基于ABAQUS的關(guān)節(jié)軸承冷擠壓仿真參數(shù)優(yōu)化

陳清偉

(1.福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司，福建 漳州 363000；2. 福建省關(guān)節(jié)軸承企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 漳州 363000)

自潤滑關(guān)節(jié)軸承由內(nèi)圈、外圈、襯墊組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、耐沖擊、免維護(hù)、安全可靠性高和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，常用于低速重載工況，如工程機(jī)械、水利設(shè)備、軍工機(jī)械等領(lǐng)域[1]。冷擠壓成形是關(guān)節(jié)軸承重要的成形方式之一，先前對(duì)于冷擠壓模具及軸承成形工藝設(shè)計(jì)大多基于經(jīng)驗(yàn)，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，且擠壓效果不佳[2]。

軸承冷擠壓裝配過程的有限元仿真對(duì)提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義，已有部分學(xué)者用有限元方法對(duì)軸承擠壓過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]分析了關(guān)節(jié)軸承雙收口成形相對(duì)單邊收口成形的優(yōu)勢(shì)；文獻(xiàn)[4]用ABAQUS軟件分別建立了關(guān)節(jié)軸承擠壓成形的二維軸對(duì)稱模型和三維模型；文獻(xiàn)[5]利用ANSYS軟件對(duì)自潤滑關(guān)節(jié)軸承擠壓裝配過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。

上述文獻(xiàn)在對(duì)擠壓進(jìn)行仿真分析時(shí)忽略了襯墊建?；蛭纯紤]襯墊變形，且多數(shù)采用仿真模擬優(yōu)化后進(jìn)行試驗(yàn)便得出相應(yīng)結(jié)論，沒有將試驗(yàn)結(jié)果再次與仿真結(jié)果對(duì)比，將所得的試驗(yàn)結(jié)果反饋于仿真參數(shù)設(shè)置的修改。因此，文中進(jìn)行仿真分析時(shí)將考慮襯墊的擠壓變形，并通過工業(yè)CT無損檢測(cè)的方法測(cè)量擠壓試驗(yàn)后外圈的成形輪廓，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，以此進(jìn)一步修正仿真中各參數(shù)的設(shè)置，達(dá)到更優(yōu)的參數(shù)設(shè)置。

1 擠壓裝配原理

關(guān)節(jié)軸承擠壓裝配原理如圖1所示[2]，軸承放置于上下模之間，在擠壓過程中，下模不動(dòng)，上模和上定位套受到壓力之后以一定速度向下運(yùn)動(dòng)，而下定位套受到軸承內(nèi)圈施加的作用力也向下運(yùn)動(dòng)。由于定位套受到彈簧的反向作用力，故模具與定位套之間存在一定的相對(duì)速度，最終實(shí)現(xiàn)閉模。

圖1 擠壓裝配原理

文中選用某擠壓T型關(guān)節(jié)軸承作為樣件進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)量，試驗(yàn)所用的擠壓模具型腔與外圈毛坯尺寸均經(jīng)過ABAQUS仿真優(yōu)化得到，外圈材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，內(nèi)圈材料為G102Cr18Mo，襯墊為自制。

2 模型建立方法

根據(jù)實(shí)際裝配條件，對(duì)模具和軸承進(jìn)行建模，由于擠壓過程中軸承幾何形狀和受力都是對(duì)稱的，故建立二維軸對(duì)稱模型。芯軸、模具和定位套均采用RAX2單元，采用解析剛體進(jìn)行求解；內(nèi)、外圈在擠壓過程中有較大變形，故選用柔性體進(jìn)行求解，采用CAX4R單元；襯墊為各向異性材料，將其視為類金屬單元，采用GKAX4單元進(jìn)行求解。擠壓后直接通過工業(yè)CT提取得到外圈的整體輪廓(圖2)。

圖2 工業(yè)CT測(cè)量結(jié)果

將工業(yè)CT測(cè)量所得的輪廓轉(zhuǎn)換為顯示剛體用于仿真對(duì)比，建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真建模

