不同變形量下軸承套圈冷軋殘余應力演化規(guī)律研究

許 杰 胡 號

(1.武漢交通職業(yè)學院，湖北 武漢 430065；2.湖北青年職業(yè)學院，湖北 武漢 430079)

精密冷軋成形工藝是軸承套圈生產(chǎn)廣泛采用的加工方法之一。在體積不變的情況下，環(huán)形毛坯在軋制的過程中會呈現(xiàn)直徑逐漸變大和壁厚逐漸減薄的成形現(xiàn)象[1]。它具有加工精度高、成形質(zhì)量好和節(jié)省原材料等優(yōu)點，主要用來生產(chǎn)汽車和機床上的機械性能高且無縫的軸承套圈。

軸承套圈冷軋成形生產(chǎn)的一般工藝流程為：棒料——高速鍛——球化退火——精密冷軋——再結(jié)晶退火——車削——熱處理——后續(xù)加工。在精密冷軋過程中，由于變形的不均勻性會不可避免地在軸承套圈內(nèi)部產(chǎn)生殘余應力，其在淬火過程中的釋放會導致軸承套圈尺寸的改變和裂紋的產(chǎn)生，對軸承套圈的幾何精度以及組織性能造成顯著影響，甚至使軸承套圈發(fā)生開裂而報廢[2]，故在冷軋過程中應盡量減小殘余應力的產(chǎn)生。軸承套圈的殘余應力分布受軋制變形量、軋制速度等軋制參數(shù)的影響，精密冷軋過程中的殘余應力演化規(guī)律研究可為軸承套圈在精密冷軋及后續(xù)熱處理過程中的殘余應力控制提供一定的理論依據(jù)。

目前對于軸承套圈精密冷軋成形的研究，大致可分為試驗分析、解析計算和有限元模擬等三個方面。在試驗分析方面，Hawkyard[3]對軋機的壓力輥性能進行了優(yōu)化。Mamalis[4]等人開展了軸承套圈在軋制過程中的金屬變形及寬展變化的試驗研究。孫寶壽[5]等人分別研究了毛坯的初始溫度、軋輥的轉(zhuǎn)速和進給速度對軸承套圈成形質(zhì)量的影響。華林[6-10]對軸承套圈在軋制過程中的成形規(guī)律，軋制設備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及設備加工產(chǎn)品的性能特點等開展了大量的試驗研究。在解析計算方面，Ryoo[11]和Stahlberg[12]獲得了軋制過程各軋制模具的動力學軌跡方程。Lugora[13]對軸承套圈的寬展變形進行了理論研究。許思廣[14]將流函數(shù)法引入到軸承套圈軋制理論研究中，建立了軋制過程的空間速度場模型。在有限元模擬方面，解春雷[15]對軸承套圈冷軋制過程進行模擬分析,揭示了各參數(shù)對軸承套圈成形指標的影響規(guī)律。趙麗麗[16]等人通過建立軸承套圈軋制模型,對鋁板材冷軋后的殘余應力分布規(guī)律進行了數(shù)值仿真研究。羅曉東[17]等人建立了6061鋁合金軸承套圈的冷軋過程仿真模型，對軋制過程中金屬的流動規(guī)律以及成形質(zhì)量進行了探索。

對于軸承套圈精密冷軋過程中的殘余應力演化規(guī)律的研究較少。關于軸承套圈精密冷軋過程中殘余應力分布的研究，大多局限于有限元軟件模擬，此方法雖方便快捷但仍缺乏一定的可信度。因此，通過將實驗測試與有限元模擬結(jié)合的方式，

對不同變形量下軸承套圈精密冷軋成形的殘余應力演化規(guī)律進行研究，不僅經(jīng)濟省時，而且具有較高的可信度，可為殘余應力的控制提供一定的參考依據(jù)。

1 實驗材料及研究方法

1.1 實驗材料

軸承套圈的原材料為GCr15軸承鋼棒，用于冷軋實驗的軸承套圈毛坯尺寸如圖1所示，其化學成分見表1。

圖 1 毛坯尺寸(單位：mm)

成分CSPMnSiCrMoCuNiFe含量(%)0.960.0060.0130.360.191.460.020.060.08余量

1.2 軸承套圈冷軋實驗

軸承套圈毛坯在圖2中所示的D56G90型精密冷軋環(huán)機中進行冷軋實驗。軋環(huán)機的模具參數(shù)和工藝參數(shù)見表2。軸承套圈的變形量r通過公式(1)進行計算[18]，其中h表示軸承套圈冷軋后的壁厚,h0表示軸承套圈初始壁厚。

