基于ANSYS Workbench的滾壓工藝參數分析

賀 俊，錢 怡，李樹方，陳江峰

(1. 江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122； 2. 無錫億利大機械有限公司，江蘇 無錫 214142)

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基于ANSYS Workbench的滾壓工藝參數分析

賀 俊1，錢 怡1，李樹方2，陳江峰2

(1. 江南大學 機械工程學院，江蘇 無錫 214122； 2. 無錫億利大機械有限公司，江蘇 無錫 214142)

為了研究滾壓工藝參數對液壓缸內孔表面加工精度的影響，文章根據實際生產建立了比較合理的液壓缸滾壓加工簡化模型，基于ANSYS Workbench對建立的簡化模型進行了主要工藝參數的有限元模擬分析。通過分析比較，指出過盈量是影響滾壓加工效果的最主要因素。同時討論了在過盈量一定時，進給量和滾壓速度對加工精度的影響。并對液壓缸厚度問題進行了有限元模擬分析，分析表明，液壓缸厚度對滾壓精度也存在一定的影響，并且過厚的液壓缸會造成材料的浪費。該研究為滾壓加工的實際生產應用提供了有價值參考。

液壓缸；滾壓加工；ANSYS Workbench；有限元模擬

0 引言

進入21世紀，面對制造業(yè)的快速發(fā)展，對生產加工中零部件的質量要求也越來越高，傳統(tǒng)的加工方法不再符合現(xiàn)代化的加工要求。液壓缸內孔表面的加工精度要求非常高，在鏜床上經過鏜孔—滾壓加工后，能夠得到比較低的表面粗糙度，符合現(xiàn)代化生產要求[1]。近年來，國內外學者在滾壓加工方面做出大量的研究工作，也取得了豐富的研究成果，但大部分都僅僅局限于實驗分析，理論分析相對較少[2-3]。雖然也做了一些有限元分析，但是建立的有限元模型都是從缸體的角度出發(fā)，而忽略了滾子自身運動的所帶來的影響[4-6]，并且在參數中沒有涉及到厚度的影響。

本文在充分考慮了滾柱滾子自轉并且圍繞液壓缸內孔表面公轉的實際情況下，建立了更加精確的滾壓模型，再基于ANSYS Workbench有限元軟件，對液壓缸內孔表面的滾壓加工進行有限元仿真計算，分析了加工工藝參數對滾壓加工后液壓缸內孔表面變形與應力的影響，為實際生產加工提供了重要依據。

1 簡化模型

液壓缸內孔表面的滾壓加工，滾壓加工元件一般為4～10個滾珠或滾柱，本文以6個滾柱型滾壓器作研究。

滾壓加工中，滾壓刀頭的結構十分復雜，通過分析研究，忽略滾壓頭中并不干擾模擬結果精度的一部分零件(如滾壓頭的內部結構)，這樣就能將滾壓頭進行簡化。不僅使建模變得簡單，在進行有限元分析時，也可以大大減少工作量和時間成本。在滾壓加工時，只有滾壓元件滾柱與液壓缸內孔表面相接觸，所以在做有限元模擬時，可以將滾壓頭簡化成多個圓柱體。液壓缸缸體整體固定在鏜床上，相對地面保持靜止，可以將液壓缸直接簡化成一個大的圓柱體。有研究者以此認為，可以將整體簡化成一個滾動體在大圓柱面上做往復擺動[7]，但是作者并沒有考慮到往復擺動與實際生產加工并不相同，往復運動可能會造成模擬分析的不精準。為了更加貼近實際加工，得到如圖1所示的加工簡圖。

圖1 加工簡圖

2 有限元建模

Workbench 進行有限元分析時， 需建立一個準確的材料參數與工件尺寸，本文采用的液壓缸材料是經過調質處理的45#鋼，液壓缸的內徑為165mm，外徑為205mm。由于45#鋼經過調質處理，沒有明顯的屈服階段，將產生0.2%塑性應變的的應力作為屈服指標，即σs=σ0.2。選用材料為GCr15、直徑為20mm、長度為30mm的滾柱。各材料性能如表1所示[8]。

表1 材料性能

3 網格劃分

網格劃分方法是影響有限元計算精度的重要因素之一。進行網格劃分時， 一般采用四面體網格，四面體網格的單元數和節(jié)點數都比六面體網絡多，但是，四面體網格單元不能排列在同一個方向。由于幾何和單元性能的非均質性，不適用于環(huán)狀體。六面體網格更能迎合流場流向，且比四面體網格離散誤差要小。因為液壓缸實體模型為圓柱體，所以對液壓缸滾壓進行有限元分析時，將網格劃分為六面體網格(圖略)。整個有限元模型共有107181個節(jié)點和23427個單元。通過網格質量檢查項Skewness查看可知，本網格單元質量平均值為0.208，最小為5.79×10-3，最大為0.83，說明網格的質量非常好。