3 仿真結(jié)果與參數(shù)修正

3.1 仿真結(jié)果

3.1.1 初步參數(shù)設(shè)置

仿真初步參數(shù)設(shè)置為：彈性模量192 GPa;摩擦因數(shù)0.05；采用自制襯墊，襯墊特性如圖4所示。

圖4 自制襯墊應(yīng)力-位移曲線

3.1.2 仿真結(jié)果

初步仿真結(jié)果如圖5所示，外圈內(nèi)側(cè)的曲線在工業(yè)CT測(cè)量時(shí)因襯墊干擾而誤差較大，故以外圈外部輪廓為主要參照，內(nèi)部輪廓為輔助參照；測(cè)量外圈外側(cè)中部實(shí)體輪廓線與仿真輪廓線的水平差為0.061 mm，誤差較大，需進(jìn)一步調(diào)整仿真參數(shù)。

圖5 初步仿真結(jié)果

3.2 參數(shù)修正

3.2.1 襯墊參數(shù)

由于襯墊為各向異性材料，建模時(shí)將其視為類金屬單元，結(jié)合試驗(yàn)獲得的自制襯墊應(yīng)力-變形曲線作為材料屬性。工業(yè)CT測(cè)量結(jié)果中襯墊在擠壓狀態(tài)下中間部位厚度為0.22mm，而初步仿真所得襯墊厚度為0.34 mm，可知仿真擠壓后的襯墊厚度仍然偏厚，所以調(diào)整時(shí)考慮將襯墊的剛度減小，使擠壓后襯墊的厚度減小，以貼近實(shí)際擠壓所得的襯墊厚度。初始仿真和減小襯墊剛度后(工業(yè)CT測(cè)量)關(guān)鍵點(diǎn)厚度測(cè)量結(jié)果如圖6所示，說明減小襯墊剛度可以改變仿真中襯墊成形厚度，減小厚度后仿真的結(jié)果更貼合實(shí)際擠壓狀態(tài)。

圖6 襯墊參數(shù)修正對(duì)比

3.3 彈性模量

軸承外圈材料0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的彈性模量理論值為192 GPa，實(shí)際拉伸試驗(yàn)所得的彈性模量為192 GPa，現(xiàn)保持修正后的襯墊參數(shù)不變，對(duì)仿真中的彈性模量進(jìn)行變化，驗(yàn)證彈性模量對(duì)仿真結(jié)果的影響程度(表1)。

表1 彈性模量對(duì)仿真結(jié)果的影響

由表可知，彈性模量小范圍變化對(duì)仿真結(jié)果中密合度的影響不大，參數(shù)設(shè)置為192 GPa，外圈外側(cè)輪廓曲線與實(shí)際試驗(yàn)所得的吻合度最好。

3.4 摩擦因數(shù)

保持外圈材料0Cr17Ni4Cu4Nb的彈性模量和修正后的襯墊參數(shù)不變，對(duì)仿真中的摩擦因數(shù)進(jìn)行變化，以驗(yàn)證摩擦因數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響程度(表2)。

表2 摩擦因數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響

由表可知，摩擦因數(shù)對(duì)仿真結(jié)果中密合度的影響較大，摩擦因數(shù)增大，密合度值增大，外部輪廓曲線吻合度差。摩擦因數(shù)設(shè)置在0.05時(shí)，外圍輪廓曲線與實(shí)際試驗(yàn)所得的吻合最好，且密合度較小。

4 結(jié)束語

通過試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行修正，以更加真實(shí)的模擬關(guān)節(jié)軸承的擠壓裝配。改變傳統(tǒng)的仿真模擬—試驗(yàn)的單線驗(yàn)證模式，改為仿真—試驗(yàn)—再仿真(修正)的驗(yàn)證方式，先用仿真軟件對(duì)擠壓過程進(jìn)行模擬，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，并將試驗(yàn)結(jié)果反饋于仿真中，對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行修正，形成閉環(huán)。通過該方法不斷積累仿真參數(shù)數(shù)據(jù)，使仿真與實(shí)際更加接近，有助于后期軸承精密擠壓仿真的開展，實(shí)現(xiàn)擠壓仿真達(dá)到“所見即所得”的效果。