(1)

圖 2 D56G90型精密數(shù)控冷軋環(huán)機

參數(shù)取值驅(qū)動輥直徑Dg/mm216驅(qū)動輥槽寬Wg/mm18驅(qū)動輥槽深hd/mm3.2驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速n/(rad·s-1)15.2芯輥直徑di/mm25導向輥直徑Dg/mm20

1.3 軸承套圈冷軋過程有限元建模

不均勻塑性變形是殘余應力產(chǎn)生的主要原因，借助有限元軟件模擬軸承套圈在不同變形量下的軋制過程，獲取軸承套圈的塑性應變分布，以揭示殘余應力的分布規(guī)律。

采用Abaqus有限元軟件模擬軸承套圈冷軋過程，軸承套圈材料為GCr15，其彈性模量為209GPa，泊松比為0.3，采用六面體八節(jié)點單元(C3D8R)劃分網(wǎng)格。芯輥進給速度設置為恒值0.9mm/s，進行有限元建模與求解，來獲取軸承套圈在不同變形量下的塑性變形規(guī)律。軸承套圈軋制裝配圖如圖3所示，劃分網(wǎng)格后的軸承套圈如圖4所示。

1.4 殘余應力測試

采用X射線衍射法對宏觀殘余應力進行測量，主要通過獲得應力和應變之間的關系，得到殘余應力值。測試所用的儀器為X-350A型X射線應力測定儀，如圖5所示。測量采用側(cè)傾固定Ψ法，通過交相關法來進行定峰，衍射晶面選取α-Fe(211)，X射線管的高壓設定為27kV，管電流設定為7mA，測試點位置選在軸承套圈外圓周表層中心線上，每隔60°分布一個點。分別對軸承套圈表面的軸向殘余應力和切向殘余應力進行測量。軸承套圈的軸向及切向測試擺放位置分別如圖6(a)和6(b)所示。本測試中殘余應力測量的誤差范圍均在10MPa以內(nèi)。

圖 3 軸承套圈軋制裝配圖

圖 4 劃分網(wǎng)格后的軸承套圈

圖 5 X-350A型X射線衍射儀

1.5 半峰寬(FWHM)測試

衍射峰最大強度一半處所占的角度范圍稱為衍射線半峰寬FWHM。由于材料的微觀殘余應力是引起衍射線線形發(fā)生寬化的主要原因，因此對FWHM值進行測試來表征軸承套圈的微觀殘余應力分布特征。FWHM值與殘余應力測試值同時得到，每個測試點在四個入射角進行衍射，因此可分別得到四個FWHM值。圖中FWHM值為每個測試點得到的四個FWHM值的平均值。

圖 6 軸承套圈殘余應力測試擺放位置

2 軸承套圈冷軋實驗測試及有限元仿真分析

2.1 軸承套圈冷軋成形實驗

完成冷軋實驗后，不同變形量下的軸承套圈如圖7所示。通過測量，各軸承套圈的實際軋制變形量分別為0、14.7%、23.8%、34%、43%和51.2%。

2.2 冷軋軸承套圈宏觀殘余應力分布

2.2.1 軸向殘余應力分布

圖8為不同變形量下軸承套圈外圓周表層中心線的軸向殘余應力分布曲線。由圖可知，經(jīng)過切削加工的軸承套圈毛坯，其外表面軸向殘余應力呈拉應力分布狀態(tài)。經(jīng)過冷軋加工后，其表面殘余拉應力轉(zhuǎn)變成壓應力分布狀態(tài)。隨著變形量的增大，軸向殘余應力逐漸減?。划斪冃瘟砍^34%時，隨著變形量的增大，殘余應力不再繼續(xù)大幅減小并呈現(xiàn)一定的波動。

2.2.2 切向殘余應力分布

圖9為不同變形量下軸承套圈外圓周表層中心線的切向殘余應力分布曲線。與軸向殘余應力分布規(guī)律類似，毛坯表面的切向殘余應力呈拉應力分布，經(jīng)軋制后轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯Ψ植?。隨著變形量的增大，切向殘余應力逐漸減??；當變形量超過34%時，繼續(xù)增大變形量，殘余應力不再繼續(xù)減小。當變形量為43%時，切向殘余應力波動較大。

