基于DEFORM的軸承鋼球冷鐓模具優化

傅蔡安，華新鋒，王 賢

(江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122)

鋼球作為球軸承的關鍵零件，其質量在很大程度上影響著軸承的動態性能和使用壽命。鋼球冷鐓模具在冷鐓工藝設計中尤為重要，其直接影響球坯的尺寸、形狀、材料利用率、生產效率和鋼球的使用壽命，而國內、外對鋼球冷鐓工藝研究主要以生產試驗為主，設計周期長。我國一直沿用球形球坯；國外已逐步采用錐鼓形球坯，使用模具的內腔帶有錐角，摩擦較小，金屬的流動性好，環帶和兩極縮小。下面設計了虛擬正交試驗，并應用DEFORM軟件進行了仿真模擬，從理論上對錐鼓形球坯的冷鐓模具設計進行了研究。

1 冷鐓成形過程模擬

1.1 冷鐓成形過程分析

鋼球加工的一般工藝過程為：切料→冷鐓→光磨→熱處理→硬磨→初研→精研→成品檢驗→包裝。錐鼓形鋼球冷鐓成形時的變形過程如圖1所示，其變形特點為：先出兩極，后出環帶。

圖1 球坯變形過程

1.2 應力變化分析

運用DEFORM仿真工具得到球坯成形過程的應力分布如圖2所示。在初始階段(圖2a)，應力主要產生在棒料的端角處，因為端角部位與模具內腔先接觸；在運行到60步時，由于模具的內腔帶有錐角，使棒料首先形成錐角，應力在錐面處最大(圖2b)；運行到100步時，棒料中間部分開始形成鼓形，錐面與球窩過渡處應力最大，中間鼓形處次之(圖2c)；最終成形時，整個球坯的應力分布比較均勻(圖2d)。

圖2 球坯成形過程應力分布

1.3 應變速率分析

DEFORM仿真得到冷鐓過程應變速率分布如圖3所示。由圖可知，變形過程中，棒料各部分的應變速率的大小和方向是不同的，尤其是在形成錐面和環帶時，變化尤其劇烈。

圖3 球坯成形過程速度分布

2 評價指標的建立

考慮到球坯對后續工序以及生產實踐的影響，提出評價體系：

(a)飽滿度。主要評價材料是否充滿模具，質量好的球坯應該有明顯的兩極。

(b)圓化度。為了在后續光磨中更利于磨削，要求鋼球毛坯的三向尺寸相近，提出圓化度的評價指標為：δ=D環帶/H，δ≥1且越接近1越好，其中，D環帶為球坯的直徑；H為球坯的高度。

(c)體積。體積要盡量小，以節省材料，減小環帶體積，減少后續光磨時間。

(d)冷鐓力。通過改變兩極大小、壓縮比以及體積的方法來減小冷鐓力，從而提高模具使用壽命。

3 虛擬正交試驗分析設計

虛擬正交試驗是用有限元數值仿真取代實際試驗[1],其優點為:容易改變設計變量的范圍;設計變量的各種水平的組合易于實現;數值模擬的試驗結果重復性高;模擬試驗的時間和費用較少;可以獲得實際試驗難以得到的結果。

冷鐓模具的設計主要是球坯形狀及尺寸的確定。球坯兩極的尺寸應盡可能小,而兩極的直徑可通過半錐角α進行調整。同時，在設計過程中還應兼顧模具對塑性變形、冷鐓力以及材料體積的影響。

表1 正交試驗表

4 DEFORM仿真分析[4]

DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統,可對金屬的各種成形工藝和熱處理工藝進行仿真和計算,并按用戶要求返回計算結果。在計算機上模擬整個加工過程,可以實現:(1)生產工具在加工中受力、受熱變形過程的模擬仿真和有限元分析計算,有助于模具的修改,部分地替代實際試驗;(2)加工材料在加熱、變形過程的模擬仿真和有限元計算,有助于進行材料的力學性能分析,縮短新產品的開發周期。

