宋衛(wèi)華,陳今良,趙春江
(1.中國鋁業(yè)貴州分公司,貴陽 550014;2.攀枝花學(xué)院 材料工程學(xué)院,四川 攀枝花 617000;3.太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院,太原 030024)
滾珠旋壓采用滾珠對管材進行連續(xù)局部塑性成形[1],是一種高效、精密的筒形件強力旋壓成形方法,分為內(nèi)旋和外旋,滾珠沿旋件軸向進給,或者沿旋件軸向與徑向2個方向進給[2-3]。對于滾珠旋壓力的計算,文獻[4]推導(dǎo)了變形區(qū)空間幾何的投影面積;文獻[5]對空間接觸面積進行了求解,并應(yīng)用了精確的變形抗力計算模型;文獻[6]對銅管內(nèi)壁滾珠旋壓的缺陷進行了數(shù)值分析;文獻[7]對帶肋薄壁管的滾珠旋壓過程進行了詳細分析和數(shù)值模擬;基于理論研究,新型滾珠旋壓設(shè)備已經(jīng)投入使用[8]。
軸承套圈毛坯多通過鍛造和輾環(huán)工藝進行加工,以消除金屬內(nèi)在缺陷,改善金屬組織,使金屬流線分布合理,金屬致密度好,從而提高軸承的使用壽命[9],但都屬于單件成形,生產(chǎn)效率低?;跐L珠旋壓工藝原理,可一次性在管材內(nèi)壁旋壓多排弧形溝槽,經(jīng)鋸切后形成單個帶內(nèi)溝槽的深溝球軸承外圈毛坯。下文通過采用ANSY/LS-DYNA軟件對不同滾珠直徑和進給量的滾壓過程進行剛塑性有限元計算,詳細分析旋壓力的變化規(guī)律,對滾珠旋壓成形套圈毛坯工藝和模具設(shè)計提供參考。
管材內(nèi)壁溝槽滾珠旋壓工藝加工深溝球軸承外圈毛坯工藝如圖1所示。其中,旋壓模具總體由滾珠、套筒、進給塊和絲杠組成。進給塊在套筒內(nèi)被周向約束,并與絲杠旋合;旋壓模具和絲杠同時旋轉(zhuǎn),進給塊推動滾珠沿套筒的斜孔升降,同時在套筒的帶動下旋轉(zhuǎn),在旋件內(nèi)壁旋壓出溝道。
1—軸承座;2—旋件(熱軋鋼管);3—滾珠;4—套筒;5—進給塊;6—絲杠圖1 管材內(nèi)壁溝槽滾珠旋壓工藝示意圖
建立管材的1/4周長有限元對稱模型如圖2所示。圖中,序號1為實施當(dāng)前旋壓的滾珠;序號2為實施上一圈旋壓的滾珠;序號3為1/4管材。采用ANSY/LS-DYNA對模型進行剛塑性有限元模擬,設(shè)滾珠為剛體,管材為雙線性各向同性模型,管材為熱軋軸承鋼鋼管,材料密度為7.80×103kg/m3,彈性模量為197 GPa,泊松比為0.27,屈服強度為520 MPa。
圖2 有限元物理模型
滾珠旋壓過程主要是塑性變形,也存在彈性變形,因此采用剛塑性有限元法進行分析。實體單元均采用8節(jié)點SOLID164單元;鋼管軸向截面兩側(cè)節(jié)點施加垂直截面約束,滾珠轉(zhuǎn)速為1 rad/s;為避免沙漏和負體積,不采用質(zhì)量縮放,采用單點積分算法。
以6406N和6308N型深溝球軸承為例,綜合考慮軸承的鋼球直徑(分別為12.5,15 mm)、毛坯的加工余量、與溝道密合度以及需要去除的旋壓后的多余變形等因素,選取外徑為100 mm、壁厚為20 mm的鋼管,滾珠直徑Dw分別選取12,15和18 mm,對應(yīng)進給量分別取Δh為0.5,1和1.5 mm。應(yīng)用ANSY/LS-DYNA進行剛塑性有限元計算,分別觀察不同滾珠直徑、進給量下的應(yīng)變和應(yīng)力分布,并輸出切向、徑向和總旋壓力值。旋壓力之間的關(guān)系為
式中:Fv和Ft分別為徑向和切向旋壓力。
當(dāng)滾珠直徑為12 mm、進給量為0.5,1 mm時的計算過程與計算結(jié)果如圖3所示。不同滾珠直徑和進給量下的切向、徑向和總旋壓力計算結(jié)果如圖4所示。
由圖可知,滾珠旋壓深溝球軸承外圈的有限元模擬過程中,最大等效應(yīng)力、最大塑性應(yīng)變均位于溝槽底部,應(yīng)力在整個溝槽成形過程中分布不均勻,溝槽中金屬由于受滾珠擠壓往兩側(cè)流動,形成凸起狀態(tài)。
滾珠在鋼管內(nèi)壁旋壓過程中,承受來自管壁的法向壓力Fv和近似沿溝槽底部所在圓的切向方向阻礙滾珠前進的阻力Ft,由于滾珠的徑向進給量較小,滾珠與溝槽的法向接觸面積大于切向接觸面積,所以切向旋壓力遠小于徑向旋壓力。旋壓力分量隨著旋深的增加而增大,且增長趨勢逐漸減??;同一旋壓深度和旋壓進給量下,旋壓力的增長量隨著滾珠直徑的增加基本保持不變;同一旋壓進給量下,隨著旋深的增加,旋壓力的增長量增大。
通過有限元模擬分析了不同徑向進給量、不同滾珠直徑下滾珠旋壓鋼管旋壓力變化的一般規(guī)律。模擬選取的鋼管尺寸相對于所選取軸承型號的外圈其加工余量偏大,即實際生產(chǎn)中應(yīng)采用壁厚更薄的鋼管。但在一定的鋼管壁厚范圍內(nèi),由于徑向進給量很小,旋壓力受壁厚的影響所造成的誤差較小,因此文中的計算結(jié)果具有一定參考價值,后續(xù)仍需對更加接近實際工況的旋壓過程進一步研究分析。