高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴成形力能參數分析*

□ 王成威 □ 徐振威 □ 孫寶壽 □ 趙哲騏 □ 束學道

1.寧波大學機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

2.浙江省零件軋制成形技術研究重點實驗室 浙江寧波 315211

3.寧波雄獅機械制造有限公司 浙江寧波 315400

1 課題背景

隨著我國高速鐵路產業的飛速發展，作為高鐵基礎零部件之一的高速列車軸承，其需求也日益增大，但是目前我國還無法生產此類軸承零件。研究高鐵軸承內圈冷輾擴成形技術，對高鐵軸承國產化具有重要意義［1］。冷輾擴技術是一種在常溫下借助冷輾機驅動輥、芯輥的擠壓作用，使環形零件內部金屬材料發生塑性變形的冷加工成形工藝，廣泛用于高頸法蘭、火車車輪、齒輪及燃氣輪機環等各類無縫環件的制造［2-3］。

近年來，高鐵軸承套圈等異形截面環形件的冷輾擴成形有一定發展，但都著重于對稱性冷輾擴，在非對稱冷輾擴方面的研究則甚少。楊合等［4-5］以臺階形環件為研究對象，采用理論解析法分析得到了環件坯料半徑擴大變形與壓下量之間成正比關系的結論，為后續環件坯料和進給運動的設計提供了重要理論依據。靳妍妍等［6-7］以轎車變速箱軸承L形截面套圈為研究對象，開展了冷輾擴有限元模擬和試驗研究，得到了芯輥進給速度對軸承套圈成形寬展率、端面平整度等表面質量的影響規律，并根據有限元模擬方法在精密冷輾機上加工成形出合格的L形截面套圈，為后續批量化生產提供了參考。洪哲等［8-9］采用一次軋制兩個零件的方法解決了非對稱軋制問題，針對高速重載軸承內圈，從宏觀和微觀兩個方面對對稱冷輾擴成形技術進行了深入研究，分析了不同芯輥進給方式對力能參數的影響規律，利用正交試驗法對工藝參數進行了優化分析，同時基于XS-160型精密冷輾擴機進行了試驗研究，對試驗成品內圈進行了內孔圓度測量和金相組織試驗驗證。

筆者以高鐵軸承內圈為研究對象，基于ABAQUS軟件建立了高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴有限元模型，對其軋制過程中的力能參數進行模擬分析。這一研究對提高冷輾擴軋制過程穩定性，優化環形件成形質量，減小模具磨損具有重要意義。

2 有限元建模

筆者研究的高鐵軸承內圈為非對稱件，屬于大型復雜異形截面環形件。在這類環形件冷輾擴成形過程中，由于驅動輥斜臺階部分對環形件坯料的作用力方向與芯輥對環形件坯料的作用力方向不在一條直線上，作用力的軸向分量會產生一個傾覆力矩，導致環形件出現如圖1所示閉式冷輾擴翹曲缺陷，致使冷輾擴最終成形質量不高，甚至無法成形［10］。

▲圖1 閉式冷輾擴翹曲缺陷

為了保證成形的順利進行，筆者采用增加錐輥的徑軸向輾擴方法來保證內圈環形件坯料的端面成形質量，以便順利實現高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴成形。在這一成形方案中，設計了內圈環形件坯料、驅動輥、芯輥、導向輥和錐輥的結構尺寸，同時基于ABAQUS軟件 的 Explicit模塊，建立了高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴有限元模型，如圖2所示。

▲圖2 高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴有限元模型

在接近真實冷輾擴成形條件下，為提高模擬效率，進行了適當的抽象與簡化。

（1）由于軋制過程中軋輥彈性變形較小，因此將驅動輥、芯輥、導向輥、錐輥設為剛體。內圈環形件坯料設為變形體，材料為GCr15軸承鋼。

（2）內圈環形件坯料在常溫下產生變形，溫度對軸承內圈的成形影響很小，因此不考慮溫度場。

3 軋輥位置控制

驅動輥、芯輥的速度與時間的關系較為明確，可不通過子程序對驅動輥、芯輥的運動進行控制。在ABAQUS軟件對應的Load模塊中進行驅動輥旋轉及芯輥直線進給運動設置。錐輥沿著內圈環形件直徑擴大方向作水平移動和繞中心軸作旋轉運動，導向輥隨內圈環形件直徑增大方向作跟隨運動，筆者利用Fortran語言編譯了VUAMP子程序來控制導向輥和錐輥的運動。

