洛陽軸承研究所有限公司 韓紅雨 宗曉明 張作超 孟鴻超

一、前言

ZL50 裝載機(jī)作為國內(nèi)的主力裝載機(jī)型，為了滿足機(jī)械增壓發(fā)動(dòng)機(jī)裝車投產(chǎn)的需求，如何在短時(shí)間內(nèi)解決機(jī)械增壓器用超越離合器相關(guān)技術(shù)性問題，已成為其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的難點(diǎn)。斜撐塊超越離合器適合于傳遞較大范圍的轉(zhuǎn)矩和在高轉(zhuǎn)速差場合下工作，亦用于防逆止機(jī)構(gòu)中可靠自鎖。斜撐塊式超越離合器采用斜撐塊代替滾柱作為楔緊件，是用斜撐塊和內(nèi)、外滾道組成摩擦副的一種離合器結(jié)構(gòu)。楔塊配置在保持器中，依靠斜撐塊與內(nèi)外環(huán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)、空轉(zhuǎn)、逆止的功能。斜撐塊作為超越離合器的關(guān)鍵部件，由于斜撐塊截面的不規(guī)則性，傳統(tǒng)的加工方法已不能滿足生產(chǎn)的需要，亟需開發(fā)一種優(yōu)質(zhì)高效的加工方法。

拉拔技術(shù)是在外加拉力作用下，使金屬通過摸孔產(chǎn)生塑性變形，獲得與摸孔形狀、尺寸相同的制品的加工方法。拉拔制品的尺寸精度高，表面粗糙度低工具與設(shè)備簡單，維護(hù)方便，一機(jī)多用。根據(jù)斜撐塊的結(jié)構(gòu)特性，本文采用冷拉拔工藝加工斜撐塊，其工藝路線為：下料→退火→磷化→皂化→拔制→校直→切斷→淬、回火→表面處理→檢測→成品。

二、實(shí)驗(yàn)方案

如下圖1 所示為斜撐塊的結(jié)構(gòu)圖，斜撐塊單工作圓弧面為R6mm，雙圓弧工作面為R8mm、R9.5mm，高度12.19mm。其中圓弧工作面與內(nèi)外滾道直接接觸，尺寸精度與表面質(zhì)量要求高。

圖1 斜撐塊結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)設(shè)計(jì)需求選取斜撐塊材料為GCr15Z，屬于高碳鉻軸承鋼，在冷拉拔前的退火工序選取合理的工藝參數(shù)，使得拉拔材料可塑性強(qiáng)，且對(duì)拉拔模具的損傷降到最小。

本文研究拉拔模具模角對(duì)拉拔過程的影響，在模角的要求范圍適當(dāng)選取拉拔模角。模角α的選擇定為5°、5.5°、6°、6.5°進(jìn)行拉拔模擬仿真分析，從而得到最優(yōu)的拉拔模角。

三、有限元分析模型建立及分析

1、三維模型的建立

運(yùn)用三維軟件Solidworks 構(gòu)建異型滾子拉拔過程的三維模型的模擬圖如圖2 所示。

圖2 異型滾子拉拔過程三維圖

圖3 異型滾子有限元分析圖

2、有限元模型的建立

將建立好的三維模型轉(zhuǎn)換為STL 格式，導(dǎo)入分析軟件Deform3D 中對(duì)拉拔模型進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置，節(jié)點(diǎn)數(shù)為10100 個(gè)，單元總數(shù)為18939 個(gè)，以及分析參數(shù)設(shè)置，之后進(jìn)行有限元分析求解。

3、拉拔有限元分析

滾子的拉拔過程中，變形主要集中在坯料的表面接觸處，應(yīng)力變化從外到內(nèi)依次減弱，進(jìn)行點(diǎn)的追蹤提取數(shù)據(jù)時(shí)，一定要選取中間段節(jié)點(diǎn)。另外拉拔中滾子的中間腰部處的變形是最大的。模角α的選擇定為5°、5.5°、6°、6.5°分別進(jìn)行有限元的分析模擬。

有限元數(shù)值模擬的結(jié)果主要對(duì)應(yīng)力、應(yīng)變場進(jìn)行研究分析。應(yīng)力場的分析主要考慮的是應(yīng)力構(gòu)造的變化,可以以此作為選用設(shè)備,設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)和校核模具強(qiáng)度的依據(jù)。應(yīng)變場分析可以了解到應(yīng)變分布的狀態(tài),為選取坯料和設(shè)計(jì)模具型腔,控制應(yīng)力集中,避免變形過程出現(xiàn)破裂、折疊和充不滿型腔等現(xiàn)象提供依據(jù)。

圖4 不同模角等效應(yīng)力分布圖

圖5 不同模角等效應(yīng)變分布圖

通過分析軟件的數(shù)值模擬后，分別研究了不同模角對(duì)坯料的應(yīng)力應(yīng)變的影響。當(dāng)α取5°、5.5°、6.5°時(shí)分別在最后一道拉拔工序時(shí)第69 步，107 步，228 步時(shí)出現(xiàn)程序停止，查看此時(shí)拉拔工件的應(yīng)力情況，其最大的應(yīng)力達(dá)到135MPa、134MPa和133MPa，使得坯料受到較大的軸向拉力，并且此時(shí)的應(yīng)變也較大354、325 和237，而在實(shí)際的生產(chǎn)中，此時(shí)拉拔的坯料開始斷裂。當(dāng)α取6°時(shí) 應(yīng)變的幅度最小，材料的變形勻速，流線型穩(wěn)定形成。在實(shí)際的生產(chǎn)中，使用此模角拉拔處的產(chǎn)品外形尺寸以及表面質(zhì)量最好。

總上可以得出，當(dāng)模角為6°時(shí)產(chǎn)品的成型性能最佳，且最大拉力值為10200N，如圖6 所示。

圖6 拉力變化圖

四、總結(jié)

通過上述方法分析了拉拔模角對(duì)斜撐塊拉拔成型的影響，確定了最佳的拉拔模角為6°，并且與加工過程中實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，使得產(chǎn)品的外形尺寸以及表面質(zhì)量達(dá)到了最好。

采用上述分析的最佳拉拔參數(shù)進(jìn)行加工生產(chǎn)，最終產(chǎn)品如圖7 所示，符合零件加工的要求。

圖7 斜撐塊最終成品圖