模擬沖壓外圈滾針軸承的滾針徑向靜壓試驗研究

鐵曉艷 馬新忠 張振潮 王虎強

一、試驗?zāi)康?/p>

滾針軸承徑向結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)徑尺寸和載荷能力與其他類型軸承相同時，外徑最小，因此特別適用于徑向安裝尺寸受限制的支承結(jié)構(gòu)。又因其結(jié)構(gòu)類型可選用滾針和保持架組件、滾針軸承、無內(nèi)圈滾針軸承、雙列滾針軸承、雙列無內(nèi)圈滾針軸承和穿孔型沖壓外圈滾針軸承、封口型沖壓外圈滾針軸承。本文以探究滾針軸承內(nèi)部軸承鋼滾針與滲碳鋼套圈之間的接觸變形關(guān)系為研究目的，針對非標封口型沖壓外圈滾針軸承BK4135進行滾針靜壓試驗（如圖1所示為滾針軸承BK4135結(jié)構(gòu)示意圖）。研究當其只承受徑向載荷時，滾針和套圈的變形與失效形式。通過靜壓試驗記錄滾針載荷/變形的試驗數(shù)據(jù)，從而獲得從彈性到塑性再到失效三個階段的載荷位移曲線，為滾針有限元分析所需材料特征屬性模型提供理論依據(jù)，從而為進一步研究滾針、套圈材料『生能的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

二、滾針靜壓試驗

1、試驗件及附件

滾針為按照實際工藝生產(chǎn)的標準滾針，長11mm，直徑Ф5.38mm，表面凸度0.005，-0.015mm，材料為GCrl5，表面硬度61-65HRC。由于加載方式受限，所以采用兩塊圓餅分別替代內(nèi)、外套圈與滾針接觸，并將載荷施加在上圓餅上。為保證接觸面積及試驗件剛度，圓餅直徑為Ф45min，厚度為10inln，材料為QC005，表面硬度58-64HRC，滲碳淬硬層厚度0.3-0.7mm。

為防止?jié)L針受壓崩裂時碎片飛濺，并保證上下圓餅同軸，試驗時需在滾針和圓餅外配合安裝—個限位圓環(huán)。圓環(huán)內(nèi)徑46mm，外徑60mm，厚20mm。采用退火態(tài)軸承鋼加工而成，硬度197-207HB。如圖2所示為試驗滾針、試驗圓餅及試驗附件限位圓環(huán)。

2、試驗設(shè)備

如圖3所示，試驗裝置包括微機液壓萬能試驗機、電感式位移傳感器和位移信息記錄軟件。其中微機液壓萬能試驗機為加載設(shè)備，可實時測量并記錄載荷值;電感式位移傳感器可實時測量位移量;位移信息記錄軟件可記錄并保存位移傳感器測得的實時位移數(shù)據(jù)。具體型號和屬性如表1所示。

3、試驗方案

如圖4所示為試驗原理簡圖，因為試驗的目的要獲得滾針與套圈之間的載荷與變形關(guān)系，所以本試驗為準靜態(tài)壓縮試驗。試驗前需用汽油清洗滾針、圓餅和限位圓環(huán)，并用棉球蘸汽油擦拭壓頭與支座的作用平面，保證試驗件與附件表面無雜質(zhì)顆粒，以免影響試驗結(jié)果。微機液壓萬能試驗機使用前需預(yù)熱一段時間，待液壓泵穩(wěn)定后操作壓頭上下移動，確定試驗機性能穩(wěn)定。本次試驗共進行20組，每組試驗包括一根滾針和2塊圓餅。試驗加載步驟具體如下。

（1）用記號筆在下圓餅平面中心放置滾針位置處進行標記，將其記號面朝上放置于底座中間位置，并將限位圓環(huán)套在下圓餅上。

（2）將滾針水平放置在下圓餅標記處，用少許膠水固定（防止?jié)L針在不經(jīng)意觸碰下滾動偏斜）。

（3）在滾針上水平放置上圓餅，由于限位圓環(huán)的限制，可保持上圓餅的水平穩(wěn)定。

（4）控制試驗機壓頭下移至與上圓餅完全接觸，并產(chǎn)生不大于100N的初始預(yù)載。

（5）將位移傳感器觸頭調(diào)整至壓頭下平面，調(diào)整初始位移量為上差0.3998mm，位移記錄頻率調(diào)為1s/次，開始記錄位移。

（6）將加載速度調(diào)至200±100N/s，開始加載，加載過程中保持加載速度相對穩(wěn)定。

（7）當外壓載荷上升至60000N時下調(diào)加載速度至不大于100N/s。

（8）滾針發(fā)出崩裂聲時停止加載，并將壓頭上移離開上圓餅。

（9）停止位移記錄，取出2塊圓餅及已破壞滾針，觀察并保存;讀取加載及位移記錄數(shù)據(jù);清理壓頭及支座表面。然后進行下一組試驗，共進行20組試驗。

4、試驗結(jié)果

如圖5所示為靜壓試驗后的滾針及圓餅，根據(jù)其失效形式可知，由于材料特性及硬度的不同，滾針與圓餅的失效形式存在明顯區(qū)別。圓餅表面被壓出明顯的壓坑，主要為塑_生變形;而滾針則在長度方向約1/3處崩裂，呈直接脆斷的失效形式。這與非標封口型沖壓外國滾針軸承BK4135的使用工況基本相似。

