基于ABAQUS的關(guān)節(jié)軸承裝配過程破損分析

顏炳云，林志塤，林娜

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基于ABAQUS的關(guān)節(jié)軸承裝配過程破損分析

顏炳云1，林志塤1，林娜2

（1. 福建龍溪軸承集團股份有限公司；2. 漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械與自動化工程系，福建漳州363000）

針對關(guān)節(jié)軸承裝配過程破損問題，運用彈性變形理論對裝配力作了理論分析，同時運用ABAQUS軟件建立了其裝配的有限元模型并對壓裝過程進行了仿真分析，并與實際生產(chǎn)進行對比，證明了仿真計算的可行性。同時，研究了軸承裝配的撐開比變化時，軸承外圈最大應(yīng)力的分布情況。研究結(jié)果表明撐開比的合理選型對裝配質(zhì)量有很大影響。

關(guān)節(jié)軸承；引裂槽；ABAQUS軟件；撐開比

引言

關(guān)節(jié)軸承是某公司的核心產(chǎn)品，圖1所示的產(chǎn)品為開縫式關(guān)節(jié)軸承是該公司的主導(dǎo)產(chǎn)品之一。在近幾年的生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，開縫式關(guān)節(jié)軸承出現(xiàn)裝配破損廢品率較多，其主要由于開縫式關(guān)節(jié)軸承裝配是采用內(nèi)圈向開縫外圈擠壓，常因外圈的彈性不足而破裂，或因開縫處發(fā)生崩裂缺損，從而導(dǎo)致外圈報廢[1-2]（如圖2所示）。此現(xiàn)象發(fā)生在軸承生產(chǎn)的最后一道工序，破壞性較大，從而直接加大了廢品率，降低了成品率。因此，研究解決開縫式關(guān)節(jié)軸承裝配破損的內(nèi)在因素及裝配工藝參數(shù)的設(shè)定，對提高關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和使用性能，具有重大的意義。

1 關(guān)節(jié)軸承裝配工藝

開縫式關(guān)節(jié)軸承在內(nèi)外套裝配過程中，先在外圈上開有很小的應(yīng)力缺口（俗稱引裂槽），通過油壓機或沖床上對外徑施壓，使其在應(yīng)力缺口處開裂，形成貫穿裂縫。然后，進一步在油壓機或沖床上，利用外圈的彈性形變將內(nèi)圈擠入外圈，完成合套。

圖1 關(guān)節(jié)軸承圖

圖2 外圈在開縫處發(fā)生崩裂缺損的情況

關(guān)節(jié)軸承尺寸設(shè)計中影響裝配過程的主要尺寸為：外圈內(nèi)倒角處入口半徑尺寸（R0）和內(nèi)圈球徑的尺寸（dk）。將內(nèi)圈球徑的尺寸減去外圈入口處倒角直徑尺寸的差值，與入口處倒角直徑尺寸的比值，稱為撐開比（Ki）。

公式：撐開比記為Ki＝（dk-2 R0）/2 R0(1)

如果撐開比值設(shè)置過高，則裝配時外圈的張口大，若張力超過外圈的彈性應(yīng)變極限，合套時外圈將破裂，一般呈現(xiàn)外圈一分為二裂開；如果撐開比值過小會影響產(chǎn)品使用性能，所以制訂工藝時要設(shè)定好撐開比值。根據(jù)開縫型關(guān)節(jié)軸承幾十年的生產(chǎn)經(jīng)驗，撐開比設(shè)定7%~9%較適宜[1]。

2 關(guān)節(jié)軸承裝配理論解析

圖3為關(guān)節(jié)軸承裝配時外圈的受力情況分析，從圖中可顯示當外圈在引裂缺口截面斷開后，內(nèi)圈在外力P 的作用下，進入外圈，迫使外圈內(nèi)徑脹大，這時外圈在內(nèi)圈的擠壓下，受到徑向均布負荷q 的作用(由于其內(nèi)圈球面半徑較大，F(xiàn) 與F1間的夾角較小， F2很小可忽略不計，則F1≈F)[3]。隨著內(nèi)圈的逐步壓入，負荷q也將隨之增大，當外圈內(nèi)徑最小尺寸脹大至球直徑時，q達到最大值，這時斷開截面的張開量達到最大值。

