轴承端盖温挤压成形工艺模具磨损研究

张 京，吴淑芳

（长春理工大学，吉林长春 130022）

轴承端盖是各类机体中不可缺少的重要机械零件之一，主要起到密封保护和固定轴承的作用。近年来，端盖的制造方法根据技术要求的不同采用切削加工、压铸、挤压等方式。由于端盖形状较为简单，为了提高生产效率和适合大批量生产要求，采用挤压成形技术明显优于另外两种方式[1]。

许多学者采用数值模拟技术研究金属成形工艺[2－4]。郭立刚[5]等利用procast软件对铝合金轴承端盖低压铸造的过程进行模拟分析，并对铸件进行缺陷预测。蒋晓英[6]等通过数值模拟研究了坯料结构对挤压凸模承受载荷的影响，确定了工艺方案的可行性。卢立伟[7]等针对轴承端盖零件的结构特点，分析了其挤压成形工艺，并利用数值模拟得到挤压温度、挤压速度、摩擦系数对轴承端盖成形的影响规律，对比分析了不同加工条件下的应力、应变，以及挤压力分布情况，最终确定出较优的挤压工艺参数。姜炳春[1]等设计出轴承端盖的挤压生产模具，并利用数值模拟软件分析了轴承端盖成形时的损伤分布，从而获得到尺寸精度高、质量好的轴承端盖，解决了材料利用率低、产品质量低等问题。

1 成形工艺方案分析

由于轴端紧固方式、轴伸直径、密封圈种类等不同，国内轴承端盖不属于标准件。轴承端盖固定在轴承座或轴承室上，种类繁多，如果固定在轴上会使密封直径加大，密封困难。如图1所示为某型号轴承端盖二维图[1，7]，通过对其进行工艺分析，为其他类型端盖提供参考。零件材料选用20号钢，挤压工艺采用温挤压成形，坯料经计算确定圆柱棒料，正挤压一次成形。

图1 轴承端盖二维图

2 模拟参数设定

为了降低模拟时间和提高模拟精确程度，将模拟过程中采用整体坯料的1/8进行模拟。利用SolidWorks三维画图软件对坯料、凸模和凹模进行实体建模并进行装配，把装配体格式保存为STL格式，通过DEFORM—3D有限元软件对温挤压成形过程进行模拟。

为了对比不同工艺参数对挤压过程的影响规律，获得较优的参数组合，具体参数作如下设置：坯料选用20号钢 (AISI-1020)，设置为塑性，温度设置为 600、650、700、750℃，划分网格数共 40000个；凸、凹模采用 Cr12MoV（AISI-D2），设置为刚性，模具初始温度为 150、200、250、300℃，模具硬度设置为 54、56、58、60HRC，凸模网格数共 27000个，凹模网格数共34000个。挤压成形速度设置为10mm/s，润滑系数设置为0.2。

模具磨损在锻压技术中是不可避免的，如何减小磨损，提高模具寿命成为能否符合生产技术要求的关键性问题。Archard模型是挤压成形中最常用的磨损计算方法[8，9]，其修正表达式如下∶

式中，ω为磨损深度；K为与材料特性相关的常数，K=2×10-6；P为模具表面正压力；v为滑动速度；a、b、c为标准常数，对钢而言，a、b 取 1，c取2；H为模具初始硬度（HRC）。

3 数值模拟结果及分析

3.1 坯料始锻温度对模具磨损的影响

在温挤压成形过程中，坯料始锻温度的高低对锻件挤压成形的难易程度具有关键性影响。当温度过低时，所需挤压变形力较大，材料变形困难。同时模具磨损量增大，减少模具寿命。随着温度的升高，材料的屈服强度降低，变形抗力减小，所需挤压力较小，从而提高锻件的可成形性。但当温度过高时，易于发生表面氧化和锻件过烧现象，使锻件表面质量下降、体积形变，难以获得理想的锻件[10]。为了研究坯料始锻温度对凸、凹模磨损量的影响规律，本次模拟试验时选择模具硬度为60HRC，模具初始温度为200℃，坯料始锻温度为600、650、700、750℃。为了更直观的看出在不同坯料始锻温度下凸、凹模磨损量的变化关系，利用Excel将模拟数据绘制成折线图，如图2所示。从图2a可以看出，随着坯料始锻温度的增加，凸模磨损量直线下降。当坯料始锻温度为750℃时，凸模的磨损量最小，为3.46×10-6mm，相比于600℃时减小14.1%。从图2b中可以看出，随着坯料始锻温度的增加，凹模磨损量逐渐减小。当坯料始锻温度为750℃时，凹模的磨损量最小，为3.26×10-6mm，相对于600℃时减小15.1%。

