基于DEFORM-3D的鋼球熱壓成形工藝優(yōu)化

史慧楠，韓亭鶴，李月，王強

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150026)

優(yōu)質(zhì)的球軸承應(yīng)具備低振動、長壽命以及高可靠性等特點，這就需要使球軸承各零件具有較高的加工精度。作為球軸承的關(guān)鍵零件，鋼球質(zhì)量在很大程度上影響著軸承的動態(tài)性能和使用壽命。在軸承工作過程中，鋼球承受較高的周期性應(yīng)力作用，極易產(chǎn)生疲勞損壞，大量試驗研究表明，50%～60%的軸承失效是由鋼球疲勞損壞而造成的[1]。鋼球成形過程有冷鐓和熱壓等方式，國內(nèi)外對鋼球冷鐓過程進行了大量研究。文獻[2]通過試驗對比了錐鼓形和球形球坯的冷鐓成形工藝，結(jié)果表明，錐鼓形球坯的成品鋼球壽命和模具壽命均比球形球坯高，且錐鼓形球坯節(jié)約原材料。文獻[3]對無環(huán)帶球坯冷鐓技術(shù)展開研究，提出無環(huán)帶球坯可以降低光磨工序的磨削量，提高成形質(zhì)量及模具壽命。

尺寸較大的鋼球，由于受冷鐓機動能載荷的限制，需要進行熱壓加工，作為鋼球生產(chǎn)的關(guān)鍵步驟，其直接影響后續(xù)加工以及最終鋼球的內(nèi)部組織。文獻[4]分析了鋼球毛坯熱壓成形后的常見缺陷及其產(chǎn)生原因，從合理設(shè)計鋼球毛坯鍛件圖開始，提出了鋼球毛坯熱鍛成形工藝。文獻[5]通過對GCr15鋼球熱壓模擬仿真分析確定了獲得球坯質(zhì)量最佳的圓棒料段長徑比。但根據(jù)模具及工藝參數(shù)對鋼球無環(huán)帶熱壓過程進行模擬仿真分析相對較少。

鋼球熱壓后存在環(huán)帶，在工作中承受更高的接觸應(yīng)力和交變載荷，鋼球內(nèi)部金屬流線的完整性對抗疲勞性能有較大的影響。環(huán)帶磨掉后導(dǎo)致鋼球內(nèi)部金屬流線中斷，軸承高速運行狀態(tài)下易在金屬流線中斷處形成表面裂紋，導(dǎo)致軸承失效，所以球坯成形后兩極和環(huán)帶處收縮越小越好，可使成品鋼球獲得較小的流線切斷區(qū)域。

現(xiàn)通過DEFORM-3D軟件仿真預(yù)測熱壓后鋼球內(nèi)部金屬流線及應(yīng)力分布、內(nèi)部缺陷及環(huán)帶尺寸情況，優(yōu)化球坯參數(shù)，保證最小環(huán)帶尺寸，以避免金屬流線被破壞，提高鋼球壽命。

1 鋼球熱壓成形原理

對于直徑較大的鋼球，需采用熱壓法加工。首先將料段加熱到一定溫度，再進行鐓壓，鋼球毛坯熱鐓壓后，需進行球化退火，以降低表面強度和獲得球狀珠光體組織。

為實現(xiàn)環(huán)帶最小或接近于無環(huán)帶，采用錐鼓形模具進行加工，錐鼓形模具型腔采用半球和一定錐角的錐體相切而成。

由塑性變形理論可知，金屬發(fā)生塑性變形時，首先沿阻力最小的方向流動[6-7]，如圖1所示，A0B0和A′B′接觸處的阻力遠遠大于環(huán)帶C處的阻力，金屬首先流向C處，并開始形成環(huán)帶，隨著兩胎模間距a的減小，阻力逐漸增大，當其超過塑性變形金屬向兩極流動的阻力時，球坯兩極被充滿。鋼球鐓壓采用錐鼓形模具，與球形模具相比，由于錐角的存在，金屬流動阻力小，金屬易向兩極流動，鐓壓時金屬材料流向兩胎模接合面時就能順利地充滿型腔兩極，因此可得到最小環(huán)帶或近于無環(huán)帶。

圖1 鋼球熱壓成形原理圖Fig.1 Schematic diagram of hot pressing forming of steel ball

2 試驗設(shè)計

為了降低球坯余量，避免因環(huán)帶尺寸較大造成金屬流線破壞，且保證鐓壓后球坯飽滿，需要對下料尺寸進行精確計算。

2.1 計算下料直徑和長度

鋼球球坯示意圖如圖2所示，圖中：α為錐角；A為環(huán)帶厚度；K為環(huán)帶寬度；Dw為球坯公稱直徑。將球坯分為環(huán)帶、兩極以及球體(除去環(huán)帶和兩極的部分)3個部分，球坯體積V為[8]

