小型軸承套圈溫擠壓工藝及模具設(shè)計

朱景峰，李明濱，慕松，王燕昌

(寧夏大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.新能源研究中心，銀川 750021)

軸承套圈毛坯質(zhì)量和生產(chǎn)效率對軸承產(chǎn)品的質(zhì)量、性能和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有較大影響。這是因?yàn)槊鞯牧袅繘Q定軸承材料的利用率，毛坯尺寸分散度和幾何精度決定毛坯質(zhì)量，從而影響車、磨加工精度和效率。目前，先進(jìn)的套圈毛坯鍛造工藝有冷輾擴(kuò)、冷擠壓、溫擠壓和高速鐓鍛等[1]。

溫擠壓成形技術(shù)是在冷擠壓塑性成形基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種少無切削新工藝，又稱溫?zé)釘D壓。擠壓前先對毛坯進(jìn)行加熱，但其加熱溫度通常是在室溫以上、完全結(jié)晶溫度以下的范圍內(nèi)[2]。對溫擠壓的溫度范圍目前還沒有一個嚴(yán)格的規(guī)定。有時把毛坯加熱變形后具有冷作硬化的變形稱為溫變形，或者將加熱溫度低于熱鍛終鍛溫度的變形稱為溫變形。從金屬學(xué)觀點(diǎn)來看，區(qū)分冷、熱加工可根據(jù)金屬塑性變形后有無加工硬化現(xiàn)象來決定似乎更合理[3]。

基于傳統(tǒng)模具制造技術(shù)的小型軸承套圈生產(chǎn)嚴(yán)重制約了發(fā)展速度。數(shù)值模擬仿真技術(shù)將為模具設(shè)計的結(jié)果提供更為有效的驗(yàn)證，有利于指導(dǎo)模具設(shè)計與生產(chǎn)，降低成本，減少試模和修模次數(shù)，縮短模具產(chǎn)品的開發(fā)周期。

1 溫擠壓工藝方案

以6203軸承套圈為例，其溫擠壓成形工藝如圖1所示。首先采用精密下料方法得到原始坯料，并將其鐓粗；將鐓粗件加熱至(700±20) ℃進(jìn)行復(fù)合溫擠壓，得到擠壓件；采用復(fù)合沖裁模對擠壓件進(jìn)行第1次分離，得到外圈坯料、中間工藝廢料和含有內(nèi)圈坯料的中間沖裁件；最后再對中間沖裁件進(jìn)行第2次分離，得到廢料和內(nèi)圈坯料。

圖1 6203套圈溫擠壓工藝流程圖

2 溫擠壓成形工藝參數(shù)的確定

2.1 套圈下料坯料尺寸

由文獻(xiàn)[4]可得，6203軸承外、內(nèi)圈的鍛件尺寸分別如圖2、圖3所示。

圖2 外圈鍛件圖 圖3 內(nèi)圈鍛件圖

根據(jù)冷擠壓前、后體積不變條件及考慮冷擠壓后必要的切削余量而給予修正的原則[4]，確定坯料體積為

V坯=(V件+V修)(1+δ),

(1)

式中:V坯為坯料體積，mm3；V件為冷擠壓件體積，mm3；V修為修正余量(一般為冷擠壓件體積的3%～5%)，對于6203軸承套圈取3%，mm3；δ為金屬加熱損耗率(根據(jù)加熱方式選擇為1%)。

坯料體積確定后，其高度為

(2)

式中：A0為坯料的橫截面積，mm2。

坯料直徑為

(3)

式中：D0為室溫下的坯料直徑,mm；D為溫擠壓凹模模腔直徑，反算后為40.5 mm；α為坯料鋼材的線脹系數(shù)，對于軸承鋼為11×10-6℃-1；K為坯料鋼材的直徑公差(±0.2 mm)。

坯料加熱后的直徑為

Dt=D0(1+αt)，

(4)

式中：Dt為加熱后的坯料直徑，mm；t為坯料與室溫的溫差(700 ℃)。

對于GCr15鋼制套圈，既要考慮冷剪切下料的方便，還要考慮鐓粗變形時的極限變形程度，根據(jù)這一設(shè)計原則，經(jīng)所需的體積計算和工藝試驗(yàn)，選定下料尺寸為φ24 mm×23 mm。

確定坯料直徑時要考慮放入模具的方便性，如擠壓坯料直徑一般取比凹模尺寸小0.1～0.2 mm。經(jīng)計算可得擠壓坯料尺寸為φ40 mm×9 mm。

2.2 許用變形程度驗(yàn)算

由文獻(xiàn)[3]可得GCr15鋼的冷鐓粗許用變形程度εA為65%～70%。根據(jù)6203套圈坯料尺寸，計算許用變形為

(5)