圖 7 不同變形量下的冷軋軸承套圈

圖 8 不同變形量下軸承套圈的軸向殘余應力分布

圖 9 不同變形量下軸承套圈的切向殘余應力分布

2.2.3 軸向殘余應力與切向殘余應力平均值分布對比

將不同變形量下的軸向殘余應力及切向殘余應力測試值進行計算取其平均值，繪制成圖10所示曲線。由圖可知，切向殘余應力整體比軸向殘余應力小。

2.3 冷軋軸承套圈等效塑性應變分布

殘余應力是軸承套圈冷軋過程中的不均勻塑性變形導致，提取了不同變形量下的冷軋軸承套圈沿著軸向截面的等效塑性應變分布，如圖11所示。軸承套圈的冷軋變形量分別為0、14.7%、23.8%、34.0%、43.0%和51.2%，與實驗的實際變形量一致。

為了定量分析不同變形量下冷軋軸承套圈的等效塑性應變分布情況，在有限元計算結(jié)果中提取了軸承套圈軸截面中心線的等效塑性應變值，繪制成了圖12中的曲線。所提取的點位于軸承套圈軸截面沿著徑向的中心線上，即圖13中所標注的黑點。

圖 10 不同變形量下軸承套圈的殘余應力平均值分布

綜合圖11-13可得出如下結(jié)論：在不同變形量下，軸承套圈軸截面沿著徑向中心線上的等效塑性應變幾乎呈現(xiàn)了相同的變化趨勢，都呈“U”型分布曲線，即表面的塑性變形大于芯部。變形量為14.7%、23.8%和34%時，較大塑性變形在軸承套圈表面周圍區(qū)域產(chǎn)生，芯部的塑性變形程度較??；當變形量增大至43%時，軸承套圈芯部區(qū)域才發(fā)生較大的塑性變形。隨著變形量的增大，軸承套圈表面與芯部的相對變形越來越小，整體塑性變形越來越均勻。

圖 11 不同變形量下的軸承套圈軸截面等效塑性應變分布

2.4 冷軋軸承套圈等效塑性應變分布對宏觀殘余應力的影響

Connor[19]和King等人[20-22]在其文獻中提到，進行冷加工前的零件初始殘余應力狀態(tài)對零件冷成形后最終的殘余應力分布狀態(tài)影響較小。由于軸承套圈內(nèi)外表面比芯部的塑性變形大，軸承套圈作為一個整體，在表面和芯部間存在著相對變形，芯部材料會阻止軸承套圈表面材料變形，軸承套圈表面由于受到芯部材料的延伸阻止作用而呈現(xiàn)壓應力分布狀態(tài)。

圖 12 不同變形量下的軸承套圈軸截面等效塑性應變值分布

圖 13 軸承套圈軸向截面等效塑性應變提取點

冷軋后殘余應力的分布狀態(tài)與軋制變形量緊密相關。當變形量為14.7%時，僅靠近軸承套圈外表面的區(qū)域沿著軸向及切向產(chǎn)生較大的塑性延伸，芯部材料產(chǎn)生的塑性變形較小，使軸承套圈表面和芯部之間的相對塑性變形較大。芯部材料會阻止表面沿著軸向及切向產(chǎn)生塑性延伸，因此在軸承套圈表面呈現(xiàn)出較大的軸向及切向殘余壓應力分布狀態(tài)。隨著變形量的增大，芯部也產(chǎn)生一定的塑性變形，使芯部與表面之間的相對變形減小，芯部對表面的變形阻礙作用減弱，表面的軸向及切向殘余應力隨著變形量的增大呈現(xiàn)出減小的趨勢。當變形量超過34%時，軸承套圈整體的塑性變形更均勻，隨著變形量的繼續(xù)增大，軸向及切向殘余應力的減小幅度降低。由此可知，軸承套圈表面與芯部的相對變形越大其殘余應力值也越大，而相對變形較小時，殘余應力值隨之減小。

由于整個軋制過程持續(xù)時間短，省去了整圓過程，軸承套圈各區(qū)域的實際軋制變形時間難以保證完全一致，且殘余應力測試存在一定誤差，外圓周表層中心線的軸向及切向殘余應力分布存在一定波動屬于正?，F(xiàn)象。