圖2 球坯示意圖Fig.2 Diagram of ball billet

V=2V兩極+V環(huán)帶+2V球體=

(1)

β=90°-α。

在鋼球熱鐓壓過程中不考慮火耗及其他影響因素，金屬的體積和質(zhì)量基本保持不變，因此熱壓后球坯體積和下料體積基本相等。根據(jù)球坯體積計算結(jié)果可得下料直徑和長度分別為

(2)

式中：d為棒料直徑；L為棒料長度；λ為壓縮比，錐鼓形球坯壓縮比為2.2～2.4，可獲得最好的錐鼓形球坯[6]345。錐鼓形球坯模具的錐角α應(yīng)根據(jù)材料的性質(zhì)、鋼球直徑以及壓縮比等因素在47.5°～55°[6]345內(nèi)通過試驗進行選取，為保證熱壓后毛坯球環(huán)帶最小以及生產(chǎn)時的工藝參數(shù)，參考環(huán)帶厚度A選取0.1～0.4 mm。

2.2 試驗分析設(shè)計

根據(jù)(1)式可以看出，球坯體積與錐角、環(huán)帶厚度及環(huán)帶寬度有關(guān)，以直徑19.05 mm的鋼球熱壓加工為例進行仿真分析及試驗驗證，根據(jù)以上公式及數(shù)據(jù)可得棒料直徑為13.4～14.1 mm，取13.5～14.2 mm，建立試驗因素水平表，見表1。

表1 試驗因素水平表Tab.1 Test factors level table

采用正交試驗法對鋼球熱壓加工過程進行仿真，分析各因素對環(huán)帶尺寸、內(nèi)部應(yīng)力分布及鐓壓力的影響，從中選出最優(yōu)參數(shù)。正交試驗表見表2[9]319。

表2 正交試驗表Tab.2 Orthogonal test table

3 建模及仿真

采用DEFORM-3D軟件在試制加工前模擬鋼球熱壓加工過程，可實現(xiàn)模具的優(yōu)化設(shè)計,材料的力學(xué)性能分析,工藝參數(shù)優(yōu)化，不僅節(jié)約材料，提高生產(chǎn)效率，還可以快速獲得最佳工藝方案。

3.1 棒料及模具建模

鋼球在熱壓成形加工前，首先將棒料切段加熱，然后放入兩模具中鐓壓成球坯。根據(jù)前文設(shè)定的球坯體積及棒料直徑，可求得每組模擬試驗的壓縮比及料段長度，進而建立每組料段三維模型。根據(jù)錐角和環(huán)帶厚度可以得出模具球窩半徑、球窩深等參數(shù)[10]，建立上下胎模的三維模型。

首先將NX UG軟件中建立的上下胎模及棒料的三維模型導(dǎo)出擴展名為*.stl文件，分別導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中，導(dǎo)入后的模型如圖3所示。由于鍛壓加工是在材料加熱后進行的，按加熱溫度計算熱尺寸放大系數(shù)，對棒料尺寸進行放大。

圖3 導(dǎo)入后模型Fig.3 Imported model

3.2 材料建模

定義棒料材料為進口軸承鋼M50，DEFORM-3D材料庫中無此材料，需借助于文獻[11]中M50鋼的高溫本構(gòu)方程及化學(xué)成分，本構(gòu)方程為

(3)

3.3 接觸設(shè)置

鋼球鐓壓過程中，模具與工件之間相互作用，使工件發(fā)生塑性變形，仿真時選用剪切摩擦，由于熱壓過程中無潤滑，選擇摩擦因數(shù)為0.6。熱傳遞系數(shù)不考慮模具溫度變化，選擇DEFORM-3D軟件推薦值。

3.4 運動參數(shù)設(shè)置

鋼球熱壓加工過程中，上模為主動模，根據(jù)實際情況及設(shè)備參數(shù)，設(shè)定總行程為160 mm，打擊頻率為32 次/min，停止條件設(shè)為上下模間距等于環(huán)帶厚度。

3.5 后處理

運行結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行后處理，分析鍛壓后材料是否充滿模具，是否存在折疊或裂紋，以及毛坯球內(nèi)部金屬流線、應(yīng)力分布等，對加工結(jié)果進行評價。