4 工藝參數的有限元分析

研究表明，不同的工藝參數對滾壓加工后的液壓缸精度會產生一定的影響[9]。但是目前大部分都僅僅只是從某單一類型的零部件進行實驗分析，不僅浪費時間，而且代價高昂。已有的限元模擬分析研究卻鮮有對工藝參數進行討論。本文通過有限元對各滾壓參數進行模擬計算，節(jié)省了大量的實驗成本。

4.1 過盈量對滾壓加工的影響

滾壓過盈量的大小對滾壓加工的質量起著至關重要的作用。當過盈量很小時，滾壓力小于屈服極限σs，液壓缸內孔表面僅產生彈性變形，達不到減少表面粗糙度的目的。隨著過盈量的增加，滾壓力也隨之增大，當滾壓力處于屈服極限σs與強度極限σb之間時，液壓缸內孔表面彈塑性變形共存。若過盈量過大，以致工件表面局部應力大于強度極限σb，液壓缸內孔表面開始出現(xiàn)脫皮、壓潰現(xiàn)象，表面被破壞。所以，合適的過盈量是提高加工精度的關鍵。

本文對上述液壓缸進行了三種過盈量(0.14mm、0.18mm、0.22mm)進行有限元分析。當過盈量為0.22mm時，等效應力為773.3MPa略低于45#鋼的拉壓極限，此時若繼續(xù)增大過盈量，液壓缸內表面將會因為滾壓力過大而使表面遭到破壞。圖2給出了不同過盈量下滾壓加工的等效應力云圖，從等效應力云圖中我們可以知道，隨著過盈量的增大，等效應力隨之增大，等效應力越大，加工效果越好。

(a)過盈量為0.14mm (b)過盈量為0.18mm (c)過盈量為0.22mm

4.2 滾壓速度對滾壓加工的影響

滾壓速度一直是滾壓加工中比較有爭議的參數。從現(xiàn)有的研究結果看，一種觀念認為，滾壓速度實際上對滾壓表面的精度無多大影響，滾壓速度對滾壓表面強化效果的影響也不大，從而對速度的研究顯得沒有必要[10]。另一種觀念認為，滾壓速度太高，容易產生震動，影響加工精度[11]。也有研究人員通過研究得出：較低的滾壓速度有利于殘余應力均勻分布[4]。那么研究滾壓速度是否對滾壓加工后表面質量產生影響就顯得很有必要。

本文通過相同過盈量和進給量但滾壓速度不同(120r/min、160r/min、220r/min)的有限元分析，探索滾壓加工速度是否對液壓缸內孔表面精度產生影響，其結果如圖3所示。由圖3可知，過盈量和進給量相同，滾壓速度不同時，加工后的表面殘余應力并沒有明顯增大或減小的趨勢。因此，在過盈量相同時，在不引起加工設備的振動前提下，一定范圍內速度大小的變化,并不對滾壓加工產生太大影響。

4.3 進給量對滾壓加工的影響

進給量是滾壓加工中的又一重要參數。進給量的大小一般要根據滾壓刀頭上切削刀頭的切削量來給定，在切削量一定時，進給量增大，會使?jié)L壓頭軸向速度增大，減少加工時間，但是較大的進給量會產生較大的摩擦熱而使溫度升高引起潤滑失效，致使內孔表面與滾柱相互粘連而發(fā)生膠合破壞。進給量過小，加工效率會隨之降低，不利于實際生產。滾壓進給量對加工后殘余應力的影響如圖4所示，當過盈量與滾壓速度相同而進給量不同時，隨著進給量的增加，應力應變呈增大趨勢。這是因為，進給量越小，軸向速度越小，單位時間內滾柱滾壓內孔表面越充分。綜上可知，過盈量是影響加工精度的關鍵，而過快的進給量對提高加工精度不利。