式中：H0為擠壓件高度，23 mm；H1為坯料高度，9 mm。

溫擠壓過程中，斷面收縮率為

(6)

A0=π×402/4=1 256 (mm2)，

A1=π×(33.22+16.22-23.62)/4=

634.06 (mm2),

式中：A1為擠壓變形后工件的橫截面積。

由文獻(xiàn)[3]可知，軸承套圈可以進(jìn)行溫擠壓成形工藝。

2.3 溫擠壓溫度

根據(jù)GCr15鋼溫擠壓成形的力學(xué)特點(diǎn)，擠壓溫度一般選為(700±20)℃，在此溫度區(qū)間擠壓時，材料塑性指標(biāo)較高，單位擠壓力較小，擠壓件可保持表面光滑，無新的脫碳層出現(xiàn)，變形后原材料脫碳有變薄趨勢[5]。

2.4 擠壓力

擠壓力是設(shè)計模具、選擇模具材料和擠壓設(shè)備噸位的依據(jù)。溫擠壓力受加熱溫度、材料性能、擠壓件形狀、變形方式(正擠壓、反擠壓、復(fù)合擠壓等)、變形程度、潤滑劑種類及潤滑狀態(tài)和模具結(jié)構(gòu)等影響[6]。

由文獻(xiàn)[3]可得，GCr15鋼溫擠壓時擠壓應(yīng)力P=1 177 MPa，總擠壓力為

P總=FP=1 013.22 (kN)，

(7)

F=(π×33.22)/4=865.26 (mm2)，

式中：F為凸模截面面積，mm2。

溫擠壓工藝可以在專用的擠壓壓力機(jī)、通用壓力機(jī)、通用曲柄壓力機(jī)或摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)擠壓件的批量、品種不同選用相應(yīng)的設(shè)備。根據(jù)6203軸承套圈坯料總擠壓力、擠壓所需行程、模具的開模合模高度、工作臺的尺寸等選取J31-250型閉式單點(diǎn)壓力機(jī)，并選用雙導(dǎo)柱滑動導(dǎo)向模架。

3 溫擠壓模具的設(shè)計

設(shè)計的6203軸承套圈溫擠壓模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—模柄；2—上模座；3—導(dǎo)套；4—上凸模固定板；5—螺釘M8×35；6—上壓料卸料板；7—凹模；8—預(yù)應(yīng)力圈；9—預(yù)應(yīng)力組合凹模座；10—下壓料卸料板；11—下凸模固定板；12—下墊板；13—下模座；14—導(dǎo)柱；15—螺釘M16×140；16—螺釘M8×80；17—彈性元件；18—導(dǎo)桿；19—下凸模；20—上凸模；21—螺釘M16×100；22—上墊板；23—螺釘M6×45

為提高凹模強(qiáng)度，避免產(chǎn)生縱向裂紋，生產(chǎn)中普遍使用預(yù)應(yīng)力組合凹模。將凹模分層，使外層(壓套)與內(nèi)層(凹模)過盈配合，并對內(nèi)層產(chǎn)生預(yù)加壓力的組合式凹模結(jié)構(gòu)稱為預(yù)應(yīng)力組合凹模，簡稱組合凹模。組合凹模通過壓套對內(nèi)圈施加預(yù)應(yīng)力，使冷擠壓所引起的切向拉應(yīng)力被預(yù)壓時產(chǎn)生的切向壓應(yīng)力部分或全部抵消，從而提高了模具的強(qiáng)度。通常，3層組合凹模的強(qiáng)度是整體式凹模強(qiáng)度的1.8倍，2層組合凹模的強(qiáng)度是整體式凹模的1.3倍[7-9]。組合凹模和上凸模結(jié)構(gòu)尺寸如圖5、圖6所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力組合凹模結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖6 上凸模結(jié)構(gòu)尺寸圖

在200～400 ℃溫擠壓時，可選用與冷擠壓相同的模具材料，如Cr12MoV或高速鋼W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2，6W6Mo5Cr4等。Cr12MoV作為冷擠壓模具鋼，具有強(qiáng)度高、耐磨性好的特點(diǎn)，但在400～500 ℃以上溫擠壓時，其力學(xué)性能急劇下降，特別是高溫耐磨性下降更快，因此不能作為溫擠壓模具使用。熱作模具鋼3Cr2W8，5CrNiMo，5CrMnMo等作為溫擠壓模具材料時強(qiáng)度不高，高溫耐磨性也較差，但韌性好，在700～850 ℃進(jìn)行溫擠壓時，如單位擠壓力不超過1 100 MPa，其可以選作溫擠壓模具材料。當(dāng)單位擠壓力超過1 100 MPa，擠壓溫度超過850 ℃時，可選用W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2和6W6Mo5Cr4等高速鋼。這類鋼的回火溫度較高，在高溫下具有較高的硬度和耐磨性，但在溫擠壓時應(yīng)注意模具預(yù)熱和連續(xù)冷卻，避免急冷、急熱造成模具的開裂。綜合小型軸承套圈溫擠壓所需的溫度以及單位擠壓力等因素，選用W18Cr4V作為溫擠壓模具材料。

