關(guān)節(jié)軸承錐曲面模具冷擠壓裝配時(shí)外圈的成形仿真與分析

孫屹博，于波，吳國雄

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.蘇州東菱振動試驗(yàn)儀器有限公司，江蘇 蘇州 215011)

關(guān)節(jié)軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊,體積小,耐沖擊,可靠性高等特點(diǎn)，可承受徑向載荷、軸向載荷或徑向、軸向同時(shí)作用的聯(lián)合載荷，在外載荷作用下可實(shí)現(xiàn)擺動和一定角度范圍的傾斜運(yùn)動，廣泛應(yīng)用在礦山機(jī)械、重載運(yùn)輸、水利航海和軍工機(jī)械等領(lǐng)域[1-4]。目前關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配工藝中主要存在外圈受壓過度，導(dǎo)致其內(nèi)表面出現(xiàn)褶皺即壓潰現(xiàn)象，或由于收口能力不足導(dǎo)致的內(nèi)外圈間隙不均，其中，擠壓模具結(jié)構(gòu)是影響關(guān)節(jié)軸承成形質(zhì)量的主要因素。

針對關(guān)節(jié)軸承冷擠壓成形裝配，國內(nèi)外學(xué)者從軸承擠壓方式、工藝參數(shù)和外圈形狀等方面進(jìn)行了廣泛的研究。文獻(xiàn)[5]采用雙模具成形工藝避免單向成形造成的缺陷，通過優(yōu)化軸承外圈的形狀大大降低擠壓成形過程中的擠壓力；文獻(xiàn)[6]基于球坐標(biāo)下和金屬塑性變形公式分析棒體擠壓，得出最佳模角與擠壓變形程度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[7]提出了一種關(guān)節(jié)軸承外圈的軋制工藝以及加工流程，并對模具進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[8]通過優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及軸承外圈形狀，改善內(nèi)外圈間隙分布不均及內(nèi)外圈金屬流動速度分布不均的問題；文獻(xiàn)[9]通過虛擬正交試驗(yàn)的方法對關(guān)節(jié)軸承的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使關(guān)節(jié)軸承擠壓成形達(dá)到預(yù)期值。

為解決關(guān)節(jié)軸承在成形裝配過程中外圈壓潰和收口能力不足的問題，提出了一種具有錐曲面模腔的擠壓模具，并利用錐曲面模具開展了關(guān)節(jié)軸承擠壓成形過程的有限元分析，對外圈在不同模具結(jié)構(gòu)作用下的包角、內(nèi)球面半徑和擠壓力與進(jìn)給位移之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配原理

內(nèi)圈無作用力模壓成形工藝是關(guān)節(jié)軸承成形裝配中較常見的工藝方法，具有高效率，高精度，便于控制等特點(diǎn)，該工藝成形原理如圖1所示。

1—擠壓上模；2—軸承外圈；3—軸承內(nèi)圈；4—擠壓下模

擠壓成形裝配過程中,外圈毛坯的內(nèi)表面直徑大于內(nèi)圈球面直徑，即內(nèi)外圈之間留有一定間隙。內(nèi)外圈相互裝配，且放置于上下模具之間，上下模具的腔體部分與外圈外表面相接觸，如圖1a所示。上下模具在擠壓力的作用下開始做相向運(yùn)動，外圈受到擠壓模具的擠壓作用發(fā)生塑性變形，內(nèi)外圈的間隙逐漸減小，外圈內(nèi)表面也逐漸變?yōu)榍蛎?，如圖1b所示。內(nèi)外圈呈球面配合，模具停止進(jìn)給，最后撤走擠壓模具，關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配完成，如圖1c所示[10]。擠壓成形裝配過程中，外圈僅在擠壓模具的作用下發(fā)生變形，外圈與內(nèi)圈間無抱死和擠壓作用，有效保護(hù)了內(nèi)外圈接觸面的表面質(zhì)量。

擠壓成形裝配過程中，外圈始終貼合模具腔體表面而逐漸變形。曲面模具(圖2a)的內(nèi)部腔體為曲面結(jié)構(gòu)，其半徑為r1[11]；錐面模具(圖2b)的腔體為錐面，其錐角為θ[12]；錐曲面模具(圖2c)是在前2種模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究出的一種新型模具，模具腔體呈錐面和曲面組合結(jié)構(gòu)，為使外圈在擠壓過程平滑進(jìn)入模腔深處，模具的錐面和曲面相切配合。為方便研究，后文稱曲面模具為模具a，錐面模具為模具b，錐曲面模具為模具c。

