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。