4 結(jié)果分析及參數(shù)確定

4.1 結(jié)果評價標準

考慮熱壓加工后加工留量和對最終成品的影響，根據(jù)以下選取標準對結(jié)果進行分析[12]：

1)根據(jù)軟件模擬接觸分析結(jié)果判斷是否存在折疊等缺陷，球坯內(nèi)部是否存在無折疊角。

2)充滿度，根據(jù)毛坯球尺寸及是否有環(huán)帶與兩極判斷熱壓后鋼球是否充滿模具型腔。

3)鋼球熱壓后為光球，即球坯在2塊鑄鐵板中施加壓力使球在溝中滾動；因此球坯的環(huán)帶處公稱直徑D、球高H和45°方向D1尺寸均需滿足光球工序工藝要求。

4)三向尺寸越相近，球坯圓度越好，光球工序加工時間越短。

5)相同的環(huán)帶厚(試驗設(shè)計中設(shè)定相同)情況下，環(huán)帶寬越小，環(huán)帶體積越小，后續(xù)加工金屬流線斷裂程度越小。

6)鐓壓加工中在保證毛坯球質(zhì)量的同時，模具受力越小，模具的壽命越長。

4.2 工藝參數(shù)的確定

分別對表2中16組參數(shù)進行仿真，結(jié)果如圖4所示。仿真試驗數(shù)據(jù)見表3。由圖4可知，1#，2#，4#，5#，8#，12#，14#球坯未充滿球胎，球坯無明顯兩極及環(huán)帶，不滿足工藝要求；3#，13#球坯兩極尺寸不滿足光球工藝要求；對比6#，7#，9#，10#，11#，15#，16#球坯圓度、環(huán)帶寬度以及模具受力情況，11#球坯的工藝參數(shù)為最優(yōu)組合。

圖4 球坯仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of ball billets

表3 仿真試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Simulation test data

4.3 仿真結(jié)果分析

采用錐鼓形模具加工且工藝優(yōu)化后的11#球坯內(nèi)部金屬流線如圖5a所示。對比用原球形模具加工的球坯內(nèi)部金屬流線(圖5b)可知，采用錐鼓模具加工的球坯環(huán)帶及兩極處收縮成形更小，金屬纖維流線完整性更好。

圖5 2種模具加工的球坯內(nèi)部金屬流線Fig.5 Internal metal flow line of ball billet processed by two kinds of molds

對比使用錐鼓形和原球形模具熱壓加工的模具受力，如圖6所示。由圖可知，采用球形模具熱壓加工，其上模具受力為6×105N左右,使用錐鼓模具熱壓加工時模具最大受力為3×105N左右，減小了50%，提高了模具的使用壽命。

圖6 2種模具受力對比Fig.6 Load comparison between two kinds of molds

11#球坯溫度場及等效應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。由圖可知，最高溫度在上下接合面即環(huán)帶處，整體溫度較熱壓前升高，這是由于金屬在變形過程中內(nèi)部被激活使得溫度升高；球坯整體鍛透性良好，且最低應(yīng)變發(fā)生在上下半球的二分之一處。

圖7 溫度場及等效應(yīng)變場Fig.7 Temperature filed and equivalent strain field

4.4 試驗加工對比分析

采用錐鼓形模具胎對工藝優(yōu)化后的11#球坯進行試驗加工(圖8)，結(jié)果證明，仿真與試驗球坯外形基本一致。熱壓后的球坯無折疊等缺陷，對其尺寸進行測量，環(huán)帶、兩極及三向尺寸均與仿真結(jié)果一致。

圖8 仿真與實物球坯圖Fig.8 Simulation and real ball billets

對熱壓后球坯沿兩極切割，經(jīng)酸洗腐蝕后其流線特征如圖9所示。由圖可知，球坯流線特征與仿真結(jié)果基本吻合。

圖9 實物球坯金屬流線特征Fig.9 Metal flow line characteristic of real ball billet

5 結(jié)束語

建立了仿真正交試驗，基于DEFORM-3D對鋼球熱壓成形過程進行了有限元分析，通過對熱壓成形后球坯有無缺陷、充滿度、三向尺寸、環(huán)帶寬度以及模具受力進行對比，得出最優(yōu)的加工工藝參數(shù)。結(jié)果證明，無環(huán)帶錐鼓球的內(nèi)部金屬流線更合理，且模具受力更小。該研究對模具主要參數(shù)的選取，以及實際生產(chǎn)加工中針對不同尺寸鋼球熱壓模具的設(shè)計具有指導(dǎo)意義，在一定程度上與鋼球?qū)嶋H熱壓加工過程相吻合。