高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)成形力能參數(shù)分析*

□ 王成威 □ 徐振威 □ 孫寶壽 □ 趙哲騏 □ 束學(xué)道

1.寧波大學(xué)機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

2.浙江省零件軋制成形技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江寧波 315211

3.寧波雄獅機(jī)械制造有限公司 浙江寧波 315400

1 課題背景

隨著我國高速鐵路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，作為高鐵基礎(chǔ)零部件之一的高速列車軸承，其需求也日益增大，但是目前我國還無法生產(chǎn)此類軸承零件。研究高鐵軸承內(nèi)圈冷輾擴(kuò)成形技術(shù)，對(duì)高鐵軸承國產(chǎn)化具有重要意義［1］。冷輾擴(kuò)技術(shù)是一種在常溫下借助冷輾機(jī)驅(qū)動(dòng)輥、芯輥的擠壓作用，使環(huán)形零件內(nèi)部金屬材料發(fā)生塑性變形的冷加工成形工藝，廣泛用于高頸法蘭、火車車輪、齒輪及燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)等各類無縫環(huán)件的制造［2-3］。

近年來，高鐵軸承套圈等異形截面環(huán)形件的冷輾擴(kuò)成形有一定發(fā)展，但都著重于對(duì)稱性冷輾擴(kuò)，在非對(duì)稱冷輾擴(kuò)方面的研究則甚少。楊合等［4-5］以臺(tái)階形環(huán)件為研究對(duì)象，采用理論解析法分析得到了環(huán)件坯料半徑擴(kuò)大變形與壓下量之間成正比關(guān)系的結(jié)論，為后續(xù)環(huán)件坯料和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)提供了重要理論依據(jù)。靳妍妍等［6-7］以轎車變速箱軸承L形截面套圈為研究對(duì)象，開展了冷輾擴(kuò)有限元模擬和試驗(yàn)研究，得到了芯輥進(jìn)給速度對(duì)軸承套圈成形寬展率、端面平整度等表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并根據(jù)有限元模擬方法在精密冷輾機(jī)上加工成形出合格的L形截面套圈，為后續(xù)批量化生產(chǎn)提供了參考。洪哲等［8-9］采用一次軋制兩個(gè)零件的方法解決了非對(duì)稱軋制問題，針對(duì)高速重載軸承內(nèi)圈，從宏觀和微觀兩個(gè)方面對(duì)對(duì)稱冷輾擴(kuò)成形技術(shù)進(jìn)行了深入研究，分析了不同芯輥進(jìn)給方式對(duì)力能參數(shù)的影響規(guī)律，利用正交試驗(yàn)法對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，同時(shí)基于XS-160型精密冷輾擴(kuò)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)試驗(yàn)成品內(nèi)圈進(jìn)行了內(nèi)孔圓度測(cè)量和金相組織試驗(yàn)驗(yàn)證。

筆者以高鐵軸承內(nèi)圈為研究對(duì)象，基于ABAQUS軟件建立了高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)有限元模型，對(duì)其軋制過程中的力能參數(shù)進(jìn)行模擬分析。這一研究對(duì)提高冷輾擴(kuò)軋制過程穩(wěn)定性，優(yōu)化環(huán)形件成形質(zhì)量，減小模具磨損具有重要意義。

2 有限元建模

筆者研究的高鐵軸承內(nèi)圈為非對(duì)稱件，屬于大型復(fù)雜異形截面環(huán)形件。在這類環(huán)形件冷輾擴(kuò)成形過程中，由于驅(qū)動(dòng)輥斜臺(tái)階部分對(duì)環(huán)形件坯料的作用力方向與芯輥對(duì)環(huán)形件坯料的作用力方向不在一條直線上，作用力的軸向分量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)傾覆力矩，導(dǎo)致環(huán)形件出現(xiàn)如圖1所示閉式冷輾擴(kuò)翹曲缺陷，致使冷輾擴(kuò)最終成形質(zhì)量不高，甚至無法成形［10］。

