小型推力關節軸承外圈反擠壓鍛造的受力分析

湯亞軍

摘 要：本文基于ABAQUS-3D模型下的有限元仿真建模，分析和比較小型推力關節軸承仿行和普通結構的鍛坯在反擠壓鍛造過程中的變形抗力，得出兩者的變形抗力比值關系；通過仿真計算結果與理論校核，確定仿形反擠壓鍛坯在反擠壓過程中的變形抗力值是否符合鍛壓沖床安全生產的受力要求，并以此指導鍛加工工藝設計。

關鍵詞：推力關節軸承；仿形結構；反擠壓；仿真

中圖分類號：TH133 文獻標志碼：A

0 引言

小型推力關節軸承的外圈的內孔小（小于35mm），壁厚大，鍛件加工通常采用反擠壓切底成型工藝。小型號產品的生產需求批量較大，采用仿形反擠壓鍛造成型可以較大程度地減少鍛件重量，并提高機加工效率，降低材料成本和加工成本。仿形鍛造即是參照成品結構特點，將原材料加熱后通過壓力機等設備鍛造加工成接近成品結構的鍛件。外圈的仿形反擠壓加工面為內孔面，內圈為外圓面，主要區別為外圈結構由上模成型，內圈結構則由下模成型。受材料、封模深度、設備壓力、模具強度、模具潤滑等多方面因素的影響，外圈成型難度一般大于內圈，尤其體現在變形抗力上。仿形反擠壓鍛造的變形抗力大于普通型鍛造的變形抗力，因設備本身的噸位和超載極限均可知，故需研究分析兩種成型方式的變形抗力關系，量化比較結果。

在軸承套圈鍛壓的仿形反擠壓工序中，一般上模為施力模，下模為成型模，成型結構則由下模型腔決定。因推力關節軸承外圈的內孔為錐形結構，成型過程中，上模須同時具備施力和成型的能力，為保證沖床載荷能夠承受反擠壓變形抗力并安全生產，通過有限元仿真和理論校核計算，研究分析小型號推力關節軸承反擠壓鍛造的受力情況，對于指導工藝設計和生產作業具有十分重要的意義。

1 小型推力關節軸承鍛造工藝

本文以GX系列A型號軸承為研究對象，材料GCr15，鍛造工藝流程如圖1所示。

該型號軸承尺寸小，仿形反擠壓為主成型工序，與普通結構鍛件相比，結構上存在較大差異，如圖2所示。仿形反擠壓的鍛壓成型中，上模選用40°錐度的沖頭，滑塊下行后，沖頭擠入鍛坯的內孔中，保留5mm料芯，切底后形成10mm的直段夾位，制得鍛件。因上模為成型模，故仿形反擠壓的變形抗力大于普通型。

2 有限元仿真計算

2.1 普通型反擠壓變形抗力計算

確定仿真參數和條件，分別計算普通型和仿形的反擠壓變形抗力，得出兩者的比值關系。查閱資料相關技術資料，得出熱變形狀態下的計算參數，見表1。

結合圖2中普通型反擠壓的制坯尺寸，基于ABAQUS-3D模型下的有限元仿真，得出鍛件內部單元應力分布和反擠壓上模承載的變形抗力，具體結果如圖3所示。

仿真結果顯示，左圖中最小應力為13.9MPa，最大應力為194MPa。右圖中最大承載變形抗力為672000N，即67.2t。

2.2 仿形反擠壓變形抗力計算

結合圖2中仿形反擠壓的制坯尺寸，基于ABAQUS-3D模型下的有限元仿真，得出鍛件內部單元應力分布和反擠壓上模承載的變形抗力，結果如圖4所示。

仿真結果顯示，左圖中最小應力為44.4MPa，最大應力為194MPa。右圖中最大承載變形抗力為1080000N，即108t。

2.3 仿真結果比較

圖4和圖5結果顯示，通過仿真計算得出，普通型和仿形反擠壓變形抗力分別為672000N和1080000N，即仿形反擠壓變形抗力是普通型的1.6倍。200kW中頻感應加熱鍛造生產線的J21-160型擠壓沖床是否滿足仿形反擠壓變形抗力要求，需校核仿真計算數值。

3 仿形反擠壓變形抗力校核

3.1 校核計算

通過表1和普通型反擠壓制坯尺寸，計算普通型反擠壓變形抗力，由仿形與普通型變形抗力的比值關系，得出仿形變形抗力值。普通型反擠壓制坯尺寸如圖5所示。

反擠壓變形抗力公式為：

（1）

其中，K為變形速度影響系數，σs為屈服強度，μ為摩擦系數，D為反擠壓外徑，d為反擠壓上模直徑，H為反擠壓坯料高度，h為反擠壓預留料芯厚度，S為上模接觸面積。

將表1參數和圖5尺寸，代入式（1）中，得：

P1=2.05×3.45×8×1.5×3.14×32.82/4=71650kg=71.65t

由2.3得知，仿形反擠壓的變形抗力為普通型的1.6倍，故仿形反擠壓的變形抗力為114.64t。與仿真計算值108t比較，誤差為6%，結果比較準確。

3.2 沖頭保險蓋強度極限計算

沖床實際使用中的受力極限是通過安裝在沖床上的保險蓋限制的，保險蓋實體外形如圖6所示。保險蓋破裂沖床則停止工作，計算沖床保險蓋的承載極限，并比較反擠壓制坯時的極限變形抗力，以此判斷沖床在反擠壓制坯時，抵抗變形抗力的能力，判斷該型號反擠壓工藝實施的可行性。保險蓋結構尺寸如圖7所示。

保險蓋材料為45鋼，剪切強度為355MPa，即35.5kg/mm2，其破裂失效是在沖床剪切力作用下發生的，其剪切力計算公式如下：

P3=σc×πd×h （2）

其中，σc為剪切強度，d為接觸外徑，h為剪切高度。將圖7尺寸代入公式（2）中得：

P2=35.5×3.14×165×（35-28.1）=126908kg

保險蓋剪切力為126908kg，即126.908t，而A型號仿形反擠壓變形抗力為108t，故此型號的仿形反擠壓受力在J21-160型沖床的安全使用范圍內。

4 結果及其分析

（1）通過仿真計算，仿形反擠壓變形抗力為普通型的1.6倍。

（2）通過校核，仿真參數選取和計算結果準確，GX系列A型號仿形反擠壓變形抗力為108t。

（3）沖床的保險蓋承載剪切力大于仿形反擠壓變形抗力，200kW中頻感應加熱鍛造生產線的J21-160型沖床可以滿足A型號的變形抗力要求

結語

一般內孔直徑小于35mm小型號推力關節軸承，無法利用輾環成型的方式得到鍛件，通常是采用反擠壓成型后切除料芯的方式成型。而反擠壓的變形抗力比輾環成型大，且倒角、壁厚差，截面輪廓的精度均較差，因此對相比輾環成型，反擠壓對設備壓力的要求高，其中仿形反擠壓要求最高，必須通過合理的參數選擇和準確的計算，給予工藝設計和安全生產以參考。本文關于反擠壓受力的計算和分析方法同樣適用于其他系列軸承的反擠壓鍛造成型的研究和分析。

參考文獻

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