軸承外圈溝槽滾珠旋壓有限元分析?

陳今良，王 軍，吳國洋

（攀枝花學院 材料工程學院，四川 攀枝花 617000）

0 引言

強力滾珠旋壓（包括內旋壓和外旋壓）是一種高效、精密的筒形件成形方法［1－2］，滾珠一般沿著旋件的軸向進給，或者沿著旋件的軸向與徑向兩個方向進給［3］。對于滾珠旋壓力的計算，M.I.Rotarescu推導了變形區空間幾何的投影面積；徐洪烈按照管件的均勻變形給出了簡便的工程計算方法；江樹勇［4］對帶肋薄壁管的滾珠旋壓過程進行了詳細的分析和數值模擬。對熱軋管應用滾珠內旋壓的方法，利用鋼管軋制后余熱（800℃～900℃）所保留的良好塑性，直接將軸承套圈的內溝道多次旋壓成型，省略了套圈的冷切削加工。針對熱軋管直接應用滾珠內旋壓方法加工軸承套圈內溝道的工藝過程，本文進行了旋壓力的有限元分析。

1 有限元模型的建立

將滾珠視為剛體，所以選用剛體材料模型；將軋件定義為雙線性各向同性模型，通過使用彈性模量、屈服強度和切線模型來表示材料應力應變行為。各材料屬性值如表1所示。

表1 各材料屬性值

滾珠旋壓過程既存在彈性變形，也存在塑性變形，且主要是塑性變形，因此采用彈塑性有限元法進行研究。實體單元均采用8節點Solid 164單元；軸承外圈軸向截面兩側節點施加垂直截面的約束，滾珠以角速度ω1＝1rad/s旋轉；當滾珠第一次旋壓深度1mm結束后，采用重啟動設置，二次旋壓將滾珠旋壓深度設置為0.75mm；為了減少計算量，滾珠采用剛體設置；為了避免沙漏和負體積，不采用質量縮放；為了適當提高計算速度，全部計算過程采用單點積分算法［5］。建立的被旋壓軋件的1/4周長有限元模型如圖1所示，模型幾何參數見表2。

圖1 劃分網格后的有限元模型

表2 模型幾何參數

2 有限元模擬分析

2.1 應力應變分析

圖2為兩次旋壓時管件的應力和應變云圖。由圖2可以看出：最大米塞斯應力為527.4MPa，位于溝槽的兩側，應力在整個溝槽成形過程中分布不均勻；最大塑性應變為2.572，位于溝槽的底部，整個成型過程中，應變最大值區域集中在溝槽底端，溝槽兩側應變較小。

圖3為兩次旋壓的管件截面形狀圖。在成型過程中，溝槽中金屬由于受滾珠擠壓往兩側流動，形成凸起狀態，第一次旋壓溝槽截面淺而窄，第二次旋壓溝槽截面深而寬，變形程度明顯比第一次大很多。

2.2 旋壓軋制力分析

整個旋壓過程中軋制力隨時間的變化如圖4所示。在時間0.6s內，滾珠未與軋件接觸，軋制力為0，從t＝0.6s開始，第一次旋壓的滾珠和軋件開始接觸，軋制力逐漸增加到33kN，進入穩定旋壓狀態，在t＝2s左右軋制力又開始逐漸降低，直到t＝2.5s，滾珠離開軋件，軋制力變為0；在t＝1.2s左右，第二次旋壓的滾珠開始與第一旋壓過后的溝槽接觸，軋制力逐漸增大，在t＝2.25s左右達到最大值39kN，然后軋制力逐漸降低，直到t＝3.1s左右滾珠離開軋件，軋制力變為0。第二次旋壓的軋制力最高點比第一次高，因為第二次旋壓時，滾珠與溝槽的接觸面積變大，單位壓力一定時，軋制力隨接觸面積增大而增大，這與第二次旋壓變形程度比第一次大相符合。

圖2 兩次旋壓時管件應力和應變圖

圖3 兩次旋壓的管件截面形狀圖

圖4 旋壓過程中軋制力隨時間的變化

2.3 壁厚變化

圖5為軸承外圈旋壓時壁厚隨時間的變化。由圖5可以看出，第一次旋壓深度為1.0mm，第二次旋壓深度為0.75mm，累計旋壓深度為1.75mm，可看出壁厚的變化與設計的旋壓深度值吻合良好。

3 結論

通過ANSYS/LS-DYNA軟件對軸承外圈溝槽旋壓成形進行有限元分析，得到了兩次旋壓軸承外圈的應力應變圖、旋壓力的大小、溝槽的截面形狀圖，為軸承外圈溝槽滾珠旋壓工藝設計提供了參考。通過有限元分析，可以看出，在進行軸承外圈多次旋壓成形時，后續道次旋壓力會比前道次旋壓力增大。

圖5 旋壓管件溝槽壁厚隨時間的變化

［1］Tang Y，Chi I Y，Chen J C，et al.Experimental study of oil-filled high-speed spin forming micro-groove fin-inside tubes［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacturing，2007，47（7/8）：1059-1068.

［2］Hua F A，Yang Y S，Zhang Y N，et al.Three-dimensional finite element analysis of tube spinning［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，168（1）：68-74.

［3］馬振平，張濤.滾珠旋壓成形技術［M］.北京：冶金工業出版社，2011.

［4］Jiang Shuyong，Ren Zhengyi.Analysis of mechanics in ball spinning of thin-walled tube［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，21（1）：25-30.

［5］尚曉江，蘇建宇.ANSYS/LS-DYNA動力分析方法與工程實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.