基于Deform的軸承鋼球冷鐓工藝的優化設計

張世偉

摘 要：目前的鋼球冷鐓工藝生產具有較低的材料利用率、較大的兩極以及鋼球環帶等一系列的問題，這樣除了使后續的加工時間變得更長之外，還導致了非常嚴重的浪費現象。為了能夠有效地控制球坯余量，并且實現提升生產效率和節約材料的目的，本文研究了錐鼓形球坯冷鐓工藝，并且將一系列的評價指標建立了起來，最終將合理的球坯工藝參數得出。

關鍵詞：Deform；冷鐓模具；正交試驗

中圖分類號： F407.42 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）32-172-2

0 引言

作為球軸承的關鍵零件，鋼球的質量會對軸承的使用性能產生極大影響。在鋼球生產中冷鐓屬于一個關鍵的步驟，其會對后續加工產生直接影響。現階段國外主要采用生產試驗的方式進行鋼球球坯參數研究，很少從塑性理論方面出發進行研究。我國之前在球坯外形方面大多都是采用球形球坯，而錐鼓型球坯則在國外得到了廣泛的應用，這是由于錐鼓形球坯在成形的時候更加簡單，而且金屬也更加容易流動，縮小了兩級和環帶，并且能夠有效地降低后續銼削去環帶的時間。本文選擇錐鼓形球坯，在對正交試驗進行設計并且對Deform軟件仿真進行應用之后，最終將比較合理的球坯參數得出。采用這種球坯參數除了能夠使鋼球冷鐓質量得以提升之外，還可以將大量的材料節約下來，有效地控制各項生產成本。

1 冷鐓球坯成形的工藝分析

由于生產條件、鋼球等級和毛坯材料的形狀的差異，因此在制造鋼球的工藝方面也存在著差異，但是其具有基本相同的工藝路線，詳情見圖1。

錐鼓形鋼球冷鐓成形的過程中具有兩極先出、環帶后出的特點。沖模有孔是出現兩極的原因，而這些孔主要是為了在加工和裝推桿的過程中排氣，避免沖模無法將金屬充滿。之所以會形成環帶，最為主要的原因就是要將多余的體積擠出，并且避免兩沖模出現直接碰撞的問題[1]。通過塑性變形理論分析，我們可以發現，在出現塑性變形的時候金屬會沿著具有最小阻力的方向流動。由于環帶處的阻力與其他部位阻力相比遠遠要低，因此金屬首先會向環帶處流動，從而形成環帶。在兩沖模端面間距值不斷減小的同時，環帶金屬向外流動的阻力會變得越來越大。在該阻力大于金屬向鋼球兩極流動阻力的一刻，金屬就會充滿球坯。

2 球坯的理論計算分析

2.1 對球坯體積進行計算

在公式中，球坯直徑用Dw來表示，環帶高度用A來表示，環帶厚度用K來表示，球坯錐角用β來表示，α+β=90o

在已知α的情況下，通過公式（2）就能夠將M的值計算出來。

2.2 計算棒料直徑

通常通過剪切的方式獲得冷鐓用的棒料，假設d是棒料的直徑，L為切料的長度，λ=L/d為錐鼓形球坯的壓縮比，以變形前后體積不變的原理為根據

3 設計正交試驗

選擇正交試驗的最為主要的目的就是因為正交試驗本身具有非常優良的整齊可比性和均衡分散性，正交實驗設計的試驗點的代表性也非常強，能夠通過較少的試驗次數將不同因素的對試驗指標的影響規律和主次順序等分析出來，最終能夠得到比較滿意的試驗結果。在優化模具的時候，首先要對有無減小兩極尺寸的可能進行考慮，可以通過角度的方式對兩極的直徑進行調整，利用不同的角度將不同的極直徑得出，而且還可以對材料體積、冷鐓力和塑性變形等受到的模具的影響予以兼顧。對球坯外形因素具有影響的參數包括很多種，其中主要是K、A、λβ等。相關資料表明，λ=2.2-2.4。通過對球形球坯的工藝參數進行參考，最終設定K=0.1-0.4。利用公式3就能夠將球坯的最大體積范圍計算出來，也就是在312.5-306mm3的范圍之內。共設計了4個水平和試驗因素。