圖3 不同滾壓速度下的等效應力

圖4 不同進給量下的等效應力

4.4 液壓缸厚度與滾壓加工工藝參數之間的關系

由于液壓缸的材料是彈塑性體，所以在滾壓加工時，不同厚度的液壓缸會因為材料的彈塑性變形而影響加工精度。如圖5a所示，在工藝參數確定的情況下，隨著液壓缸厚度的增加，徑向方向的塑性變形逐漸加大，當液壓缸厚度在205mm左右時，滾壓加工造成的塑性變形量達到最大值，進一步增加液壓缸厚度，塑性變形基本保持不變。這是因為液壓缸較薄時，彈性變形相對較大，液壓缸加工部位向外膨脹，從而減小了塑性變形量，隨著液壓缸厚度的增加，向外膨脹變得越來越困難，但是過盈量不變，所以塑性變形逐漸增加。當進一步增加液壓缸厚度時，由于液壓缸外部相當于是剛體，既不發(fā)生彈性變形也不會發(fā)生塑性變形，此時增加液壓缸的厚度，只相當于增加了液壓缸外部的剛性部分，對加工時的彈塑性變形并不產生影響。但是，隨著液壓缸厚度的增加，等效塑性應變卻是先增加再減小，如圖5b所示。這是因為等效塑性變形屬于綜合變量，不僅跟徑向方向的塑性變形量有關，同時跟切向方向的塑性變形量以及液壓缸的厚度有關。在液壓缸厚度超過205mm時，隨著液壓缸厚度的增加，液壓缸向外膨脹變得困難，而實際過盈量不變，此時滾柱對液壓缸表面的壓痕較深，接觸面積增大，切向方向金屬流動性差，所以等效塑性變形呈下降趨勢。

當液壓缸厚度較小時，易引起液壓缸加工局部區(qū)域的彎曲，從而使塑性變形較小，同時容易造成圓度、圓柱度誤差較大，從而影響加工精度。液壓缸較厚時，不僅浪費原材料，增加生產成本，而且易使?jié)L柱與液壓缸內孔由于過大的摩擦力而發(fā)生表面膠合，造成加工失敗。綜合圖5a、圖5b，在液壓缸內徑為165mm時，液壓缸外徑選擇205mm左右比較合適。

圖5 液壓缸厚度的影響

5 結論

通過有限元模擬分析可知：

(1)過盈量對滾壓效果存在著很明顯的影響，在一定范圍內，隨著過盈量的增加,等效壓力越來越大，但在過盈量超過臨界值時，隨著過盈量的增加，零件部表面反而會遭到破壞而使加工精度降低。由圖2知道，在過盈量為0.22mm時，滾壓加工后效果最佳。

(2)進給量對滾壓加工精度有一定影響，過快的進給速度，導致單位時間內工件表面滾壓次數減少，因而塑性變形不夠充分。

(3)滾壓速度在一定的范圍內，基本不對滾壓效果產生影響，可以近似忽略不計。

(4)液壓缸厚度對滾壓加工中徑向塑性變形的影響十分明顯,在液壓缸厚度達到205mm左右時，徑向塑性變形量與等效塑性應變同時達到最大值，此時滾壓效果最好。

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(編輯 李秀敏)

The Analysis of Rolling Process Parameters Based on ANSYS Workbench

HE Jun1, QIAN Yi1, LI Shu-fang2, CHEN Jiang-feng2

(1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University, Wuxi Jiangsu 214122,China;2.Yilida Machinery Co., Ltd, Wuxi Jiangsu 214142, China)

In order to study the parameters on the accuracy of hydraulic cylinder bore surface, the reasonable simplified model of the hydraulic cylinder rolling processing was established by the actual production, based on ANSYS Workbench, the main process parameters of the simplified model were analyzed by finite element simulation. Through analysis and comparison, the interference played a major factor in the processing of the accuracy. On the other hand, the effects of feeding and rolling speed on accuracy in a certain amount of interference were discussed. Carried on the finite element simulation analysis of hydraulic cylinder thickness, too. The thickness of the hydraulic cylinder also has same effect on the accuracy of rolling were showed, too thick of the hydraulic cylinder will caused the waste of materials. The conclusion provides a valuable reference in the application for the actual production.

hydraulic cylinders; rolling processing;ANSYS Workbench; finite element simulation

1001-2265(2016)10-0137-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.036

2015-12-09；

2016-01-13

賀俊(1990—)，男，安徽安慶人，江南大學碩士研究生，研究方向是現(xiàn)代機械設計及制造，(E-mail)hj1196654105@163.com；通訊作者：錢怡(1962—)，女，江蘇無錫人，江南大學教授，研究方向為結構強度分析、結構和材料的疲勞分析及壽命評估，(E-mail)yi_qian@jiangnan.edu.cn。

TH506;TG162

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