半球截面軸承套鍛件輾軋成形工藝的優(yōu)化與模擬

戴玉同 錢喜根 陳 洪

(1.張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司，江蘇215600；2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇212013)

大型半球截面軸承套是滾珠軸承的典型零件，傳統(tǒng)的加工工藝為：下料→鍛造→輾擴成矩形坯→熱處理→車削溝槽。此工藝不僅繁瑣，而且浪費原料，還破壞了半球環(huán)槽金屬纖維的連續(xù)性，降低力學(xué)性能[1]。本文基于有限元模擬，對原有工藝進行優(yōu)化，提出圓柱形芯輥預(yù)擴孔+半球截面芯輥輾擴成形工藝。

1 軸承套技術(shù)要求

圖1為大型軸承套鍛件尺寸圖，截面成半球形。材料為42CrMo，鍛造加熱保溫溫度為1 200±20℃，始鍛溫度為1 100℃，終鍛溫度為850℃，鍛造比≥4。材料化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

圖1 半球截面軸承套鍛件尺寸圖Figure 1 The dimension drawings of hemisphere cross section bearing sleeve forging

CSiMnPSCr0.38～0.450.17～0.370.60～0.90≤0.015≤0.0150.90～1.20

注:H含量≤2.0×10-6。

表2 軸承套的力學(xué)性能

圖2 鍛件缺陷Figure 2 Defects of forging

2 芯輥的設(shè)計

由于鍛件截面為半球型溝槽，如果直接采用半球截面的芯輥輾軋，由于接觸不穩(wěn)，輾軋時會導(dǎo)致坯料晃動、爬輥從而產(chǎn)生拉料、偏心、變形等缺陷(圖2)，嚴(yán)重影響鍛件的質(zhì)量并可能造成機床損壞和縮短模具壽命。因此本文提出圓柱形芯輥預(yù)擴孔+半球截面芯輥輾擴成形的工藝。預(yù)擴孔時，芯輥進給速度較小，保證環(huán)件的圓整度及端面平整度，防止拉料偏心等缺陷。芯輥尺寸如圖3、圖4所示。

3 輾擴過程的模擬與實際應(yīng)用

3.1 幾何建模

采用有限元軟件DEFORM-3D對輾軋過程進行模擬，建立如圖5所示的模型。模具和毛皮通過Pro/E建立實物模型，使用STL格式導(dǎo)入DEFORM-3D。由于軸向變形很小，為了減少計算量，本文只做了徑向的輾擴模擬，并假設(shè)各軋輥為剛體，不發(fā)生變形。材料選用42CrMo，軋制溫度范圍為850～1 100℃，主輥轉(zhuǎn)速為3 r/s，圓柱形芯輥進給速度為0.3 mm/s。半球截面芯輥進給速度與時間成梯形狀，如圖6所示。由于在輾擴的初期階段，與環(huán)件接觸的僅只有芯輥的溝球面，接觸面積較小，因此需要較大的進給速度以促使環(huán)件咬入。隨著輾擴的進行，環(huán)件直徑的增長速度將會變大，需要遞減進給速度來減緩環(huán)件的直徑增長速度，以免對環(huán)件產(chǎn)生沖擊[2]。

3.2 模擬結(jié)果分析

DEFORM-3D軟件的后處理功能直觀的反映了軋制過程中金屬的流動取向、鍛件的成型效果、模具載荷、鍛件內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變情況等。根據(jù)模擬結(jié)果顯示的模具載荷曲線如圖7所示。從圖7可以看出，在軋制過程中模具所受載荷始終沒有較大的波動，從而保證了芯輥的壽命。由圖8所示的金屬流動矢量可知，采用優(yōu)化后的坯料和芯輥，在軋制過程中金屬流動均勻，有利于軋制的平穩(wěn)進行。

圖3 圓柱形芯輥 Figure 3 Cylindrical core roller

圖4 半球截面芯輥尺寸圖Figure 4 The dimension diagram of hemisphere cross section core roller

利用DEFORM-3D軟件的后處理功能中的點追蹤功能，在鍛件內(nèi)部球截面過渡處取三點：P1、P2、P3。圖9分別給出了三點處的變形程度、等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和金屬流向曲線。由圖9可知，鍛件在輾軋過程中變形均勻、應(yīng)力分布均勻、金屬流向均勻。

因此，根據(jù)模擬結(jié)果可以得出：圓柱形芯輥預(yù)擴孔+半球截面芯輥輾擴成形工藝在理論上是行之有效的。

3.3 生產(chǎn)實踐

應(yīng)用上述芯輥和碾軋工藝進行了生產(chǎn)驗證。生產(chǎn)實踐證實，上述工藝成功是合理的，已成功生產(chǎn)出了高質(zhì)量的鍛件。

圖5 模擬模型圖 圖6 半球截面芯輥進給速度

圖7 載荷曲線 圖8 金屬流動矢量圖

(a) 變形程度曲線 (b)等效應(yīng)變曲線(C) 等效應(yīng)力曲線 (d)金屬流向曲線圖9 點追蹤曲線Figure 9 Point tracking curve

4 結(jié)語

(1)半球截面軸承套鍛件通過圓柱形芯輥預(yù)擴孔+半球截面芯輥輾擴成形工藝一次成形，不僅成形尺寸精度高，鍛件缺陷少，而且提高了鍛件的力學(xué)性能，節(jié)省了原料。

(2)預(yù)擴孔時，應(yīng)控制圓柱形芯輥的進給速度，確保軋制的平穩(wěn)性，從而保證鍛件的圓整度，減少拉料等缺陷。半球截面芯輥輾擴成形時，進給速度與時間成臺階狀，有利于咬合，軋制平穩(wěn)，成形尺寸精度高。

(3)采用DEFORM-3D軟件對輾軋過程進行數(shù)值模擬，比較準(zhǔn)確的反映出了輾軋過程中載荷、變形、應(yīng)力、金屬流動取向等問題，給實際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

[1] 田民，時大方，李新東.兩種精密冷輾機床及工藝分析[J].軸承，2000(5):24-26.

[2] HUA Lin，MEI Xuesong，WU Xutong. Vibration and control in rolling process[J].Transactions Nonferrous Metals Society of China，1999，9(2):213-217.