深溝球軸承外圈毛坯滾珠旋壓成形數(shù)值模擬

宋衛(wèi)華，陳今良，趙春江

(1.中國鋁業(yè)貴州分公司，貴陽 550014；2.攀枝花學(xué)院 材料工程學(xué)院，四川 攀枝花 617000；3.太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，太原 030024)

滾珠旋壓采用滾珠對管材進(jìn)行連續(xù)局部塑性成形[1]，是一種高效、精密的筒形件強力旋壓成形方法，分為內(nèi)旋和外旋，滾珠沿旋件軸向進(jìn)給，或者沿旋件軸向與徑向2個方向進(jìn)給[2-3]。對于滾珠旋壓力的計算，文獻(xiàn)[4]推導(dǎo)了變形區(qū)空間幾何的投影面積；文獻(xiàn)[5]對空間接觸面積進(jìn)行了求解，并應(yīng)用了精確的變形抗力計算模型；文獻(xiàn)[6]對銅管內(nèi)壁滾珠旋壓的缺陷進(jìn)行了數(shù)值分析；文獻(xiàn)[7]對帶肋薄壁管的滾珠旋壓過程進(jìn)行了詳細(xì)分析和數(shù)值模擬；基于理論研究，新型滾珠旋壓設(shè)備已經(jīng)投入使用[8]。

軸承套圈毛坯多通過鍛造和輾環(huán)工藝進(jìn)行加工，以消除金屬內(nèi)在缺陷，改善金屬組織，使金屬流線分布合理，金屬致密度好，從而提高軸承的使用壽命[9]，但都屬于單件成形，生產(chǎn)效率低。基于滾珠旋壓工藝原理，可一次性在管材內(nèi)壁旋壓多排弧形溝槽，經(jīng)鋸切后形成單個帶內(nèi)溝槽的深溝球軸承外圈毛坯。下文通過采用ANSY/LS-DYNA軟件對不同滾珠直徑和進(jìn)給量的滾壓過程進(jìn)行剛塑性有限元計算，詳細(xì)分析旋壓力的變化規(guī)律，對滾珠旋壓成形套圈毛坯工藝和模具設(shè)計提供參考。

1 滾珠旋壓成形工藝

管材內(nèi)壁溝槽滾珠旋壓工藝加工深溝球軸承外圈毛坯工藝如圖1所示。其中，旋壓模具總體由滾珠、套筒、進(jìn)給塊和絲杠組成。進(jìn)給塊在套筒內(nèi)被周向約束，并與絲杠旋合；旋壓模具和絲杠同時旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給塊推動滾珠沿套筒的斜孔升降，同時在套筒的帶動下旋轉(zhuǎn)，在旋件內(nèi)壁旋壓出溝道。

1—軸承座；2—旋件(熱軋鋼管)；3—滾珠；4—套筒；5—進(jìn)給塊；6—絲杠圖1 管材內(nèi)壁溝槽滾珠旋壓工藝示意圖

2 有限元模擬

2.1 模型建立

建立管材的1/4周長有限元對稱模型如圖2所示。圖中，序號1為實施當(dāng)前旋壓的滾珠；序號2為實施上一圈旋壓的滾珠；序號3為1/4管材。采用ANSY/LS-DYNA對模型進(jìn)行剛塑性有限元模擬，設(shè)滾珠為剛體，管材為雙線性各向同性模型，管材為熱軋軸承鋼鋼管，材料密度為7.80×103kg/m3，彈性模量為197 GPa，泊松比為0.27，屈服強度為520 MPa。

圖2 有限元物理模型

2.2 單元類型及約束條件

滾珠旋壓過程主要是塑性變形，也存在彈性變形，因此采用剛塑性有限元法進(jìn)行分析。實體單元均采用8節(jié)點SOLID164單元；鋼管軸向截面兩側(cè)節(jié)點施加垂直截面約束，滾珠轉(zhuǎn)速為1 rad/s；為避免沙漏和負(fù)體積，不采用質(zhì)量縮放，采用單點積分算法。

2.3 模擬結(jié)果及分析

以6406N和6308N型深溝球軸承為例，綜合考慮軸承的鋼球直徑(分別為12.5，15 mm)、毛坯的加工余量、與溝道密合度以及需要去除的旋壓后的多余變形等因素，選取外徑為100 mm、壁厚為20 mm的鋼管，滾珠直徑Dw分別選取12，15和18 mm，對應(yīng)進(jìn)給量分別取Δh為0.5，1和1.5 mm。應(yīng)用ANSY/LS-DYNA進(jìn)行剛塑性有限元計算，分別觀察不同滾珠直徑、進(jìn)給量下的應(yīng)變和應(yīng)力分布，并輸出切向、徑向和總旋壓力值。旋壓力之間的關(guān)系為

式中：Fv和Ft分別為徑向和切向旋壓力。

當(dāng)滾珠直徑為12 mm、進(jìn)給量為0.5，1 mm時的計算過程與計算結(jié)果如圖3所示。不同滾珠直徑和進(jìn)給量下的切向、徑向和總旋壓力計算結(jié)果如圖4所示。

由圖可知，滾珠旋壓深溝球軸承外圈的有限元模擬過程中，最大等效應(yīng)力、最大塑性應(yīng)變均位于溝槽底部，應(yīng)力在整個溝槽成形過程中分布不均勻，溝槽中金屬由于受滾珠擠壓往兩側(cè)流動，形成凸起狀態(tài)。

滾珠在鋼管內(nèi)壁旋壓過程中，承受來自管壁的法向壓力Fv和近似沿溝槽底部所在圓的切向方向阻礙滾珠前進(jìn)的阻力Ft，由于滾珠的徑向進(jìn)給量較小，滾珠與溝槽的法向接觸面積大于切向接觸面積，所以切向旋壓力遠(yuǎn)小于徑向旋壓力。旋壓力分量隨著旋深的增加而增大，且增長趨勢逐漸減小；同一旋壓深度和旋壓進(jìn)給量下，旋壓力的增長量隨著滾珠直徑的增加基本保持不變；同一旋壓進(jìn)給量下，隨著旋深的增加，旋壓力的增長量增大。

3 結(jié)束語

通過有限元模擬分析了不同徑向進(jìn)給量、不同滾珠直徑下滾珠旋壓鋼管旋壓力變化的一般規(guī)律。模擬選取的鋼管尺寸相對于所選取軸承型號的外圈其加工余量偏大，即實際生產(chǎn)中應(yīng)采用壁厚更薄的鋼管。但在一定的鋼管壁厚范圍內(nèi)，由于徑向進(jìn)給量很小，旋壓力受壁厚的影響所造成的誤差較小，因此文中的計算結(jié)果具有一定參考價值，后續(xù)仍需對更加接近實際工況的旋壓過程進(jìn)一步研究分析。