由圖3（a）可知，外圈在張開的過程中，其內(nèi)壁受均布徑向張力q的作用，在張開點的對應(yīng)點(即距張開點180°處的D點)處受到最大的彎矩作用[4]。因此D點處截面是裝配過程最危險截面，該截面最具發(fā)生斷裂的可能性。實際生產(chǎn)裝配過程的斷裂也均發(fā)生在D點位置。由于外圈內(nèi)徑為圓弧面，裝配過程中外圈內(nèi)徑受力不均，在兩端的弧面與平面的相交處(尖角) 將產(chǎn)生應(yīng)力集中，當該處的應(yīng)力值達到材料的抗拉極限（）時，將產(chǎn)生裂紋，隨著變形的繼續(xù)進行裂紋迅速擴展導(dǎo)致脆性斷裂。因此要確保外圈壓裝時不發(fā)生脆斷，必須使內(nèi)徑危險截面的尖角處的集中應(yīng)力低于材料的抗拉極限。

圖3 關(guān)節(jié)軸承裝配時外圈的受力情況

由趙振東等[3]推算的關(guān)節(jié)軸承外圈允許撐開弧長的表達式：

由式(2) 可知對于同一種狀態(tài)材料的關(guān)節(jié)軸承外圈尺寸R0、b1與其最大張開量緊密相關(guān)。經(jīng)計算J >J實(生產(chǎn)中實際的弧長)，在正常裝配條件下不會發(fā)生斷裂; 當J < J實，應(yīng)采用適當增大R0的方法，該方法對照公式（1）中R0的變化，即減小撐開比。該計算結(jié)果與生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)的撐開比設(shè)定值7%~9%相符。

3 基于ABAQUS的關(guān)節(jié)軸承裝配過程分析

3.1 模型建立

在進行有限元模擬時，對模型要進行適當?shù)暮喕痆5]。圖4的模型包含關(guān)節(jié)軸承外圈、內(nèi)圈，在ABAQUS軟件中進行有限元分析時對軸承外圈和內(nèi)圈均采用8節(jié)點六面體線性減縮積分進行網(wǎng)格劃分。模擬過程中的接觸設(shè)置為面面接觸，即軸承外圈內(nèi)球面與內(nèi)圈外球面接觸。在接觸中一般選擇剛度較大、網(wǎng)格較粗的面為主面，因此設(shè)置接觸對中取軸承內(nèi)圈外球面為主面。軸承外圈內(nèi)球面和內(nèi)圈的接觸面作用為切向及法向作用[2]，對于法向作用，采用ABAQUS中接觸壓力和間隙的默認關(guān)系中的“硬接觸”，并允許接觸后分離，以模擬裝配實際過程;對于切向作用，采用ABAQUS中常用的摩擦模型，庫侖摩擦，即使用摩擦系數(shù)來表示接觸之間的摩擦特性，其摩擦因數(shù)設(shè)置為0.15。在模擬過程中邊界條件設(shè)置為:在軸承外套上表面給定壓入方向的位移量，對其余方向的自由度限制，在內(nèi)圈底面只限制壓入方向的自由度。本文中關(guān)節(jié)軸承材料為經(jīng)相應(yīng)熱處理之后的GCr15，其熱處理工藝參數(shù)設(shè)置如表1所示，此關(guān)節(jié)軸承的幾何尺寸參照GEZ38ES標準設(shè)定，其中外圈外徑為φ62mm，內(nèi)球面直徑為φ54.7mm，高度為28.57mm，外圈內(nèi)倒角處入口直徑為φ50.5±0.25mm；內(nèi)圈外球面直徑為φ54.7mm，高度為33.32mm。

圖4 模型網(wǎng)格劃分

表1 部件材料參數(shù)

3.2 模型模擬分析

表2為設(shè)置不同撐開比方案進而分析不同撐開比，軸承外圈最大等效應(yīng)力的變化情況，模擬參數(shù)設(shè)計依照3.1分析結(jié)果，且摩擦因數(shù)值設(shè)為0.15并采用有效滑移方式進行仿真模擬，得到不同撐開比下裝配過程中軸承外圈的vonmises應(yīng)力云圖如圖5所示，分析裝配過程中的危險截面應(yīng)力分布情況。