4.1 設計模具

首先利用三維軟件CATIA建立上、下模及棒料的三維模型，導出擴展名為*.stl的文件，用DEFORM軟件分別導入，如圖4所示。

圖4 DEFORM導入

4.2 前處理

前處理過程中,材料參數、網格劃分、運動設立、特性等為重要的參數，為準確模擬，有些參數在模擬過程中要不斷修改，特別是網格的重新劃分。定義棒料材料為E52100(相當于國內的GCr15)，模具材料為TiC，網格劃分如圖5所示[4-6]。上模的運動速度為50 mm/s，最小步長為0.035 mm，設置停止距離為環帶厚度 。由于需要觀察模具的磨損情況，故設置了模具磨損的相關參數，如圖6所示。

圖5 棒料和上模的網格

圖6 模具磨損參數

4.3 模擬運行

直接點擊DEFORM中的“Run”,軟件就根據前處理的設置進行計算。

4.4 后處理

后處理是計算機在計算程序運行結束后對數據進行分析整理，并且用較直觀的方法輸出數據的過程。在冷鐓模具設計過程中，DEFORM是在設定比較合理的條件下，模擬出合乎冷鐓應力應變的真實擠壓過程，通過DEFORM仿真分析得出的結果如圖7所示。

圖7 DEFORM中的后處理

5 球坯參數的確定

觀察發現冷鐓球坯1，2，3，5，6，11號試驗沒有明顯的兩極和環帶，說明沒有完全填充滿，不滿足工藝要求。對其他球坯進行圓化度分析，以定量地得到不同試驗的圓化度情況，如表2所示。從表2中可以看出，8，9號試驗冷鐓力比較小，綜合前面圓化度的分析，確定9號試驗的因素水平組合最為理想(冷鐓力為1.62×105N)。

表2 不同試驗的圓化度與冷鐓力分析

6 結果與比較

錐鼓形球坯仿真結果與錐鼓形實物球坯尺寸和外形基本吻合，如圖8所示。

圖8 仿真錐鼓形球坯與實物圖

6.1 冷鐓力的比較

原工藝的冷鐓力比較大為2.53×105N，而經過仿真優化之后的冷鐓力為1.62×105N，減小了35%，從而減小了模具的受力。圖9為原工藝與優化后的錐鼓形球坯的冷鐓力的比較。

圖9 原工藝與優化后錐鼓形球坯的冷鐓力比較

6.2 模具的磨損情況對比

球形球坯由于模具內腔為圓球形，在冷鐓過程中，模具內表面與棒料的摩擦較大，在球坯形成環帶的瞬間，變形力瞬間陡增，這對模具的邊緣有很大的磨損。改進后錐鼓形球坯的模具，內腔帶有錐角，非常有利于金屬流動，減小摩擦，而且由于優化后的錐鼓形球坯呈微環帶或近似無環帶，也減小了由于形成環帶而陡增的變形力。圖10為仿真結果，由圖可知，原工藝模具的磨損程度相對優化后的模具，顯然要劇烈得多。優化后的模具主要參數如圖11所示。

圖10 模具內腔磨損情況的對比

注：鋼球公稱直徑8.000 mm；鋼球毛坯直徑8.35 mm。圖11 模具內腔的主要尺寸

7 結論

(1)結合正交試驗與DEFORM模擬仿真，對鋼球球坯的成形影響因素(壓縮比、錐角、環帶厚度、環帶寬度)設計虛擬正交試驗是可行的。

(2)DEFORM的仿真結果與實物相吻合。

(3)在同樣的試驗條件下，優化后的錐鼓形球坯的冷鐓模具內腔在成形過程中的磨損比原工藝的磨損要小。

(4)從虛擬正交試驗分析得出球坯的合理工藝參數，并設計出模具的主要尺寸，在鋼球的實際生產中有一定的參考價值。