▲圖1 閉式冷輾擴(kuò)翹曲缺陷

為了保證成形的順利進(jìn)行，筆者采用增加錐輥的徑軸向輾擴(kuò)方法來保證內(nèi)圈環(huán)形件坯料的端面成形質(zhì)量，以便順利實(shí)現(xiàn)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)成形。在這一成形方案中，設(shè)計(jì)了內(nèi)圈環(huán)形件坯料、驅(qū)動(dòng)輥、芯輥、導(dǎo)向輥和錐輥的結(jié)構(gòu)尺寸，同時(shí)基于ABAQUS軟件 的 Explicit模塊，建立了高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)有限元模型，如圖2所示。

▲圖2 高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)有限元模型

在接近真實(shí)冷輾擴(kuò)成形條件下，為提高模擬效率，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)某橄笈c簡(jiǎn)化。

（1）由于軋制過程中軋輥彈性變形較小，因此將驅(qū)動(dòng)輥、芯輥、導(dǎo)向輥、錐輥設(shè)為剛體。內(nèi)圈環(huán)形件坯料設(shè)為變形體，材料為GCr15軸承鋼。

（2）內(nèi)圈環(huán)形件坯料在常溫下產(chǎn)生變形，溫度對(duì)軸承內(nèi)圈的成形影響很小，因此不考慮溫度場(chǎng)。

3 軋輥位置控制

驅(qū)動(dòng)輥、芯輥的速度與時(shí)間的關(guān)系較為明確，可不通過子程序?qū)︱?qū)動(dòng)輥、芯輥的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。在ABAQUS軟件對(duì)應(yīng)的Load模塊中進(jìn)行驅(qū)動(dòng)輥旋轉(zhuǎn)及芯輥直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)設(shè)置。錐輥沿著內(nèi)圈環(huán)形件直徑擴(kuò)大方向作水平移動(dòng)和繞中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輥隨內(nèi)圈環(huán)形件直徑增大方向作跟隨運(yùn)動(dòng)，筆者利用Fortran語言編譯了VUAMP子程序來控制導(dǎo)向輥和錐輥的運(yùn)動(dòng)。

內(nèi)圈環(huán)形件半徑大小的實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量是進(jìn)行導(dǎo)向輥、錐輥位置隨動(dòng)控制的關(guān)鍵［11-13］。在內(nèi)圈環(huán)形件坯料上端面的外圓上均勻地選取12個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)選取位置如圖3所示。選取的12個(gè)節(jié)點(diǎn)在ABAQUS軟件VUAMP子程序中被稱為傳感器，可以用來獲取節(jié)點(diǎn)上的坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息。通過Step模塊中History Output Request選項(xiàng)來定義12個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出信息，筆者設(shè)置的輸出信息是12個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)的X軸坐標(biāo)值。每個(gè)增量步的X軸坐標(biāo)值均會(huì)被送至位置控制的子程序中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果將用于控制軋輥的實(shí)時(shí)位置。

▲圖3 節(jié)點(diǎn)選取位置

3.1 導(dǎo)向輥

導(dǎo)向輥和內(nèi)圈環(huán)形件、驅(qū)動(dòng)輥之間對(duì)應(yīng)幾何位置關(guān)系如圖4所示。圖4中，R1為驅(qū)動(dòng)輥半徑，R3為導(dǎo)向輥半徑，Rarm為導(dǎo)向輥臂長(zhǎng)，Rt為內(nèi)圈環(huán)形件坯料實(shí)時(shí)半徑。

▲圖4 導(dǎo)向輥、內(nèi)圈環(huán)形件、驅(qū)動(dòng)輥間幾何位置關(guān)系

在冷輾擴(kuò)有限元模擬過程中，導(dǎo)向輥的位置隨軋制過程進(jìn)行不斷發(fā)生改變，擺角大小也同時(shí)不斷變化。導(dǎo)向輥初始擺角α0的計(jì)算式為：