在軋制過程中，軸承套圈沿著圓周方向的塑性延伸所受的制約小，壁厚逐漸減薄，直徑逐漸擴大，軸承套圈沿著周向的塑性變形均勻，相對變形較小，因此切向殘余應力值較小。而軸承套圈沿著軸向的塑性變形受到驅(qū)動輥槽的制約，使軸承套圈表面沿著軸向的塑性變形不均勻，因此軸向殘余應力值比切向殘余應力值大。

2.5 冷軋軸承套圈微觀殘余應力分布

2.5.1 軸承套圈冷軋半峰寬(FWHM)分布

微觀殘余應力是導致衍射線寬化的主要原因，因此分別繪制了圖14和圖15中不同變形量下外圓周表層中心線上的軸向半峰寬FWHM及切向半峰寬FWHM平均值分布曲線圖，來表征微觀殘余應力的演化規(guī)律。FWHM值與殘余應力同步測量得到，其測試點與殘余應力測試點相同，均位于軸承套圈外圓周表層中心線上，每隔60°分布一個點，共計6個點。

圖 14 不同變形量下軸承套圈的軸向FWHM平均值分布

由圖14和圖15可知，在軋制前軸承套圈表面的軸向及切向FWHM值均較大，而軋制后FWHM值均大幅下降。隨著變形量的增加，軸向及切向FWHM值均逐漸增加，即表面微觀殘余應力逐漸增加。

圖 15 不同變形量下軸承套圈的切向FWHM平均值分布

2.5.2 微觀殘余應力演化機理

微觀殘余應力與位錯周圍的應力場以及原子的排列有關，冷軋后殘余應力的降低源于微觀塑性變形所導致的位錯扭曲場強度的降低以及產(chǎn)生的低位錯密度[23]。冷軋加工后，高位錯趨向于在發(fā)生較小扭曲的地方重新排列，使軸承套圈的整體位錯場強度降低，F(xiàn)WHM值降低。

從微觀角度分析，晶格畸變是微觀殘余應力產(chǎn)生的源頭[23]。在冷軋成形的過程中，由于變形量的增加，軸承套圈內(nèi)部出現(xiàn)了大量位錯，發(fā)生較小扭曲的地方也出現(xiàn)了較高位錯分布。在X射線衍射測試中，較高位錯密度會導致衍射線譜的寬化，因此軸向和切向FWHM值均逐漸增大。同時，隨著變形量的增大，軸承套圈產(chǎn)生越來越嚴重的微觀塑性變形，晶粒內(nèi)部原子排列的周期性被破壞，引起晶格畸變、晶粒的堆積和晶粒尺寸的改變，晶粒內(nèi)部的位錯密度逐漸增加，微觀殘余應力逐漸增大。當變形量達到51.2%時，軸向及切向FWHM值略微降低。在此變形量下軸承套圈整體已經(jīng)形成了較高的位錯密度分布，且軸承套圈內(nèi)部晶粒已重新排列組合，晶粒碎化，尺寸趨于均勻化，形成了新的較為穩(wěn)定的微觀應力場分布，因此FWHM會表現(xiàn)出輕微的波動。

從以上分析可以得出如下結(jié)論：冷軋后，由于位錯場強度的降低，F(xiàn)WHM值急劇降低，即微觀殘余應力大幅減小；隨著變形量的增大，晶粒大量碎化，位錯密度逐漸增大，F(xiàn)WHM值逐漸升高，即微觀殘余應力逐漸增大。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過切削處理后的毛坯表面呈殘余拉應力分布，經(jīng)過冷軋加工后，表面殘余拉應力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯Ψ植肌?/p>

(2)變形量低于34%時，軸承套圈的塑性變形不均勻，出現(xiàn)較大殘余壓應力分布狀態(tài)。隨著變形量的增大，軸承套圈整體塑性變形更均勻，殘余壓應力逐漸減小。當變形量繼續(xù)增大至43%時，整個軸承套圈都發(fā)生了較大的塑性變形，殘余應力不再隨著變形量的增大而繼續(xù)減小。

(3)軸承套圈表面所測得的FWHM值表征了軸承套圈冷軋后的微觀殘余應力分布。冷軋后，軸承套圈整體位錯場強度降低，F(xiàn)WHM值大幅降低。隨著變形量的增大，F(xiàn)WHM值逐漸增大，即微觀殘余應力逐漸增長。位錯密度的增大是FWHM值增大的主要原因。

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