半球截面轴承套锻件辗轧成形工艺的优化与模拟

戴玉同 钱喜根 陈 洪

(1.张家港海陆环形锻件有限公司，江苏215600；2.江苏大学材料科学与工程学院，江苏212013)

大型半球截面轴承套是滚珠轴承的典型零件，传统的加工工艺为：下料→锻造→辗扩成矩形坯→热处理→车削沟槽。此工艺不仅繁琐，而且浪费原料，还破坏了半球环槽金属纤维的连续性，降低力学性能[1]。本文基于有限元模拟，对原有工艺进行优化，提出圆柱形芯辊预扩孔+半球截面芯辊辗扩成形工艺。

1 轴承套技术要求

图1为大型轴承套锻件尺寸图，截面成半球形。材料为42CrMo，锻造加热保温温度为1 200±20℃，始锻温度为1 100℃，终锻温度为850℃，锻造比≥4。材料化学成分和力学性能分别见表1和表2。

图1 半球截面轴承套锻件尺寸图Figure 1 The dimension drawings of hemisphere cross section bearing sleeve forging

CSiMnPSCr0.38～0.450.17～0.370.60～0.90≤0.015≤0.0150.90～1.20

注:H含量≤2.0×10-6。

表2 轴承套的力学性能

图2 锻件缺陷Figure 2 Defects of forging

2 芯辊的设计

由于锻件截面为半球型沟槽，如果直接采用半球截面的芯辊辗轧，由于接触不稳，辗轧时会导致坯料晃动、爬辊从而产生拉料、偏心、变形等缺陷(图2)，严重影响锻件的质量并可能造成机床损坏和缩短模具寿命。因此本文提出圆柱形芯辊预扩孔+半球截面芯辊辗扩成形的工艺。预扩孔时，芯辊进给速度较小，保证环件的圆整度及端面平整度，防止拉料偏心等缺陷。芯辊尺寸如图3、图4所示。

3 辗扩过程的模拟与实际应用

3.1 几何建模

采用有限元软件DEFORM-3D对辗轧过程进行模拟，建立如图5所示的模型。模具和毛皮通过Pro/E建立实物模型，使用STL格式导入DEFORM-3D。由于轴向变形很小，为了减少计算量，本文只做了径向的辗扩模拟，并假设各轧辊为刚体，不发生变形。材料选用42CrMo，轧制温度范围为850～1 100℃，主辊转速为3 r/s，圆柱形芯辊进给速度为0.3 mm/s。半球截面芯辊进给速度与时间成梯形状，如图6所示。由于在辗扩的初期阶段，与环件接触的仅只有芯辊的沟球面，接触面积较小，因此需要较大的进给速度以促使环件咬入。随着辗扩的进行，环件直径的增长速度将会变大，需要递减进给速度来减缓环件的直径增长速度，以免对环件产生冲击[2]。

3.2 模拟结果分析

DEFORM-3D软件的后处理功能直观的反映了轧制过程中金属的流动取向、锻件的成型效果、模具载荷、锻件内部的应力应变情况等。根据模拟结果显示的模具载荷曲线如图7所示。从图7可以看出，在轧制过程中模具所受载荷始终没有较大的波动，从而保证了芯辊的寿命。由图8所示的金属流动矢量可知，采用优化后的坯料和芯辊，在轧制过程中金属流动均匀，有利于轧制的平稳进行。

图3 圆柱形芯辊 Figure 3 Cylindrical core roller

图4 半球截面芯辊尺寸图Figure 4 The dimension diagram of hemisphere cross section core roller

利用DEFORM-3D软件的后处理功能中的点追踪功能，在锻件内部球截面过渡处取三点：P1、P2、P3。图9分别给出了三点处的变形程度、等效应变、等效应力和金属流向曲线。由图9可知，锻件在辗轧过程中变形均匀、应力分布均匀、金属流向均匀。

因此，根据模拟结果可以得出：圆柱形芯辊预扩孔+半球截面芯辊辗扩成形工艺在理论上是行之有效的。

3.3 生产实践

应用上述芯辊和碾轧工艺进行了生产验证。生产实践证实，上述工艺成功是合理的，已成功生产出了高质量的锻件。

图5 模拟模型图 图6 半球截面芯辊进给速度

图7 载荷曲线 图8 金属流动矢量图

(a) 变形程度曲线 (b)等效应变曲线(C) 等效应力曲线 (d)金属流向曲线图9 点追踪曲线Figure 9 Point tracking curve

4 结语

(1)半球截面轴承套锻件通过圆柱形芯辊预扩孔+半球截面芯辊辗扩成形工艺一次成形，不仅成形尺寸精度高，锻件缺陷少，而且提高了锻件的力学性能，节省了原料。

(2)预扩孔时，应控制圆柱形芯辊的进给速度，确保轧制的平稳性，从而保证锻件的圆整度，减少拉料等缺陷。半球截面芯辊辗扩成形时，进给速度与时间成台阶状，有利于咬合，轧制平稳，成形尺寸精度高。

(3)采用DEFORM-3D软件对辗轧过程进行数值模拟，比较准确的反映出了辗轧过程中载荷、变形、应力、金属流动取向等问题，给实际生产提供理论指导。

[1] 田民，时大方，李新东.两种精密冷辗机床及工艺分析[J].轴承，2000(5):24-26.

[2] HUA Lin，MEI Xuesong，WU Xutong. Vibration and control in rolling process[J].Transactions Nonferrous Metals Society of China，1999，9(2):213-217.