自潤滑關節軸承二次擠壓裝配的有限元仿真分析

張瑞芬，吳連平 ，楊曉翔

(1.福建水利電力職業技術學院 機電工程系，福建 永安 366000；2.福州大學 機械工程及自動化學院，福州 350108)

自潤滑關節軸承由外球面內圈、內球面外圈和粘結在外圈內表面的襯墊組成，其耐沖擊、免維護、自潤滑、安全可靠且壽命長，在機械工程等領域應用廣泛[1-2]。大型自潤滑關節軸承的裝配方式主要有開縫成形和冷擠壓成形(合套擠壓)，開縫成形方法會由于受力不均而使外圈產生變形，且容易破壞襯墊和內圈的外表面，故開縫型自潤滑關節軸承壽命和可靠性較低。冷擠壓成形的自潤滑關節軸承無縫且受力均勻，承載能力和可靠性更高[3]。

目前已經有部分學者對關節軸承的擠壓成形進行了分析。文獻[1]利用有限元方法對關節軸承的雙邊收口成形和單邊收口成形進行了數值模擬，并分析了雙邊收口成形的優點。文獻[4]對關節軸承一次擠壓成形進行了仿真分析，其研究結果表明，軸承擠壓成形的二維軸對稱模型模擬結果與三維模型模擬結果相近。文獻[5]分析了關節軸承擠壓過程中可能出現的缺陷，并得到摩擦因數對擠壓力的影響。文獻[6]結合試驗和ANSYS軟件分析了關節軸承的擠壓成形。文獻[7-8]針對內、外圈間隙分布不均問題，用有限元方法對關節軸承一次擠壓裝配成形進行了分析，并用虛擬正交試驗分析了擠壓參數的影響。文獻[9]對關節軸承擠壓裝配過程中的二次擠壓裝配過程進行了數值模擬，并對工藝進行了改進。

目前尚未發現考慮襯墊變形的自潤滑關節軸承有限元模擬分析。因此，針對實際擠壓大型自潤滑關節軸承無法估計其變形機理的現狀，采用第1次成形→回彈計算→第2次成形→回彈計算的方法對大型自潤滑關節軸承的擠壓成形過程進行數值模擬。分析擠壓過程中擠壓力的作用、應力分布、等效塑性應變分布、內外圈接觸應力分布及外圈回彈量分布等，以深入了解自潤滑關節軸承擠壓裝配過程中的變形機理，為大型自潤滑關節軸承擠壓裝配的模具及工裝設計提供理論基礎。

1 自潤滑關節軸承擠壓裝配原理

自潤滑關節軸承擠壓裝配原理如圖1所示。工裝安裝過程為：先固定下定位套和下模，然后根據定位套將內圈和外圈定位，最后安裝上模和上定位套。擠壓過程中,下模不動，上模和定位套向下運動。由于模具和定位套之間有壓簧的作用，所以兩者之間有相對運動。

1—內圈；2—芯軸；3—上定位套；4—上模；5—外圈；6—襯墊；7—下模；8—下定位套圖1 自潤滑關節軸承擠壓裝配原理圖

2 有限元模型的建立

由于該模型具有軸對稱性，為節省計算時間，建立二維軸對稱模型。模具、芯軸及定位套的材料為GCr15，內圈材料為9Cr18Mo，外圈材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，襯墊材料為聚四氟乙烯。將模具、芯軸和定位套設為解析剛體，內、外圈和襯墊設為變形體。內、外圈材料的力學性能通過拉伸試驗獲得，由于襯墊只有0.38 mm，故將其當做各向同性材料，并進行壓縮試驗獲得材料的力學性能。

自潤滑關節軸承擠壓裝配過程是一個材料非線性、幾何非線性、接觸非線性的過程。為準確模擬其成形過程，采用Abaqus/Explicit顯示方法分析擠壓過程。根據實際運動關系，定義為8個接觸對。接觸面之間的摩擦采用庫侖摩擦定律，摩擦因數為0.08。對芯軸和下模施加2個方向的約束，上模和定位套僅有z軸方向的進給運動。根據材料的變形程度確定部件的單元尺寸；外圈變形最大，網格劃分較細；為使襯墊模擬準確，保證其有4層網格，與襯墊有接觸的內圈表面網格劃分較細，內圈其余部分劃分較粗。此外，為提高求解精度，對外圈和襯墊使用ALE自適應網格劃分技術。第1次擠壓后，外圈產生了較少的彎曲變形(圖2a)。此時還沒有完成裝配，還必須經過第2次擠壓(圖2b)。