對試驗載荷和位移數(shù)據(jù)進行處理，如表2所示為20組滾針靜壓試驗極限載荷和位移。可知，滾針可承受的極限載荷范圍為64.29～78.8kN，滾針與圓餅接觸對在壓縮載荷下的最大變形范圍為0.4008～0.7174mm。對這些數(shù)據(jù)進行整理分析，分別得到如圖6、圖7所示的極限載荷分布直方圖和變形量分布直方圖。

由圖6、圖7可知，極限載荷與位移均符合高斯分布的特征，即大部分結(jié)果落在中間一段范圍內(nèi)，其他區(qū)域只有小概率零星分布。其中80%的極限載荷主要分布于72±4kN范圍內(nèi)，80%的變形量主要分布于0.55±0.1mm范圍內(nèi)。

三、試驗數(shù)據(jù)分析

1、載荷變形曲線

根據(jù)試驗機記錄的載荷/時間數(shù)據(jù)和傳感器記錄的位移/時間數(shù)據(jù)，得到20組滾針載荷/位移關(guān)系曲線，如圖8所示。由圖可知，該曲線可分為非線性曲線段、線性曲線段以及最終的滾針破壞階段。從試驗開始至變形量達到0.1～0.2mm之間時定義為非線性曲線段，如圖9即為01號滾針進行靜壓試驗時的非線性曲線段。當變形量為0.1-0.2mm之間的某一數(shù)值時，即進入線性曲線段，直至試驗結(jié)束。

對比試驗過程，可初步認為非線性曲線段對應(yīng)滾針與圓餅的彈性接觸變形過程，而線性曲線段則意味著圓餅發(fā)生了望性變形。

2、擬合分析

為進一步分析試驗曲線的特性，尋找軸承鋼與滲碳鋼壓縮變形的彈性極限強度，對試驗曲線進行擬合分析。根據(jù)前述曲線特征，對曲線進行分段擬合，選取線性特征最為明顯的區(qū)間，即變形量為0.2-0.4mm之間的數(shù)據(jù)進行線性擬合。擬合方程為f2（x）=b1x+b2。擬合參數(shù)結(jié)果如表3所示，圖10所示為07號試驗結(jié)果的線性擬合結(jié)果。

由表3可知，參數(shù)b1和b2存在一定的離散性，計算其算術(shù)平均值分別為168344和-15121。

根據(jù)線性擬合結(jié)果，選取試驗結(jié)果與擬合結(jié)果偏差在5%以內(nèi)的點作為非線性段/線性段轉(zhuǎn)折點，對應(yīng)變形量及載荷量如表4所示。

將表4所得結(jié)果轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)折點處變形、載荷值的直方圖，如圖11、12所示。

由圖11可知，轉(zhuǎn)折點處變形量結(jié)果分布范圍遍及0.12-0.22mm，跨度較大，但在0.16±0.03mm范圍內(nèi)較為集中，達到試驗總數(shù)的80%。根據(jù)計算得轉(zhuǎn)折點處變形量平均值為0.1677mm。按照前述線性擬合參數(shù)取平均值，當變形量為0.1677mm時，計算昕對應(yīng)載荷為13110.3N。

由圖12可知，轉(zhuǎn)折點處對應(yīng)載荷量分布范圍為9-23kN，跨度很大，其中19號結(jié)果對應(yīng)載荷遠大于其余試驗結(jié)果，因此判斷為不合理結(jié)果，在統(tǒng)計中剔除。通過統(tǒng)計計算，載荷全部分布在（12.5±3.5）kN范圍內(nèi)。根據(jù)計算得轉(zhuǎn)折點處載荷平均值為12.98kN，與根據(jù)0.1677mm平均變形量計算所得載荷13.11kN接近。

根據(jù)軸承行業(yè)通用線接觸應(yīng)力計算方法，滾針與套圈最大接觸應(yīng)力通常采用如下公式簡化計算：

根據(jù)上述計算公式，當載荷為12.98kN時最大接觸應(yīng)力為3979.55MPa，與GB/T4662-2012中給出的線接觸軸承徑向基本額定靜載荷對應(yīng)的應(yīng)力極值4000Mpa相符合，說明試驗結(jié)果合理可靠。

四、結(jié)論

本文以模擬軸承鋼滾針與滲碳鋼套圈之間的載荷與變形關(guān)系為研究目標，針對非標封口型沖壓外圈滾針軸承BK4135進行了滾針靜壓試驗，并制定了滾針靜壓試驗的試驗方法。研究了當其只承受徑向載荷時，滾針和套圈的變形與失效形式。通過對靜壓試驗數(shù)據(jù)進行載荷與變形分析，獲得了從彈性到塑性再到失效，這3個階段的載荷位移曲線，得到滾針壓碎強度范圍為64.29-78.8kN，最大變形量0.4008-0.717mm，存在一定離散型。通過線性擬合，得到了滾針與圓餅接觸變形彈性強度極限平均值為12.98kN和平均彈性與塑性變形轉(zhuǎn)折點位移為0.1677mm。為滾針有限元分析所需材料特征屬性模型提供理論依據(jù)，同時為進一步研究滾針和套圈材料性能的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。