基于DEFORM的轴承钢球冷镦模具优化

2010-07-26傅蔡安华新锋

轴承 2010年5期

傅蔡安，华新锋，王贤

(江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122)

钢球作为球轴承的关键零件，其质量在很大程度上影响着轴承的动态性能和使用寿命。钢球冷镦模具在冷镦工艺设计中尤为重要，其直接影响球坯的尺寸、形状、材料利用率、生产效率和钢球的使用寿命，而国内、外对钢球冷镦工艺研究主要以生产试验为主，设计周期长。我国一直沿用球形球坯；国外已逐步采用锥鼓形球坯，使用模具的内腔带有锥角，摩擦较小，金属的流动性好，环带和两极缩小。下面设计了虚拟正交试验，并应用DEFORM软件进行了仿真模拟，从理论上对锥鼓形球坯的冷镦模具设计进行了研究。

1 冷镦成形过程模拟

1.1 冷镦成形过程分析

钢球加工的一般工艺过程为：切料→冷镦→光磨→热处理→硬磨→初研→精研→成品检验→包装。锥鼓形钢球冷镦成形时的变形过程如图1所示，其变形特点为：先出两极，后出环带。

图1 球坯变形过程

1.2 应力变化分析

运用DEFORM仿真工具得到球坯成形过程的应力分布如图2所示。在初始阶段(图2a)，应力主要产生在棒料的端角处，因为端角部位与模具内腔先接触；在运行到60步时，由于模具的内腔带有锥角，使棒料首先形成锥角，应力在锥面处最大(图2b)；运行到100步时，棒料中间部分开始形成鼓形，锥面与球窝过渡处应力最大，中间鼓形处次之(图2c)；最终成形时，整个球坯的应力分布比较均匀(图2d)。

图2 球坯成形过程应力分布

1.3 应变速率分析

DEFORM仿真得到冷镦过程应变速率分布如图3所示。由图可知，变形过程中，棒料各部分的应变速率的大小和方向是不同的，尤其是在形成锥面和环带时，变化尤其剧烈。

图3 球坯成形过程速度分布

2 评价指标的建立

考虑到球坯对后续工序以及生产实践的影响，提出评价体系：

(a)饱满度。主要评价材料是否充满模具，质量好的球坯应该有明显的两极。

(b)圆化度。为了在后续光磨中更利于磨削，要求钢球毛坯的三向尺寸相近，提出圆化度的评价指标为：δ=D环带/H，δ≥1且越接近1越好，其中，D环带为球坯的直径；H为球坯的高度。

(c)体积。体积要尽量小，以节省材料，减小环带体积，减少后续光磨时间。

(d)冷镦力。通过改变两极大小、压缩比以及体积的方法来减小冷镦力，从而提高模具使用寿命。

3 虚拟正交试验分析设计

虚拟正交试验是用有限元数值仿真取代实际试验[1],其优点为:容易改变设计变量的范围;设计变量的各种水平的组合易于实现;数值模拟的试验结果重复性高;模拟试验的时间和费用较少;可以获得实际试验难以得到的结果。

冷镦模具的设计主要是球坯形状及尺寸的确定。球坯两极的尺寸应尽可能小,而两极的直径可通过半锥角α进行调整。同时，在设计过程中还应兼顾模具对塑性变形、冷镦力以及材料体积的影响。

表1 正交试验表

4 DEFORM仿真分析[4]

DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统,可对金属的各种成形工艺和热处理工艺进行仿真和计算,并按用户要求返回计算结果。在计算机上模拟整个加工过程,可以实现:(1)生产工具在加工中受力、受热变形过程的模拟仿真和有限元分析计算,有助于模具的修改,部分地替代实际试验;(2)加工材料在加热、变形过程的模拟仿真和有限元计算,有助于进行材料的力学性能分析,缩短新产品的开发周期。

4.1 设计模具

首先利用三维软件CATIA建立上、下模及棒料的三维模型，导出扩展名为*.stl的文件，用DEFORM软件分别导入，如图4所示。

图4 DEFORM导入

4.2 前处理

前处理过程中,材料参数、网格划分、运动设立、特性等为重要的参数，为准确模拟，有些参数在模拟过程中要不断修改，特别是网格的重新划分。定义棒料材料为E52100(相当于国内的GCr15)，模具材料为TiC，网格划分如图5所示[4-6]。上模的运动速度为50 mm/s，最小步长为0.035 mm，设置停止距离为环带厚度。由于需要观察模具的磨损情况，故设置了模具磨损的相关参数，如图6所示。

图5 棒料和上模的网格

图6 模具磨损参数

4.3 模拟运行

直接点击DEFORM中的“Run”,软件就根据前处理的设置进行计算。

4.4 后处理

后处理是计算机在计算程序运行结束后对数据进行分析整理，并且用较直观的方法输出数据的过程。在冷镦模具设计过程中，DEFORM是在设定比较合理的条件下，模拟出合乎冷镦应力应变的真实挤压过程，通过DEFORM仿真分析得出的结果如图7所示。

图7 DEFORM中的后处理

5 球坯参数的确定

观察发现冷镦球坯1，2，3，5，6，11号试验没有明显的两极和环带，说明没有完全填充满，不满足工艺要求。对其他球坯进行圆化度分析，以定量地得到不同试验的圆化度情况，如表2所示。从表2中可以看出，8，9号试验冷镦力比较小，综合前面圆化度的分析，确定9号试验的因素水平组合最为理想(冷镦力为1.62×105N)。

表2 不同试验的圆化度与冷镦力分析

6 结果与比较

锥鼓形球坯仿真结果与锥鼓形实物球坯尺寸和外形基本吻合，如图8所示。

图8 仿真锥鼓形球坯与实物图

6.1 冷镦力的比较

原工艺的冷镦力比较大为2.53×105N，而经过仿真优化之后的冷镦力为1.62×105N，减小了35%，从而减小了模具的受力。图9为原工艺与优化后的锥鼓形球坯的冷镦力的比较。

图9 原工艺与优化后锥鼓形球坯的冷镦力比较

6.2 模具的磨损情况对比

球形球坯由于模具内腔为圆球形，在冷镦过程中，模具内表面与棒料的摩擦较大，在球坯形成环带的瞬间，变形力瞬间陡增，这对模具的边缘有很大的磨损。改进后锥鼓形球坯的模具，内腔带有锥角，非常有利于金属流动，减小摩擦，而且由于优化后的锥鼓形球坯呈微环带或近似无环带，也减小了由于形成环带而陡增的变形力。图10为仿真结果，由图可知，原工艺模具的磨损程度相对优化后的模具，显然要剧烈得多。优化后的模具主要参数如图11所示。