趙亮宇，郭俊卿,2，李 冰，郭俊磊,汪慶瑞

(1.河南科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003)

等溫塑性成形是生產(chǎn)軸承實(shí)體保持架的一種新工藝，具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，而且可提高軸承的承載能力，延長(zhǎng)使用壽命，降低加工成本[1-2]。金屬件在等溫成形中一般不會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的損傷，但在成形工藝參數(shù)或模具結(jié)構(gòu)不合理時(shí)，制件也容易出現(xiàn)損傷甚至產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致制件報(bào)廢。計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的發(fā)展使得對(duì)金屬成形中損傷的數(shù)值模擬成為可能[3-5]。以有限元軟件DEFORM-3D作為工具，對(duì)鉛黃銅保持架等溫?cái)D壓成形中的損傷進(jìn)行了模擬，分析了損傷的分布及損傷源的位置。通過(guò)優(yōu)化成形工藝參數(shù)與模具結(jié)構(gòu)，降低了損傷程度。

1 等溫?cái)D壓成形工藝

軸承實(shí)體保持架加工一般采用機(jī)械加工工藝，為進(jìn)行塑性加工，根據(jù)等溫成形工藝特點(diǎn)對(duì)保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)去掉了專用鉚釘，采用自帶鉚釘結(jié)構(gòu)，不僅可有效提高鉚接強(qiáng)度，同時(shí)也便于擠壓成形。

圖1 自帶鉚釘加強(qiáng)型保持架

該實(shí)體保持架采用鉛黃銅環(huán)形毛坯，其外徑為164 mm，內(nèi)徑136 mm，高度17 mm。試驗(yàn)設(shè)備采用YB32-100A四柱式萬(wàn)能液壓機(jī)。采用電阻爐加熱并用控溫儀控溫，將毛坯及模具加熱到預(yù)定溫度并保溫后進(jìn)行等溫?cái)D壓。為減少模具型槽表面磨損和金屬流動(dòng)阻力以及使擠壓件易于從型槽內(nèi)脫出，擠壓過(guò)程中采用水基石墨作為潤(rùn)滑劑。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型

在利用有限元DEFORM軟件進(jìn)行損傷模擬前，首先通過(guò)UG建立擠壓凸模、凹模及毛坯的三維模型(圖2)，并以STL格式文件導(dǎo)入DEFORM-3D中進(jìn)行裝配。由于保持架毛坯和成形制件具有對(duì)稱性，為提高數(shù)值模擬效率，取毛坯的1/26進(jìn)行模擬[6]。

圖2 等溫?cái)D壓模具模型

2.2 損傷臨界值

3 結(jié)果與分析

3.1 損傷分布區(qū)域

圖3所示為成形溫度660 ℃，成形時(shí)間120 s，擠壓行程分別為4和12 mm時(shí)的損傷分布圖。從圖中可知：在擠壓的初始階段，梁根部特別是梁與底蓋結(jié)合處損傷較大；隨著金屬的流動(dòng)，損傷延伸至梁中上部，且梁棱邊處損傷很大，實(shí)際擠壓過(guò)程中可以通過(guò)觀察此處是否出現(xiàn)裂紋來(lái)判斷成形質(zhì)量。

圖3 擠壓行程為4和12 mm時(shí)的損傷分布

3.2 成形溫度和時(shí)間對(duì)損傷的影響

成形時(shí)間分別為15，30，60和120 s時(shí)制件的損傷體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。從圖中可知：保持架最終成形時(shí)的損傷體積分?jǐn)?shù)隨溫度的上升和總成形時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，且溫度在600 ℃以上，總成形時(shí)間大于30 s時(shí)損傷很小，保持架成形質(zhì)量較好。制件有無(wú)裂紋基本上是以損傷體積分?jǐn)?shù)為4%的等高線為分界，可將該值作為判別是否會(huì)出現(xiàn)裂紋的依據(jù)。

圖4 損傷與溫度、時(shí)間的關(guān)系曲線

表1為試驗(yàn)及生產(chǎn)中在不同溫度和成形時(shí)間下保持架出現(xiàn)裂紋情況，可知溫度低于600 ℃或成形時(shí)間小于30 s時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，這與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合。

表1 試驗(yàn)中裂紋出現(xiàn)的條件

3.3 模具結(jié)構(gòu)的影響與優(yōu)化

3.3.1 梁根部倒角對(duì)損傷的影響

梁根部是損傷增長(zhǎng)較快的部位，原因是此處金屬流動(dòng)速度和方向均發(fā)生劇烈的變化，可通過(guò)在凹模的相應(yīng)部位增加圓弧倒角的方法來(lái)減緩速度變化梯度。梁根部增加倒角前、后制件的等效應(yīng)變速率如圖5所示，平均等效應(yīng)變速率由0.005 30 s-1減小至0.003 69 s-1，有利于提高制件的成形性能。擠壓完成后可以用機(jī)械加工方式將多余部位去掉，這樣雖然工時(shí)有所增加，材料利用率有所下降，但可以大大提高成品率,且在梁根部增加圓角后金屬流動(dòng)性得以改善，從而可提高制件的擠壓速度。

圖5 梁根部倒角前、后的等效應(yīng)變速率

倒角半徑對(duì)改善成形性能和降低成形載荷有較大影響。圖6為凹模倒角半徑分別為1，3和5 mm時(shí)的平均等效應(yīng)變速率與最大載荷曲線，由圖可知：平均等效應(yīng)變速率隨倒角半徑的增大而減小，由于等效應(yīng)變速率減小，使得總體受力得到改善，進(jìn)而使最大成形載荷減小。

圖6 倒角半徑對(duì)等效應(yīng)變速率與載荷的影響

3.3.2 梁棱邊倒角對(duì)損傷的影響

由于梁棱邊尖角處表面積較大，摩擦力的作用使得該處損傷較為嚴(yán)重[8]。要采取措施減小此處的應(yīng)力集中，方法之一是在梁棱邊尖角處增加過(guò)渡圓角。圖7為梁棱邊處未增加倒角和增加半徑為0.5 mm倒角時(shí)的損傷分布圖，從中可知：增加倒角可以較大幅度地減小棱邊的損傷，從而降低此處裂紋產(chǎn)生的可能。

圖7 梁棱邊處有、無(wú)倒角時(shí)的損傷

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)軸承實(shí)體保持架超速擠壓中的損傷分布規(guī)律進(jìn)行分析，表明損傷最嚴(yán)重的區(qū)域位于保持架梁根部和梁棱邊尖角處，同時(shí)也是損傷增長(zhǎng)最快的部位，是最重要的損傷源。

(2)分析了等溫?cái)D壓時(shí)間、成形溫度對(duì)損傷的影響，當(dāng)溫度在600 ℃以上，總擠壓時(shí)間大于30 s時(shí)損傷較小。

(3)模具結(jié)構(gòu)對(duì)損傷產(chǎn)生有一定影響，在梁根部及棱邊處增加倒角可以減小損傷，從而減小此處產(chǎn)生裂紋的可能。