圖2 關(guān)節(jié)軸承的3種擠壓模具

2 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配建模

AS14104-D系列關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)尺寸近似呈倍率分布，為研究方便,選取AS14104-D系列中尺寸最小的MS14104-3型軸承,建立關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配的有限元模型，對軸承擠壓成形過程進(jìn)行有限元仿真分析[13]。AS14104-D系列關(guān)節(jié)軸承的結(jié)構(gòu)如圖3所示，r為外圈內(nèi)球面半徑；α為外圈包角，通過計(jì)算得該系列關(guān)節(jié)軸承成形后的包角α約為60°。

圖3 AS14104-D系列關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

基于軸承內(nèi)圈無作用力模壓成形原理，對關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配過程進(jìn)行仿真分析，擠壓成形裝配過程中內(nèi)圈對外圈變形無壓力作用，因此，在仿真過程中只對外圈進(jìn)行仿真分析。

關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)和擠壓成形裝配裝置結(jié)構(gòu)均為回轉(zhuǎn)體，在擠壓成形裝配過程中軸承的幾何變化和受力情況均是對稱分布，所以，利用二維軸對稱有限元模型進(jìn)行仿真分析?？紤]到擠壓模具受力變形影響外圈成形結(jié)果，將擠壓模具設(shè)為解析剛體單元。外圈在擠壓過程中塑性變形較大，在計(jì)算中需考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性問題，采用CAX4R四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱四邊形單元，為提高計(jì)算精度和滿足對外圈成形表征分析的要求，只對關(guān)節(jié)軸承外圈的1/4進(jìn)行擠壓仿真分析。關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配仿真分析的有限元模型如圖4所示[7]。根據(jù)關(guān)節(jié)軸承實(shí)際擠壓條件設(shè)定套圈材料仿真參數(shù)，具體參數(shù)值見表1。

圖4 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配的有限元模型

表1 關(guān)節(jié)軸承有限元仿真分析套圈材料參數(shù)

關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配的有限元模型為二維軸對稱模型，對模型的邊界條件設(shè)定時(shí)僅對R(水平)方向和Z(豎直)方向進(jìn)行約束，其他方向不必考慮。軸承擠壓成形裝配過程中，外圈的外表面與擠壓模具模腔的內(nèi)表面接觸，外圈中部主要的變形沿著R方向平移，因此對外圈Z方向進(jìn)行約束，擠壓模具對R方向約束，其邊界條件如圖5所示[14]。由于模具的剛度大于外圈，設(shè)定模具為主接觸面，外圈外表面為副接觸面，接觸面摩擦理論采用庫侖摩擦定律，摩擦因數(shù)為0.05。仿真過程中通過幅值控制模具各時(shí)刻的進(jìn)給位移量，實(shí)現(xiàn)對外圈回彈前后變形特性的采集。

圖5 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形裝配的有限元模型邊界條件

3 仿真結(jié)果分析

因錐面模具對軸承外圈壓潰作用最明顯，以錐面模具擠壓過程為例，外圈的Von Mises等效應(yīng)力分布如圖6所示。外圈與模具接觸處的應(yīng)力較大，隨模具的下壓，接觸處的應(yīng)力逐漸增大。擠壓過程中關(guān)節(jié)軸承外圈的內(nèi)表面呈受壓狀態(tài)，外表面呈拉伸狀態(tài)，隨著模具的不斷下壓外圈由平面變?yōu)榛∶?，?nèi)圈弧面的成形半徑rf逐漸減小，成形包角αf逐漸增大，即rf1>rf2，αf1<αf2，如圖6a和圖6b所示。當(dāng)外圈的變形達(dá)到軸承的標(biāo)準(zhǔn)要求，撤走擠壓模具，外圈開始自由回彈，回彈后的內(nèi)球面半徑為re,回彈后包角為αe,回彈后軸承外圈的應(yīng)力主要集中于外圈外表面邊緣的兩頂角處，如圖6c所示。若模具的進(jìn)給位移大于軸承變形所需要的極限位移量，外圈內(nèi)表面會在中部出現(xiàn)褶皺，如圖6d所示。

圖6 擠壓過程關(guān)節(jié)軸承外圈形變狀態(tài)云圖

擠壓成形裝配過程中,外圈的成形包角變化曲線如圖7所示,從圖中可以看出，軸承外圈包角在卸載前后的變化趨勢相同，但經(jīng)過回彈后的外圈包角有所減小。模具a作用下，外圈包角在擠壓前期速率增長較慢，隨模具進(jìn)給位移的增大，擠壓后期包角成形速率逐步增大；模具b作用下,外圈包角先以較大速率增大，到達(dá)b1點(diǎn)后逐漸減小，此時(shí)外圈開始出現(xiàn)壓潰；模具c作用下,外圈包角在擠壓前期與模具b作用下的變化相似，前期成形速率增長較快，到達(dá)一定值后以較平緩的變化趨勢繼續(xù)增大，整個(gè)過程模具c對應(yīng)的包角值大于模具a，b，且無減小趨勢，即擠壓過程無壓潰。

