基于Deform的軸承鋼球冷鐓工藝的優(yōu)化設計

張世偉

摘 要：目前的鋼球冷鐓工藝生產具有較低的材料利用率、較大的兩極以及鋼球環(huán)帶等一系列的問題，這樣除了使后續(xù)的加工時間變得更長之外，還導致了非常嚴重的浪費現(xiàn)象。為了能夠有效地控制球坯余量，并且實現(xiàn)提升生產效率和節(jié)約材料的目的，本文研究了錐鼓形球坯冷鐓工藝，并且將一系列的評價指標建立了起來，最終將合理的球坯工藝參數得出。

關鍵詞：Deform；冷鐓模具；正交試驗

中圖分類號： F407.42 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）32-172-2

0 引言

作為球軸承的關鍵零件，鋼球的質量會對軸承的使用性能產生極大影響。在鋼球生產中冷鐓屬于一個關鍵的步驟，其會對后續(xù)加工產生直接影響?，F(xiàn)階段國外主要采用生產試驗的方式進行鋼球球坯參數研究，很少從塑性理論方面出發(fā)進行研究。我國之前在球坯外形方面大多都是采用球形球坯，而錐鼓型球坯則在國外得到了廣泛的應用，這是由于錐鼓形球坯在成形的時候更加簡單，而且金屬也更加容易流動，縮小了兩級和環(huán)帶，并且能夠有效地降低后續(xù)銼削去環(huán)帶的時間。本文選擇錐鼓形球坯，在對正交試驗進行設計并且對Deform軟件仿真進行應用之后，最終將比較合理的球坯參數得出。采用這種球坯參數除了能夠使鋼球冷鐓質量得以提升之外，還可以將大量的材料節(jié)約下來，有效地控制各項生產成本。

1 冷鐓球坯成形的工藝分析

由于生產條件、鋼球等級和毛坯材料的形狀的差異，因此在制造鋼球的工藝方面也存在著差異，但是其具有基本相同的工藝路線，詳情見圖1。

錐鼓形鋼球冷鐓成形的過程中具有兩極先出、環(huán)帶后出的特點。沖模有孔是出現(xiàn)兩極的原因，而這些孔主要是為了在加工和裝推桿的過程中排氣，避免沖模無法將金屬充滿。之所以會形成環(huán)帶，最為主要的原因就是要將多余的體積擠出，并且避免兩沖模出現(xiàn)直接碰撞的問題[1]。通過塑性變形理論分析，我們可以發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)塑性變形的時候金屬會沿著具有最小阻力的方向流動。由于環(huán)帶處的阻力與其他部位阻力相比遠遠要低，因此金屬首先會向環(huán)帶處流動，從而形成環(huán)帶。在兩沖模端面間距值不斷減小的同時，環(huán)帶金屬向外流動的阻力會變得越來越大。在該阻力大于金屬向鋼球兩極流動阻力的一刻，金屬就會充滿球坯。

2 球坯的理論計算分析

2.1 對球坯體積進行計算

在公式中，球坯直徑用Dw來表示，環(huán)帶高度用A來表示，環(huán)帶厚度用K來表示，球坯錐角用β來表示，α+β=90o

在已知α的情況下，通過公式（2）就能夠將M的值計算出來。

2.2 計算棒料直徑

通常通過剪切的方式獲得冷鐓用的棒料，假設d是棒料的直徑，L為切料的長度，λ=L/d為錐鼓形球坯的壓縮比，以變形前后體積不變的原理為根據

3 設計正交試驗

選擇正交試驗的最為主要的目的就是因為正交試驗本身具有非常優(yōu)良的整齊可比性和均衡分散性，正交實驗設計的試驗點的代表性也非常強，能夠通過較少的試驗次數將不同因素的對試驗指標的影響規(guī)律和主次順序等分析出來，最終能夠得到比較滿意的試驗結果。在優(yōu)化模具的時候，首先要對有無減小兩極尺寸的可能進行考慮，可以通過角度的方式對兩極的直徑進行調整，利用不同的角度將不同的極直徑得出，而且還可以對材料體積、冷鐓力和塑性變形等受到的模具的影響予以兼顧。對球坯外形因素具有影響的參數包括很多種，其中主要是K、A、λβ等。相關資料表明，λ=2.2-2.4。通過對球形球坯的工藝參數進行參考，最終設定K=0.1-0.4。利用公式3就能夠將球坯的最大體積范圍計算出來，也就是在312.5-306mm3的范圍之內。共設計了4個水平和試驗因素。