圖2 自潤滑關節軸承擠壓裝配過程有限元模型

為了使回彈過程更加精確，采用Abaqus/Standard靜態隱式方法分析回彈過程。去除成形過程中的模具和定位套，對內圈和外圈施加z方向的約束。回彈過程的有限元模型如圖3所示。

圖3 回彈過程有限元模型

3 結果與討論

3.1 擠壓力

擠壓力直接影響模具的壽命和壓力機的選用。對自潤滑關節軸承進行二次擠壓裝配能夠明顯減小擠壓力，提高模具和壓力機的使用壽命。軸承擠壓裝配過程中的擠壓力主要由3方面產生：彎曲、環向壓縮和接觸面之間的摩擦。擠壓過程中擠壓力隨時間的變化如圖4所示。由圖可知，第1次擠壓過程中，擠壓力變化相對平緩，這主要是由于外圈變化較??；第2次擠壓過程中，外圈變化相對較大，擠壓力變化也增大，最大擠壓力達到1 900 kN。第2次擠壓時的壓力曲線波動主要是因為隨著模具的下壓，擠壓力逐漸增大，外圈受到的壓力越來越大，外圈接觸表面摩擦力對金屬質點流動的不均勻性影響增強，導致擠壓力增加過程中的波動越來越明顯。

圖4 擠壓力曲線

3.2 應力

擠壓裝配過程中，外圈產生的總變形有塑性變形和彈性變形2部分。隨著彎曲變形程度逐步增大，外圈表層先達到屈服狀態，進而向外圈內部擴展。模具和定位套撤除后，塑性變形留存，彈性變形完全消失。在此過程中外圈外側因彈性恢復而縮短，內側因彈性恢復而伸長。由于外圈兩端產生的彈性變形相對中部多，故回彈量也大。每個階段內、外圈應力分布如圖5所示，由圖可知，回彈之后，外圈兩端的應力減小了很多，外圈腰部存在較大的殘余應力。

圖5 自潤滑關節軸承擠壓過程的應力分布

3.3 應變

二次擠壓裝配過程中自潤滑關節軸承等效塑性應變分布如圖6所示。由圖可知，由于模具與外圈兩端直接接觸，接觸面之間的摩擦力阻礙了金屬的流動，導致外圈兩端的等效塑性應變較大；第1次擠壓完成后最大等效塑性應變出現在外圈兩端，最大值為0.615 2，第2次擠壓完成后最大等效塑性應變仍出現在外圈兩端，最大值為0.993 8；離模具接觸面越遠處，金屬流動受到的影響越小；外圈腰部變形較大，等效塑性應變也較大。

圖6 等效塑性應變分布

3.4 接觸應力及間隙

襯墊是自潤滑關節軸承的關鍵，應保證自潤滑關節軸承的襯墊在擠壓裝配過程中不被破壞。二次擠壓裝配完成后，襯墊受到的接觸應力如圖7所示。第1次擠壓完成后，只有襯墊腰部與內圈有接觸，所以襯墊腰部受到的接觸應力較大，而其余部分為零；第2次擠壓過程中，襯墊與內圈逐漸接觸，擠壓完成后，襯墊腰部彎曲較大，與內圈無接觸，故兩端接觸應力較大。

1—第1次擠壓；2—第2次擠壓圖7 襯墊受到的接觸應力分布

內、外圈之間間隙的均勻性是自潤滑關節軸承是否合格的最重要指標之一。自潤滑關節軸承擠壓裝配完成后，內外圈間隙分布如圖8所示。由圖可知，外圈腰部與兩端之間的間隙較大，內、外圈最大間隙為0.71 mm，最小間隙為0.54 mm，最大值與最小值之差為0.17 mm。

圖8 內、外圈間隙分布

4 結束語

利用Abaqus軟件對大型自潤滑關節軸承二次擠壓裝配過程進行了數值模擬，詳細分析了軸承在二次擠壓過程中的等效應力和等效塑性應變分布，為自潤滑關節軸承擠壓裝配提供了理論指導。

由擠壓力變化曲線可知，第2次擠壓過程比較劇烈，而隨著擠壓力的增加，摩擦力對金屬流動的影響增加，故曲線波動增加；由襯墊受到的接觸應力分布曲線可知，二次擠壓過程中，襯墊受到的最大接觸應力的部位不同。