圖7 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形過程模具位移-外圈包角變化曲線

標(biāo)準(zhǔn)要求軸承成形后外圈包角約為60°，因此，加工成形過程中αe必須大于60°才可滿足軸承工況要求。由圖7b可知，模具c作用下的αe最先超過60°，此時(shí)模具進(jìn)給位移為2.90 mm，模具b作用下的αe達(dá)到60°對應(yīng)的進(jìn)給位移為3.15 mm，模具a作用下的αe未能達(dá)到60°要求。同等模具位移(4 mm)情況下，模具c對軸承外圈的作用效率及對外圈的收口能力優(yōu)于其他2種模具，而且外圈未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，可有效保證軸承的裝配質(zhì)量。

隨著擠壓模具進(jìn)給量的不斷增加，α?xí)r刻發(fā)生變化，r也發(fā)生變化，如圖8所示。從圖中可以看出，r隨擠壓模具進(jìn)給位移的增大而逐漸減小，模具a作用下r始終大于模具b，c作用下，在相同模具進(jìn)給區(qū)間，模具a作用下r的前后波動最大，即前期以較大的速率減小，后期減小速率逐漸平緩，模具b，c作用下r均呈平緩分布。根據(jù)MS14104-3型關(guān)節(jié)軸承標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求，成形后內(nèi)球面半徑為5.17 mm，因此軸承在加工過程中re要小于5.17 mm才可達(dá)到軸承的裝配要求。由圖8b可知,模具c作用下re最先達(dá)到5.17 mm，對應(yīng)的模具進(jìn)給位移為2.8 mm，模具a,b滿足re為5.17 mm的位移分別為3.6和3.2 mm。

圖8 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形過程模具位移-外圈內(nèi)球面半徑變化曲線

上述滿足關(guān)節(jié)軸承外圈形變標(biāo)準(zhǔn)要求的模具位移區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。表中模具a因在同等位移作用下的αe未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，因此不作為統(tǒng)計(jì)范圍;模具b的有效作用區(qū)間遠(yuǎn)小于模具c，說明模具b的有效作用時(shí)間較短，實(shí)際生產(chǎn)中對模具進(jìn)給位移的控制精度要求較高;模具c的有效作用區(qū)間大于其他模具，即在生產(chǎn)過程中便于控制模具c的進(jìn)給位移，同時(shí),模具c有效區(qū)間的初始值最小，說明模具c作用下的外圈形變效率高于其他2種模具。

表2 外圈形變標(biāo)準(zhǔn)所需的模具位移區(qū)間

擠壓成形裝配過程中，壓力機(jī)為外圈成形提供擠壓力，軸承變形所需擠壓力的大小受擠壓模具的結(jié)構(gòu)影響。軸承擠壓成形過程中壓力機(jī)的擠壓力曲線如圖9所示，c，b1，b2對應(yīng)表2中模具c有效擠壓區(qū)間的起始值和模具b的有效區(qū)間的始末值。從圖中可以看出，隨模具進(jìn)給位移的逐漸增大，外圈變形所需的擠壓力也逐漸增大，模具c在同等位移下的擠壓力始終大于模具a，b對應(yīng)的擠壓力，其中模具a的擠壓力小于模具b的擠壓力。

圖9 關(guān)節(jié)軸承擠壓成形過程模具位移-擠壓力曲線

4 結(jié)束語

針對關(guān)節(jié)軸承冷擠壓成形裝配過程中外圈受模具作用下出現(xiàn)的壓潰和收口不足等問題,提出了一種具有錐曲面模腔的擠壓模具，并對外圈成形過程進(jìn)行有限元分析。計(jì)算得到外圈在錐曲面模具、曲面模具、錐面模具3種模具作用下的包角、內(nèi)球面半徑和擠壓力的變化特征，對比分析同等模具位移區(qū)間下外圈形變特點(diǎn)以及形變所需擠壓力的大小，同等外圈形變程度下各模具所需的進(jìn)給位移量。結(jié)果表明：同等模具進(jìn)給位移區(qū)間，錐曲面作用下的外圈變形未出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，可有效提高外圈的成形質(zhì)量，運(yùn)用錐曲面模具的成形效率以及對外圈的收口能力高于其他2種模具；同等形變要求下錐曲面模具所需要的擠壓力小于其他2種模具。