導(dǎo)向輥實(shí)時(shí)擺角αt的計(jì)算式為：

擺角增量Δα的計(jì)算式為：

式中：R0為內(nèi)圈環(huán)形件坯料初始半徑。

3.2 錐輥

高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)有限元模擬過程中，上下錐輥和內(nèi)圈環(huán)形件之間對(duì)應(yīng)的幾何位置關(guān)系如圖5所示。

▲圖5 錐輥與內(nèi)圈環(huán)形件幾何位置關(guān)系

為了更精確地對(duì)上下錐輥位置與運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在ABAQUS軟件中以上下錐輥的中心軸分別建立相應(yīng)的局部坐標(biāo)系。實(shí)現(xiàn)全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化后，上下錐輥的水平跟隨位移D可分解為Da和Dr。

D的計(jì)算式為：

式中：β為錐輥延長(zhǎng)線夾角。

4 力能參數(shù)分析

在內(nèi)圈環(huán)形件冷輾擴(kuò)技術(shù)應(yīng)用時(shí)，軋制力是反映冷輾擴(kuò)軋制在咬入壓緊、穩(wěn)定輾擴(kuò)和精整歸圓等不同階段的穩(wěn)定性，以及內(nèi)圈環(huán)形件最終成形質(zhì)量和模具壽命的重要參數(shù)指標(biāo)，也是設(shè)計(jì)制造精密冷輾機(jī)結(jié)構(gòu)和選用冷輾機(jī)設(shè)備型號(hào)的重要參考依據(jù)，同時(shí)還對(duì)冷輾擴(kuò)過程中工藝參數(shù)的優(yōu)化和選擇具有重要的指導(dǎo)意義。因此，針對(duì)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)過程中力能參數(shù)的分析具有很高的研究?jī)r(jià)值。

由單因素法研究分析芯輥初始進(jìn)給速度、驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速和錐輥轉(zhuǎn)速對(duì)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)過程中軋制力的影響規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)和工藝參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

4.1 芯輥進(jìn)給速度對(duì)力能參數(shù)的影響

結(jié)合有限元模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，筆者采用芯輥階梯形減速的進(jìn)給方式。為了研究芯輥進(jìn)給速度對(duì)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)過程中力能參數(shù)的影響規(guī)律，芯輥初始進(jìn)給速度依次取0.8 mm/s、1.0 mm/s和1.2 mm/s，曲線如圖6所示，錐輥轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速設(shè)為固定值，分別為29 rad/s和16 rad/s。

▲圖6 芯輥進(jìn)給速度曲線

不同芯輥初始進(jìn)給速度時(shí)的內(nèi)圈環(huán)形件軋制力曲線如圖7所示。通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，三條軋制力曲線變化趨勢(shì)相似，當(dāng)芯輥初始進(jìn)給速度依次為0.8 mm/s、1.0 mm/s和1.2 mm/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的軋制力最大值依次為1 018 kN、1 145 kN和1 175 kN，這說明在冷輾擴(kuò)過程中，隨著芯輥初始進(jìn)給速度的增大，對(duì)應(yīng)的軋制力最大值也隨之增大。當(dāng)芯輥初始進(jìn)給速度為1.2 mm/s時(shí)，軋制力上升速度最快且總體數(shù)值較大，波動(dòng)幅度較劇烈，代表軋制過程較不穩(wěn)定。當(dāng)芯輥初始進(jìn)給速度分別為1.0 mm/s和0.8 mm/s時(shí)，軋制力波動(dòng)幅度較平緩，說明芯輥初始進(jìn)給速度在滿足鍛透條件和平衡生產(chǎn)效率時(shí)應(yīng)盡可能取較小值。

4.2 錐輥轉(zhuǎn)速對(duì)力能參數(shù)的影響

將錐輥轉(zhuǎn)速作為單因素，依次取23 rad/s、26 rad/s和29 rad/s，芯輥初始進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速設(shè)為固定值，分別為1.0 mm/s和16 rad/s。