4 DEFORM 模擬處理分析

DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，專門用于金屬塑性成形和熱處理工藝的分析。通過在計算機(jī)上模擬整個加工過程，可減少昂貴的現(xiàn)場試驗(yàn)費(fèi)用，提高工模具設(shè)計效率，降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期?？梢苑治隼洹?、熱鍛的成形及熱傳導(dǎo)耦合液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形；繪制機(jī)械壓力成形溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等值線；模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程；預(yù)測硬度、晶粒組織成分和含碳量[10]。

4.1 三維CAD文件的系統(tǒng)導(dǎo)入

將坯料、上凸模、凹模和下凸模的三維實(shí)體在Solidworks中裝配在一條軸線上，并使坯料上下表面分別與上、下凸模以及凹模接觸，存儲為.stl格式，導(dǎo)入DEFORM軟件。

4.2 坯料的網(wǎng)格劃分

將坯料的網(wǎng)格數(shù)設(shè)置為40 000，預(yù)覽合適后，形成網(wǎng)格，并檢查網(wǎng)格劃分是否成功。

4.3 材料的選擇

選擇要設(shè)置的工件，打開“Material Library”設(shè)置材料類型。坯料的材料選為軸承鋼AISI-52100；上凸模、凹模和下凸模材料均選為Die-Material下的AISI-L6，COLD。

4.4 模擬參數(shù)的設(shè)定

在模擬控制步選單中設(shè)置模擬步數(shù)，分析求解過程的總步數(shù)，并設(shè)置存儲數(shù)據(jù)的間隔步數(shù)，數(shù)值越小，系統(tǒng)將存儲越多的步驟相關(guān)信息。步長選模型中較小單元邊長的1/3。

4.5 數(shù)據(jù)庫的生成

當(dāng)模擬信息在前處理中設(shè)置完成后，執(zhí)行“database”命令生成數(shù)據(jù)庫對話框，選擇“check”檢查模擬設(shè)定的信息是否滿足數(shù)據(jù)庫生成的條件，如果系統(tǒng)提示“database can be generated”,則表示滿足數(shù)據(jù)庫生成的條件，繼續(xù)執(zhí)行“generate”命令，生成數(shù)據(jù)庫。

4.6 擠壓過程運(yùn)算

真正的有限元分析過程在模擬處理器中完成，DEFORM運(yùn)行時，首先通過有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)關(guān)系和邊界條件轉(zhuǎn)化為非線性方程組，然后通過直接迭代法和Newton-Raphson法進(jìn)行求解，結(jié)果以二進(jìn)制的形式進(jìn)行保存，用戶可在后處理器中獲取所需要的結(jié)果。

4.7 擠壓結(jié)果的應(yīng)力分布

在DEFORM界面上單擊Post Processor→DEFORM 3D Post，進(jìn)入后處理界面,觀察“Strain-Effective”。第51步時觀察到的擠壓件整體應(yīng)力分布和擠壓件沿對稱軸所在平面剖開時的應(yīng)力分布分別如圖7、圖8所示。

圖7 整體應(yīng)力分布圖

圖8 剖面應(yīng)力分布圖

4.8 三點(diǎn)破壞程度圖

分別在擠壓件的外圈表面、內(nèi)圈表面和內(nèi)外圈連接處表面上各取1點(diǎn)，這3點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：(71.77,78.81,60.44)、(81.84,88.08,60.16)、(64.86,77.32，58.67)。這3點(diǎn)在擠壓過程中的損傷分布和點(diǎn)追蹤損傷曲線分別如圖9和圖10所示。由圖可知，該3點(diǎn)的損傷程度都在安全范圍之內(nèi)。

圖9 3點(diǎn)損傷圖

圖10 點(diǎn)追蹤損傷曲線

5 結(jié)束語

通過對小型軸承套圈溫擠壓成形工藝過程、成形性能及其工藝設(shè)計進(jìn)行理論分析和計算，實(shí)現(xiàn)了小型軸承套圈溫擠壓模具的設(shè)計，并借助DEFORM軟件完成了軸承套圈復(fù)合溫擠壓成形工藝過程的模擬。通過對模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，坯料在塑性擠壓成形過程中，金屬的應(yīng)力分布均在安全范圍內(nèi)，未出現(xiàn)局部應(yīng)力過大、坯料破裂的現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了設(shè)計的小型軸承套圈溫擠壓模具的適用性。