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(jī)械工程學(xué)院,太原 030024)
滾珠旋壓采用滾珠對管材進(jìn)行連續(xù)局部塑性成形[1],是一種高效、精密的筒形件強(qiáng)力旋壓成形方法,分為內(nèi)旋和外旋,滾珠沿旋件軸向進(jìn)給,或者沿旋件軸向與徑向2個(gè)方向進(jìn)給[2-3]。對于滾珠旋壓力的計(jì)算,文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了變形區(qū)空間幾何的投影面積;文獻(xiàn)[5]對空間接觸面積進(jìn)行了求解,并應(yīng)用了精確的變形抗力計(jì)算模型;文獻(xiàn)[6]對銅管內(nèi)壁滾珠旋壓的缺陷進(jìn)行了數(shù)值分析;文獻(xiàn)[7]對帶肋薄壁管的滾珠旋壓過程進(jìn)行了詳細(xì)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(jìn)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(gè)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(jìn)給量的滾壓過程進(jìn)行剛塑性有限元計(jì)算,詳細(xì)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(jì)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(jìn)給塊和絲杠組成。進(jìn)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(shí)旋轉(zhuǎn),進(jìn)給塊推動(dòng)滾珠沿套筒的斜孔升降,同時(shí)在套筒的帶動(dòng)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(jìn)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(shí)施當(dāng)前旋壓的滾珠;序號2為實(shí)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(jìn)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(qiáng)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(jìn)行分析。實(shí)體單元均采用8節(jié)點(diǎn)SOLID164單元;鋼管軸向截面兩側(cè)節(jié)點(diǎn)施加垂直截面約束,滾珠轉(zhuǎn)速為1 rad/s;為避免沙漏和負(fù)體積,不采用質(zhì)量縮放,采用單點(diǎn)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(jìn)給量分別取Δh為0.5,1和1.5 mm。應(yīng)用ANSY/LS-DYNA進(jìn)行剛塑性有限元計(jì)算,分別觀察不同滾珠直徑、進(jìn)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(jìn)給量為0.5,1 mm時(shí)的計(jì)算過程與計(jì)算結(jié)果如圖3所示。不同滾珠直徑和進(jìn)給量下的切向、徑向和總旋壓力計(jì)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(gè)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(dòng),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(jìn)的阻力Ft,由于滾珠的徑向進(jìn)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(yuǎn)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?。煌恍龎荷疃群托龎哼M(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(jì)算結(jié)果具有一定參考價(jià)值,后續(xù)仍需對更加接近實(shí)際工況的旋壓過程進(jìn)一步研究分析。