內圈環形件半徑大小的實時跟蹤測量是進行導向輥、錐輥位置隨動控制的關鍵［11-13］。在內圈環形件坯料上端面的外圓上均勻地選取12個節點，節點選取位置如圖3所示。選取的12個節點在ABAQUS軟件VUAMP子程序中被稱為傳感器，可以用來獲取節點上的坐標等數據信息。通過Step模塊中History Output Request選項來定義12個節點的輸出信息，筆者設置的輸出信息是12個節點實時對應的X軸坐標值。每個增量步的X軸坐標值均會被送至位置控制的子程序中進行計算，計算結果將用于控制軋輥的實時位置。

▲圖3 節點選取位置

3.1 導向輥

導向輥和內圈環形件、驅動輥之間對應幾何位置關系如圖4所示。圖4中，R1為驅動輥半徑，R3為導向輥半徑，Rarm為導向輥臂長，Rt為內圈環形件坯料實時半徑。

▲圖4 導向輥、內圈環形件、驅動輥間幾何位置關系

在冷輾擴有限元模擬過程中，導向輥的位置隨軋制過程進行不斷發生改變，擺角大小也同時不斷變化。導向輥初始擺角α0的計算式為：

導向輥實時擺角αt的計算式為：

擺角增量Δα的計算式為：

式中：R0為內圈環形件坯料初始半徑。

3.2 錐輥

高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴有限元模擬過程中，上下錐輥和內圈環形件之間對應的幾何位置關系如圖5所示。

▲圖5 錐輥與內圈環形件幾何位置關系

為了更精確地對上下錐輥位置與運動進行實時控制，在ABAQUS軟件中以上下錐輥的中心軸分別建立相應的局部坐標系。實現全局坐標系和局部坐標系轉化后，上下錐輥的水平跟隨位移D可分解為Da和Dr。

D的計算式為：

式中：β為錐輥延長線夾角。

4 力能參數分析

在內圈環形件冷輾擴技術應用時，軋制力是反映冷輾擴軋制在咬入壓緊、穩定輾擴和精整歸圓等不同階段的穩定性，以及內圈環形件最終成形質量和模具壽命的重要參數指標，也是設計制造精密冷輾機結構和選用冷輾機設備型號的重要參考依據，同時還對冷輾擴過程中工藝參數的優化和選擇具有重要的指導意義。因此，針對高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴過程中力能參數的分析具有很高的研究價值。

由單因素法研究分析芯輥初始進給速度、驅動輥轉速和錐輥轉速對高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴過程中軋制力的影響規律，為實際生產和工藝參數優化提供理論依據。

4.1 芯輥進給速度對力能參數的影響

結合有限元模擬結果和實際生產經驗，筆者采用芯輥階梯形減速的進給方式。為了研究芯輥進給速度對高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴過程中力能參數的影響規律，芯輥初始進給速度依次取0.8 mm/s、1.0 mm/s和1.2 mm/s，曲線如圖6所示，錐輥轉速和驅動輥轉速設為固定值，分別為29 rad/s和16 rad/s。

▲圖6 芯輥進給速度曲線

不同芯輥初始進給速度時的內圈環形件軋制力曲線如圖7所示。通過圖7可以發現，三條軋制力曲線變化趨勢相似，當芯輥初始進給速度依次為0.8 mm/s、1.0 mm/s和1.2 mm/s時，對應的軋制力最大值依次為1 018 kN、1 145 kN和1 175 kN，這說明在冷輾擴過程中，隨著芯輥初始進給速度的增大，對應的軋制力最大值也隨之增大。當芯輥初始進給速度為1.2 mm/s時，軋制力上升速度最快且總體數值較大，波動幅度較劇烈，代表軋制過程較不穩定。當芯輥初始進給速度分別為1.0 mm/s和0.8 mm/s時，軋制力波動幅度較平緩，說明芯輥初始進給速度在滿足鍛透條件和平衡生產效率時應盡可能取較小值。