不同錐輥轉(zhuǎn)速時(shí)的軋制力曲線如圖8所示。通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，軋制力變化趨勢(shì)與圖7相似。冷輾擴(kuò)過程開始時(shí)，軋制力在短時(shí)期內(nèi)迅速增大，之后逐漸增大至峰值并持續(xù)一定時(shí)間。在進(jìn)入精整歸圓階段后，軋制力減小并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)錐輥轉(zhuǎn)速依次為23 rad/s、26 rad/s和29 rad/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的軋制力最大值依次為1 190 kN、1 177 kN和1 145 kN。

三個(gè)最大值差距并不明顯，且在整個(gè)冷輾擴(kuò)過程中的各個(gè)時(shí)刻，三條曲線的變化趨勢(shì)相近，軋制力總體數(shù)值沒有太大偏差，說明錐輥轉(zhuǎn)速對(duì)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)中軋制力的影響并不明顯。錐輥在軋制過程中起到限制內(nèi)圈環(huán)形件軸向晃動(dòng)和減小端面寬展的作用，對(duì)提高高鐵軸承內(nèi)圈的最終成形質(zhì)量有重要影響，但對(duì)冷輾擴(kuò)軋制力的影響卻有限。

4.3 驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)力能參數(shù)的影響

驅(qū)動(dòng)輥是精密冷輾擴(kuò)機(jī)的重要組成部件之一，設(shè)備繞驅(qū)動(dòng)輥中心軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在摩擦力的作用下，帶動(dòng)內(nèi)圈環(huán)形件坯料旋轉(zhuǎn)并發(fā)生塑性變形。將驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速作為單因素，依次取 13 rad/s、16 rad/s和 19 rad/s，芯輥初始進(jìn)給速度和錐輥轉(zhuǎn)速設(shè)為固定值，分別為1.0 mm/s和26 rad/s。不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速時(shí)的軋制力曲線如圖9所示。通過圖9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為13 rad/s時(shí)，軋制力總體處于一個(gè)高水平數(shù)值，最大值達(dá)到1 237 kN；但是當(dāng)驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速分別為16 rad/s和19 rad/s時(shí)，對(duì)應(yīng)的軋制力最大值分別為1 145 kN和1 086 kN，明顯較小，說明在冷輾擴(kuò)過程中，隨著驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速的增大，軋制力的最大值反而減小。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速增大，帶動(dòng)內(nèi)圈環(huán)形件坯料旋轉(zhuǎn)的速度也增大，使環(huán)形件每轉(zhuǎn)的進(jìn)給量相應(yīng)減小，導(dǎo)致內(nèi)圈環(huán)形件坯料內(nèi)部金屬材料的塑性變形程度減弱，從而引起冷輾擴(kuò)軋制力減小。驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速為19 rad/s時(shí)，軋制力總體數(shù)值最小，但波動(dòng)較為劇烈，且幅度較大。因此，在綜合考慮軋輥使用壽命及高鐵軸承內(nèi)圈最終成形質(zhì)量的前提下，應(yīng)合理地選擇驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速。

▲圖7 不同芯輥初始進(jìn)給速度時(shí)的軋制力曲線

▲圖9 不同驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速時(shí)的軋制力曲線

5 結(jié)束語

筆者基于ABAQUS軟件VUAMP子程序，利用Fortran語言編寫代碼，對(duì)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)有限元模擬過程中導(dǎo)向輥和錐輥的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證冷輾擴(kuò)過程中導(dǎo)向輥和錐輥跟隨運(yùn)動(dòng)位置的準(zhǔn)確性，從而提高不同時(shí)刻冷輾擴(kuò)內(nèi)圈環(huán)形件的成形質(zhì)量。

采用單因素法分析研究了高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)中芯輥初始進(jìn)給速度、錐輥轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)力能參數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)軋制力大小和芯輥初始進(jìn)給速度成正比，與驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速成反比。芯輥初始進(jìn)給速度和驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)速對(duì)高鐵軸承內(nèi)圈非對(duì)稱冷輾擴(kuò)過程的穩(wěn)定性影響較大，而錐輥轉(zhuǎn)速的影響則不明顯。

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