表2 撐開比方案設(shè)定

(a) Ki=7.25??????????????????(b) Ki=8.3

(c) Ki=10.5

圖5 裝配模擬分析結(jié)果

從圖5中可顯示:在裝配過程中外圈內(nèi)徑，在軸向方向受力不均，且在裝配張開點對應(yīng)面應(yīng)力最大，模擬結(jié)果顯示與理論分析結(jié)果相符；徑向方向上沿外徑方向應(yīng)力逐漸減小，主要由于外摩擦逐漸減弱則應(yīng)力相應(yīng)降低；且最大應(yīng)力都出現(xiàn)在外圈內(nèi)側(cè)邊緣，其主要原因為: 其一，裝配時內(nèi)圈與外圈內(nèi)徑直接面面摩擦接觸導(dǎo)致應(yīng)力分布不均從而在此處產(chǎn)生應(yīng)力集中; 其二，裝配中外圈引列槽發(fā)生彎曲形變，外圈內(nèi)側(cè)面邊受壓、外側(cè)面受拉，外力撤除后，外側(cè)存在壓應(yīng)力，內(nèi)側(cè)存拉應(yīng)力,當應(yīng)力超過許用應(yīng)力則發(fā)生崩裂[6]。從圖中亦可顯示當Ki＝7.25時最大應(yīng)力為1515MPa，Ki＝8.3時最大應(yīng)力為1735MPa，Ki＝10.5時最大應(yīng)力為2122MPa，由此可得隨著撐開比的增加，在相同材料、相同的裝配過程及摩擦因數(shù)一定的情況下，軸承外圈的最大等效應(yīng)力值呈上升趨勢，當撐開比Ki＝10.5時最大應(yīng)力接近于材料的抗拉極限，此處極可能出現(xiàn)裂紋或產(chǎn)生破損；從模擬的動態(tài)過程顯示，整個裝配過程中外圈的應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)內(nèi)倒角處、入口處的環(huán)帶、內(nèi)油槽邊沿、開口內(nèi)倒角處，這與實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)生破損的情況（如圖6所示）相吻合。因此，再次證明開縫型關(guān)節(jié)軸承的撐開比設(shè)定7%~9%較適宜。

圖6 關(guān)節(jié)軸承裝配破損

4 結(jié)論

本文對關(guān)節(jié)軸承裝配過程進行研究，首先對其進行了理論計算分析，總結(jié)出在軸承內(nèi)外圈裝配過程中，撐開比的大小對裝配過程破損的影響。接著對關(guān)節(jié)軸承的裝配過程進行了有限元模擬仿真分析，并與實際裝配過程破損的情況進行對比，確定了軸承裝配仿真計算分析的可行性。結(jié)果表明，在相同材料及加工過程相同的情況下，隨著撐開比的增加，軸承外圈的最大應(yīng)力呈上升趨勢；同時，結(jié)合從整個模擬的動態(tài)過程顯示，整個裝配過程中外圈的應(yīng)力集中部位主要出現(xiàn)內(nèi)倒角處、入口處的環(huán)帶、內(nèi)油槽邊沿、開口內(nèi)倒角處，這可用于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計時充分考慮這些部位的表面加工質(zhì)量、倒角過渡的選用等降低應(yīng)力集中的手段，以及撐開比的選用，從而降低裝配磨損率，提高生產(chǎn)效率。

[1] 鄭志耀．關(guān)節(jié)軸承開縫引裂不良裝配崩裂原因探究及對策[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016(8)：96-97．

[2] 趙振華，王衛(wèi)英，李紀磊．關(guān)節(jié)軸承裝配研究及加工誤差影響分析[J]. 機械工程與自動化，2016（3）：38-40

[3] 趙振東．關(guān)節(jié)軸承外圈的設(shè)計及其斷裂分析[J]. 機械制造，1991(11)：14-15．

[4] 湯占岐．關(guān)節(jié)軸承引裂力的分析計算[J]. 制造業(yè)信息化，2001(1)：46-47．

[5] 王森，劉小君．基于有限元的關(guān)節(jié)軸承研究[J]. 制造業(yè)信息化，2013(8)：69-71．

[6] 吳連平，楊曉翔．關(guān)節(jié)軸承冷擠壓裝配的有限元仿真分析[J]. 軸承，2014(7)：18-21．

（責任編輯：馬圳煒）

The Damage Analysis during Assembling Process of Spherical Plain Bearing based on ABAQUS

YAN Bing-yun1, LIN Zhi-xun1, LIN Na2

(1. Fujian Longxi Bearing (Group) Corp, Zhangzhou, 363000, China;2. Department of Mechanical Engineering, Zhangzhou Institute of Technology, Zhangzhou 363000, China)

According to the damage problem during assembling process of spherical plain bearing, utilizing the elastic deformation theory of assembly force theory, using ABAQUS software to establish the finite element model of the assembling and simulat and analyz the pressing process, and comparing with the actual experiment, proves the feasibility of the simulation calculation. At the same time, studying the distribution of the maximum stress in the outer ring of bearings while the expanding ratio changes during assembling. The result shows that the reasonable selection of expanding ratio has a great influence on the quality of assembling, which will provide a reference to improve the damaged issues of bearing assembling.

spherical plain bearing; split slot; ABAQUS software; expansion ratio

1673-1417（2016）04-0005-04

10.13908/j.cnki.issn1673-1417.2016.04.0002

TG241；TQ320.662

A

2016－10－15

顏炳云（1983－），男，福建龍海人，工程師，工程碩士在讀，研究方向：關(guān)節(jié)軸承生產(chǎn)與管理。