雙列圓錐滾子軸承外側成形工藝方案的數值模擬

圓軸壓壓是一種承受大徑向力和單一方向軸向力的滾動軸承。它具有高耐載性和高可靠性。這是在機械、汽車、船舶等領域應用廣泛的關鍵旋轉支撐零件。軸承外圈具有高度和內徑大、中間壁厚大，兩端壁厚小的特點，截面形狀復雜，是一種典型的異形環件，如圖1所示。對于矩形截面環件，環坯形狀簡單，采用矩形環坯軋制成形，即可獲得合格的鍛件因此，本文針對軸承外圈鍛件，設計3種不同形狀的環坯，從而制定了3種成形方案。利用Simufact有限元軟件，對軸承外圈成形全過程進行了仿真分析，研究了3種形狀的環坯對軸承外圈成形效果的影響，揭示了3種形狀的環坯鍛造成形所需的載荷。在此基礎上，確定了軸承外圈最佳成形工藝方案，旨在為生產提供理論指導。1建模及其有限預算1.1成形環坯設計對于中小型軸承環而言，大多通過鍛造來獲得環坯，然后在軋環機上軋制成形，這是一種較先進而普遍的工藝。本文基于體積相等，形狀相似及截面積相等原則，設計了內雙錐度型環坯，如圖2(a）所示；基于體積相等，考慮金屬體積合理分配，設計了外雙錐度型環坯，如圖2(b）所示；基于體積相等，考慮制坯方便性及金屬體積合理分配，設計了外單錐度型環坯，如圖2(c）所示。因此，根據3種環坯的形狀特點，制定了3種軸承外圈鍛造工藝路線，即3種軸承外圈成形方案。方案1：采用內雙錐度型環坯，此環坯形狀與軸承外圈接近。根據體積相等原則，確定棒料尺寸為準120mm×194mm，通過中頻感應加熱，經過壓力機鐓粗、預鍛、終鍛和沖連皮后獲得環坯，然后軋制成形得到軸承外圈鍛件。方案2：采用外雙錐度型環坯，此環坯形狀較為復雜。根據體積相等原則，確定棒料尺寸為準120mm×218mm，通過中頻感應加熱，經過壓力機鐓粗、開式模鍛和沖切連皮飛邊獲得環坯，然后軋制成形獲得軸承外圈鍛件。方案3：采用外單錐度型環坯，此環坯形狀較為簡單。根據體積相等原則，確定棒料尺寸為準120mm×197.6mm，通過中頻感應加熱，經過壓力機鐓粗、成形、沖連皮和平高后獲得環坯，然后軋制成形得到軸承外圈鍛件。1.2工件材料及模具的設置圖3為不同成形方案下的各工步有限元模型。在模型中，工件材料選用GCr15軸承鋼，模具設置為剛體，模具材料選用H13模具鋼，忽略模具溫度變化及磨損；工件的始鍛溫度為1150℃，與環境的傳熱系數為50W/(m2綜合方案的結果和分析2.1環坯成形工藝對軸承系統結構的影響分析本文采用圓度誤差和關鍵幾何尺寸兩個工藝指標評價3種成形方案下的軸承外圈鍛件成形效果。圖4為3種成形方案下環件軋制得到的軸承外圈鍛件剖視圖。經過測量分析，得到3種成形方案下的軸承外圈圓度誤差數據，如表1所示。比較表1中的數據可知，方案1成形的軸承外圈圓度誤差最好，這主要因為環坯形狀與鍛件類似，金屬分配較為合理，軋制過程穩定；方案2成形的軸承外圈圓度誤差較差；方案3成形的軸承外圈圓度誤差較好。經過測量，獲得3種成形方案下軸承外圈的關鍵幾何尺寸數據，如表2所示。分析表2中的數據可知，與軸承外圈鍛件幾何尺寸相比，方案1獲得的軸承外圈在外徑、內徑、高度上存在的誤差值分別為1.96%、2.48%、0.36%；方案2獲得的軸承外圈在外徑、內徑、高度上存在的誤差值分別為1.32%、0.9%、0.12%；方案3獲得的軸承外圈在外徑、內徑、高度上存在的誤差值分別為1.54%、1.95%、0.06%。2.2模鍛工步及工步過程基本過程載荷-行程曲線對于方案1，在制坯階段，預鍛工步和終鍛工步所需載荷均較大。因此，本文針對該兩個工步開展分析。圖5為方案1中預鍛和終鍛工步的載荷-行程曲線圖。圖6(a）為方案1中預鍛工步金屬填充型腔過程。