4.2 錐輥轉速對力能參數的影響

將錐輥轉速作為單因素，依次取23 rad/s、26 rad/s和29 rad/s，芯輥初始進給速度和驅動輥轉速設為固定值，分別為1.0 mm/s和16 rad/s。

不同錐輥轉速時的軋制力曲線如圖8所示。通過圖8可以發現，軋制力變化趨勢與圖7相似。冷輾擴過程開始時，軋制力在短時期內迅速增大，之后逐漸增大至峰值并持續一定時間。在進入精整歸圓階段后，軋制力減小并在一定范圍內波動。當錐輥轉速依次為23 rad/s、26 rad/s和29 rad/s時，對應的軋制力最大值依次為1 190 kN、1 177 kN和1 145 kN。

三個最大值差距并不明顯，且在整個冷輾擴過程中的各個時刻，三條曲線的變化趨勢相近，軋制力總體數值沒有太大偏差，說明錐輥轉速對高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴中軋制力的影響并不明顯。錐輥在軋制過程中起到限制內圈環形件軸向晃動和減小端面寬展的作用，對提高高鐵軸承內圈的最終成形質量有重要影響，但對冷輾擴軋制力的影響卻有限。

4.3 驅動輥轉速對力能參數的影響

驅動輥是精密冷輾擴機的重要組成部件之一，設備繞驅動輥中心軸作旋轉運動，在摩擦力的作用下，帶動內圈環形件坯料旋轉并發生塑性變形。將驅動輥轉速作為單因素，依次取 13 rad/s、16 rad/s和 19 rad/s，芯輥初始進給速度和錐輥轉速設為固定值，分別為1.0 mm/s和26 rad/s。不同驅動輥轉速時的軋制力曲線如圖9所示。通過圖9可以發現，當驅動輥轉速為13 rad/s時，軋制力總體處于一個高水平數值，最大值達到1 237 kN；但是當驅動輥轉速分別為16 rad/s和19 rad/s時，對應的軋制力最大值分別為1 145 kN和1 086 kN，明顯較小，說明在冷輾擴過程中，隨著驅動輥轉速的增大，軋制力的最大值反而減小。出現這一現象的原因是驅動輥轉速增大，帶動內圈環形件坯料旋轉的速度也增大，使環形件每轉的進給量相應減小，導致內圈環形件坯料內部金屬材料的塑性變形程度減弱，從而引起冷輾擴軋制力減小。驅動輥轉速為19 rad/s時，軋制力總體數值最小，但波動較為劇烈，且幅度較大。因此，在綜合考慮軋輥使用壽命及高鐵軸承內圈最終成形質量的前提下，應合理地選擇驅動輥轉速。

▲圖7 不同芯輥初始進給速度時的軋制力曲線

▲圖9 不同驅動輥轉速時的軋制力曲線

5 結束語

筆者基于ABAQUS軟件VUAMP子程序，利用Fortran語言編寫代碼，對高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴有限元模擬過程中導向輥和錐輥的運動進行實時控制，保證冷輾擴過程中導向輥和錐輥跟隨運動位置的準確性，從而提高不同時刻冷輾擴內圈環形件的成形質量。

采用單因素法分析研究了高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴中芯輥初始進給速度、錐輥轉速和驅動輥轉速對力能參數的影響規律，發現軋制力大小和芯輥初始進給速度成正比，與驅動輥轉速成反比。芯輥初始進給速度和驅動輥轉速對高鐵軸承內圈非對稱冷輾擴過程的穩定性影響較大，而錐輥轉速的影響則不明顯。

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