jìn)行計(jì)算。
后處理是計(jì)算機(jī)在計(jì)算程序運(yùn)行結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)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(shí)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
觀察發(fā)現(xiàn)冷鐓球坯1,2,3,5,6,11號(hào)試驗(yàn)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(duì)其他球坯進(jìn)行圓化度分析,以定量地得到不同試驗(yàn)的圓化度情況,如表2所示。從表2中可以看出,8,9號(hào)試驗(yàn)冷鐓力比較小,綜合前面圓化度的分析,確定9號(hào)試驗(yàn)的因素水平組合最為理想(冷鐓力為1.62×105N)。
表2 不同試驗(yàn)的圓化度與冷鐓力分析
錐鼓形球坯仿真結(jié)果與錐鼓形實(shí)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(shí)物圖
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
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(duì)模具的邊緣有很大的磨損。改進(jìn)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(dòng),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(duì)優(yōu)化后的模具,顯然要?jiǎng)×业枚?。?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(duì)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
(1)結(jié)合正交試驗(yàn)與DEFORM模擬仿真,對(duì)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(jì)虛擬正交試驗(yàn)是可行的。
(2)DEFORM的仿真結(jié)果與實(shí)物相吻合。
(3)在同樣的試驗(yàn)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(yàn)分析得出球坯的合理工藝參數(shù),并設(shè)計(jì)出模具的主要尺寸,在鋼球的實(shí)際生產(chǎn)中有一定的參考價(jià)值。