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(nèi)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(dǎo)了變形區(qū)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(shù)值模擬。對熱軋管應(yīng)用滾珠內(nèi)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(nèi)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(yīng)用滾珠內(nèi)旋壓方法加工軸承套圈內(nèi)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(yīng)力應(yīng)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(jié)點Solid 164單元；軸承外圈軸向截面兩側(cè)節(jié)點施加垂直截面的約束，滾珠以角速度ω1＝1rad/s旋轉(zhuǎn)；當滾珠第一次旋壓深度1mm結(jié)束后，采用重啟動設(shè)置，二次旋壓將滾珠旋壓深度設(shè)置為0.75mm；為了減少計算量，滾珠采用剛體設(shè)置；為了避免沙漏和負體積，不采用質(zhì)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(shù)見表2。

圖1 劃分網(wǎng)格后的有限元模型

表2 模型幾何參數(shù)

2 有限元模擬分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

圖2為兩次旋壓時管件的應(yīng)力和應(yīng)變云圖。由圖2可以看出：最大米塞斯應(yīng)力為527.4MPa，位于溝槽的兩側(cè)，應(yīng)力在整個溝槽成形過程中分布不均勻；最大塑性應(yīng)變?yōu)?.572，位于溝槽的底部，整個成型過程中，應(yīng)變最大值區(qū)域集中在溝槽底端，溝槽兩側(cè)應(yīng)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(cè)流動，形成凸起狀態(tài)，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(nèi)，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(wěn)定旋壓狀態(tài)，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?yōu)?；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?yōu)?。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(yīng)力和應(yīng)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(shè)計的旋壓深度值吻合良好。

3 結(jié)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(yīng)力應(yīng)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(shè)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(xù)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(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)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.