4 建模及仿真研究

作為一個高度集成化和模塊化的有限元模擬系統，商用軟件Deform主要包括三個大模塊，也就是前處理器、后處理器和模擬器。前處理器主要是負責坯料和模具的幾何信息、材料信息的輸入、成型條件的輸入等，同時將邊界條件建立起來，其還配備有有限元網格自動生成器。作為一種有限元求解器，模擬器具備熱傳導、剛塑性、彈塑性和彈性等一系列的功能，而后處理器則可以確保模擬結果實現可視化，并且還可以對OPGL圖形模式進行支持，將用戶需要的各種模擬數據輸出出去。Deform支持用戶操作自己的數據庫，并且修改系統的設置，對自己的材料模型等進行定義。首先可以通過三維軟件CATIA將棒料和上下模的三維模型建立起來，*.stl文件為導出擴展名，并且利用Deform將上述的模型導出。隨后采用擴展名對棒料材料進行定義，劃分棒料網格，使其成為5萬個。上模具有50mm·s-1的運動速度，0.035mm的最小步長，將停止距離設置成環帶厚度K。

5 球坯參數的確定和冷鐓力的比較

5.1 建立評價標準

通過對生產實踐和后續工序受到的球坯的影響的研究，將評價體系提出來。通過正交試驗能夠將以下評價體系得出：首先，飽滿度：所謂的飽滿度主要是指冷鐓球坯的兩極必須要明顯，其主要是對材料是否充滿模具進行評價。其次，體積：其主要的評價內容就是節省材料，減少體積，并且減少環帶體積，從而進一步縮短后續的光磨時間。再次，冷鐓力：通過對體積、壓縮比和兩極大小進行改善的方式降低冷鐓力，并且使模具的壽命得以進一步提升。最后，圓度：為了確保在厚度的光磨工藝中更加方便地進行磨削，這時候需要使鋼球毛坯具有相近的三向尺寸。所以，在這里將一個圓度的概念提了出來，利用圓度就能夠對鋼球毛坯的三向尺寸進行有效的評價。

5.2 確定參數

通過觀察發現，在某些冷鐓球坯的試驗品種不存在著明顯的環帶和兩極，也就是說其并未完全填充滿，所以無法達到工藝要求。采用圓度分析的方式對其他試驗進行分析，從而將不同試驗的圓度情況定量的得到。通過對試驗的冷鐓力進行分析，可以發現其中有一些試驗品具有比較小的冷鐓力，再加上對前面圓度的考慮，最終確定最為理想的為1.62×105N的冷鐓力。

5.3 冷鐓力的比較

通過對錐鼓形實物球坯和錐鼓形球坯仿真結果進行比較，結果發現，錐鼓形實物球坯和錐鼓形球坯仿真結果兩者基本上具有吻合的外形。這一結果證實，Deform仿真與實際情況比較符合，冷鐓力在經過優化之后可以達到1.62×105N，具有35%的下降幅度。因此在優化之后使得模具的受力得以減小。

6 結語

通過仿真分析和正交試驗分析的方式，選擇科學合理的評價指標比較不同的球坯試驗品，最終得出最佳的球坯試驗品工藝參數。與原來的球坯相比，優化后的球坯在各方面均實現了較大的提升，根據最佳球坯試驗品工藝參數將相應模具的主要尺寸設計出來，能夠對我國的軸承鋼球冷鐓工藝的優化具有一定的借鑒作用。

參 考 文 獻

[1] 魏敏，郭偉.基于Deform的鋁合金管熱彎曲成形的仿真與試驗研究[J].鑄造技術，2016（05）.

[2] 邵燃，徐看.基于Deform-3D的葉片模鍛模具設計研究[J].熱加工工藝，2014（05）.