4 建模及仿真研究

作為一個高度集成化和模塊化的有限元模擬系統(tǒng)，商用軟件Deform主要包括三個大模塊，也就是前處理器、后處理器和模擬器。前處理器主要是負責坯料和模具的幾何信息、材料信息的輸入、成型條件的輸入等，同時將邊界條件建立起來，其還配備有有限元網格自動生成器。作為一種有限元求解器，模擬器具備熱傳導、剛塑性、彈塑性和彈性等一系列的功能，而后處理器則可以確保模擬結果實現(xiàn)可視化，并且還可以對OPGL圖形模式進行支持，將用戶需要的各種模擬數據輸出出去。Deform支持用戶操作自己的數據庫，并且修改系統(tǒng)的設置，對自己的材料模型等進行定義。首先可以通過三維軟件CATIA將棒料和上下模的三維模型建立起來，*.stl文件為導出擴展名，并且利用Deform將上述的模型導出。隨后采用擴展名對棒料材料進行定義，劃分棒料網格，使其成為5萬個。上模具有50mm·s-1的運動速度，0.035mm的最小步長，將停止距離設置成環(huán)帶厚度K。

5 球坯參數的確定和冷鐓力的比較

5.1 建立評價標準

通過對生產實踐和后續(xù)工序受到的球坯的影響的研究，將評價體系提出來。通過正交試驗能夠將以下評價體系得出：首先，飽滿度：所謂的飽滿度主要是指冷鐓球坯的兩極必須要明顯，其主要是對材料是否充滿模具進行評價。其次，體積：其主要的評價內容就是節(jié)省材料，減少體積，并且減少環(huán)帶體積，從而進一步縮短后續(xù)的光磨時間。再次，冷鐓力：通過對體積、壓縮比和兩極大小進行改善的方式降低冷鐓力，并且使模具的壽命得以進一步提升。最后，圓度：為了確保在厚度的光磨工藝中更加方便地進行磨削，這時候需要使鋼球毛坯具有相近的三向尺寸。所以，在這里將一個圓度的概念提了出來，利用圓度就能夠對鋼球毛坯的三向尺寸進行有效的評價。

5.2 確定參數

通過觀察發(fā)現(xiàn)，在某些冷鐓球坯的試驗品種不存在著明顯的環(huán)帶和兩極，也就是說其并未完全填充滿，所以無法達到工藝要求。采用圓度分析的方式對其他試驗進行分析，從而將不同試驗的圓度情況定量的得到。通過對試驗的冷鐓力進行分析，可以發(fā)現(xiàn)其中有一些試驗品具有比較小的冷鐓力，再加上對前面圓度的考慮，最終確定最為理想的為1.62×105N的冷鐓力。

5.3 冷鐓力的比較

通過對錐鼓形實物球坯和錐鼓形球坯仿真結果進行比較，結果發(fā)現(xiàn)，錐鼓形實物球坯和錐鼓形球坯仿真結果兩者基本上具有吻合的外形。這一結果證實，Deform仿真與實際情況比較符合，冷鐓力在經過優(yōu)化之后可以達到1.62×105N，具有35%的下降幅度。因此在優(yōu)化之后使得模具的受力得以減小。

6 結語

通過仿真分析和正交試驗分析的方式，選擇科學合理的評價指標比較不同的球坯試驗品，最終得出最佳的球坯試驗品工藝參數。與原來的球坯相比，優(yōu)化后的球坯在各方面均實現(xiàn)了較大的提升，根據最佳球坯試驗品工藝參數將相應模具的主要尺寸設計出來，能夠對我國的軸承鋼球冷鐓工藝的優(yōu)化具有一定的借鑒作用。

參 考 文 獻

[1] 魏敏，郭偉.基于Deform的鋁合金管熱彎曲成形的仿真與試驗研究[J].鑄造技術，2016（05）.

[2] 邵燃，徐看.基于Deform-3D的葉片模鍛模具設計研究[J].熱加工工藝，2014（05）.