3.2 模具硬度对模具磨损的影响

在温挤压成形过程中，模具的软硬程度是影响加工过程模具磨损量大小的最重要因素。一般而言，模具硬度越高，磨损量越小。但模具硬度越高所需加工工艺越复杂，而加工成本的增加不利于生产俭约化标准。所以选择合适的模具硬度将非常重要。为了研究坯料始锻温度对凸凹模磨损量的影响规律，本次模拟试验时选择模具初始温度为200℃，坯料始锻温度700℃，模具硬度为54、56、58、60HRC。为了更直观的看出在不同模具硬度下凸、凹模磨损量的变化关系，利用Excel将模拟数据绘制成折线图，如图3所示。从图3（a）中可以看出凸模模具硬度越大，模具磨损量越小。当模具硬度为60HRC时，凸模的磨损量最小，值为3.25×10-6mm，相比于54HRC时减小18.1%。从图3b中可以看出凹模模具硬度越大，模具磨损量越小。当模具硬度为60HRC时凹模的磨损量最小，值为3.04×10-6mm，相比于54HRC时减小18.9%。

3.3 模具初始温度对模具磨损的影响

在温挤压成形过程中，锻件与模具之间温差越大，促使模具温升越快，越容易加快模具磨损，从而降低模具寿命，所以选择合适的模具温度对减小模具磨损具有重要意义。为了研究模具初始温度对凸凹模磨损量的影响规律，本次模拟试验时选择模具硬度为60HRC，坯料始锻温度为700℃，模具初始温度为 150、200、250、300℃。为了更直观的看出在不同模具初始温度下凸、凹模磨损量的变化关系，利用Excel将模拟数据绘制成折线图，如图4所示。从图4a中可以看出模具初始温度的增加，模具磨损量仅略微减小。从模具初始温度为250℃开始，凸模磨损量基本不变。从图4b中可以看出，随着模具初始温度的增加，模具磨损量先增加后减小。从模具初始温度为250℃开始，凹模磨损量基本稳定。分析认为温度越高所消耗能量越大，建议温挤压成形工艺过程中模具初始温度采用250℃附近时较优。

图2 不同坯料始锻温度下磨损量趋势云图

图3 不同模具硬度下磨损量趋势云图

图4 不同模具初始温度下磨损量趋势云图

4 最优化参数分析

通过上述模拟结果分析得出只改变某一变量条件下获得较优参数组合：坯料始锻温度为750℃，模具硬度为60HRC，模具初始温度为250℃。利用最优参数来验证温挤压过程的模具磨损和成形载荷，模拟结果如图5所示。

分析模拟结果：从图5a中看出，磨损量呈环状分布，从外向内的磨损量先增大后减小。在接近凸模中部位置是磨损最严重部位，分析认为凸模在进行轴向运动时，坯料受到凸凹模的挤压只进行径向移动，加大了变形抗力，增大模具与坯料的摩擦，中心位置由于没有金属移动，座椅磨损量非常小。从图5b中看出，磨损量呈环状分布，从外向内的磨损量先增大后减小。在凹模圆角（拐角）处是磨损最严重区域。分析认为在该区域的金属流动不均，流动性能差，所受力相对较大，易于加剧模具磨损，所以建议采用组合模具，增加模具的使用寿命。凸模磨损量为3.03×10-6mm，凹模磨损量为2.85×10-6mm，均降低6%～7%，提高了模具使用寿命。

图5 模拟结果云图

当模具磨损深度达到0.06mm时，会出现点蚀现象，模具将加剧磨损，此时模具需要进行修补，不能继续使用[11]。因此，按下式计算模具使用寿命∶

式中，N为模具磨损寿命;W为制件成形一次模具磨损深度。

依据上式计算可知，凸模使用次数为19802次，凹模使用次数为21053次。又因为模具进入稳态阶段，在不考虑修模情况下计算结果为磨损寿命的90%[12]，估计此锻件凸模使用次数为22002次，凹模使用次数为23392次。

5 结论

通过对轴承端盖的数值模拟可以发现，凸模磨损量最严重部位出现在中部位置，凹模磨损量较严重部位出现在凹模圆角（拐角）区域，在这些区域的金属流动不均，流动性能差，所受力相对较大，加剧模具磨损。在只改变某一变量条件下获得较优参数组合：坯料始锻温度为750℃，模具初始硬度为60HRC，模具初始温度为250℃。利用DEFORM-3D有限元软件对最优工艺参数进行二次模拟，分析结果可知凸、凹模磨损量最小。经过模具寿命计算估计凸模使用次数为22002次，凹模使用次数为23392次。