由圖5中預鍛和圖6(a）可知，在凸模與金屬剛接觸階段，載荷-行程曲線較為平緩，載荷緩慢增加，此時，在凸模壓力作用下，金屬主要沿徑向流動，填充凹模型腔，類似于鐓粗過程；在凸模下行約12.3mm時，載荷小幅度增加，此時，凹模型腔間隙填充過程基本結束，金屬沿軸向流動，填充由凸模與凹模組成的型腔。在凸模下行約54.4mm處，載荷-行程曲線斜率急劇增大，載荷大幅度增加，此時，由凸模和凹模組成的密閉型腔基本充填完成，由于金屬不可壓縮，導致載荷的大幅增加。圖6(b）為方案1中終鍛工步金屬填充型腔過程。由圖5可知，在預鍛成形終了階段，載荷出現最大值，其值為12899.8kN。在終鍛工步，載荷最大值為9759.67kN。對于方案2，在制坯階段，環坯所需載荷最大值出現在模鍛工步，因此本文只研究該工步即可。圖7為方案2模鍛工步載荷-行程曲線。圖8為方案2模鍛工步金屬填充型腔過程。由圖7、8可知，在凸模與金屬剛開始接觸階段時，載荷-行程曲線較為平緩，載荷較小。這主要是因為金屬沿徑向流動，使金屬與凹模內壁接觸，進而填充凹模。在凸模下行約35mm時，金屬徑向填充凹模型腔過程基本結束，在凸模的壓力下，金屬主要沿軸向自由流動，該過程類似反擠壓成形，此階段，載荷-行程曲線仍較為平緩，載荷緩慢增加。在凸模下行約95mm處，金屬與凸模側壁接觸，金屬沿軸向自由流動過程結束，開始填充凸模型腔，同時形成飛邊。此時，載荷-行程曲線斜率增大，載荷增長較快。在凹模下行約114.3mm處，凸模型腔充填基本完成，多余金屬沿徑向流動，形成飛邊。此時，載荷-行程曲線斜率急劇增大，載荷大幅增加，出現載荷最大值，其值為15203.8kN。對于方案3，在制坯階段，成形工步所需載荷較大，因此研究該工步的成形過程。圖9為成形方案3中成形工步載荷-行程曲線圖。圖10為方案3中成形工步金屬填充型腔過程。由圖9、10可知，在凸模與金屬剛接觸階段，載荷增加到一定值后，載荷-行程曲線較為平緩，緩慢增加。在該階段，金屬主要沿徑向流動，填充凹模型腔，類似鐓粗過程。在凸模下行約36.2mm處，載荷-行程曲線有一定程度的躍遷，然后趨于平緩。在行程117mm時，金屬徑向流動過程基本結束，由于受到模腔約束，金屬沿凹模側壁軸向流動，類似于反擠壓過程。隨著凸模下行距離的增加，金屬與凹模和凸模接觸面積增加，導致載荷逐漸增大。在成形終了，載荷達最大值為4244.4kN。2.3環坯鑄造成形所需載荷對比分析對比3種成形方案下軸承外圈軋制成形效果可知，從圓度誤差來說，方案1獲得的軸承外圈圓度誤差最好，方案2獲得的軸承外圈圓度誤差較差，方案3獲得的軸承外圈圓度誤差較好；從關鍵尺寸來說，3種成形方案尺寸誤差均較小，均在合理范圍內。結合圖4可知，采用3種成形方案均能獲得合格的軸承外圈鍛件。由模擬結果可知，在方案1下，環坯鍛造成形所需載荷較大，最大值出現在預鍛工步，其值為12899.8kN；在方案2下，毛坯鍛造成形所需載荷最大，為15203.8kN；在方案3下，毛坯鍛造成形所需載荷最小，其值為4244.4kN。由此，采用方案3成形軸承外圈鍛件，環坯鍛造成形所需載荷與方案1和方案2相比，分別降低67.1%和72.1%。比較3種成形方案的模擬結果可知，綜合考慮軸承外圈成形效果和制坯所需載荷，確定方案3為軸承外圈成形的較優工藝方案。3充填成形質量圖11為方案3模擬結果與試驗結果對比圖。由圖11可知，軸承外圈鍛件臺階充填飽滿，上下端面平整，棱角分明，成形質量高。經過實際測量，軸承外圈外徑值為235.4mm，內徑值為190.4mm，高度值為165.6mm，幾何尺寸符合要求。由此可知，采用方案3，可以生產出合格的軸承外圈鍛件。4成形工藝尺