基于ABAQUS的關節軸承冷擠壓仿真參數優化

陳清偉

(1.福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000；2. 福建省關節軸承企業重點實驗室，福建 漳州 363000)

自潤滑關節軸承由內圈、外圈、襯墊組成，具有結構緊湊、質量輕、耐沖擊、免維護、安全可靠性高和壽命長等優點，常用于低速重載工況，如工程機械、水利設備、軍工機械等領域[1]。冷擠壓成形是關節軸承重要的成形方式之一，先前對于冷擠壓模具及軸承成形工藝設計大多基于經驗，費時、費力、效率低，且擠壓效果不佳[2]。

軸承冷擠壓裝配過程的有限元仿真對提高產品的生產效率和產品質量具有重要意義，已有部分學者用有限元方法對軸承擠壓過程進行了研究。文獻[3]分析了關節軸承雙收口成形相對單邊收口成形的優勢；文獻[4]用ABAQUS軟件分別建立了關節軸承擠壓成形的二維軸對稱模型和三維模型；文獻[5]利用ANSYS軟件對自潤滑關節軸承擠壓裝配過程進行了數值模擬。

上述文獻在對擠壓進行仿真分析時忽略了襯墊建模或未考慮襯墊變形，且多數采用仿真模擬優化后進行試驗便得出相應結論，沒有將試驗結果再次與仿真結果對比，將所得的試驗結果反饋于仿真參數設置的修改。因此，文中進行仿真分析時將考慮襯墊的擠壓變形，并通過工業CT無損檢測的方法測量擠壓試驗后外圈的成形輪廓，并與仿真結果進行比較，以此進一步修正仿真中各參數的設置，達到更優的參數設置。

1 擠壓裝配原理

關節軸承擠壓裝配原理如圖1所示[2]，軸承放置于上下模之間，在擠壓過程中，下模不動，上模和上定位套受到壓力之后以一定速度向下運動，而下定位套受到軸承內圈施加的作用力也向下運動。由于定位套受到彈簧的反向作用力，故模具與定位套之間存在一定的相對速度，最終實現閉模。

圖1 擠壓裝配原理

文中選用某擠壓T型關節軸承作為樣件進行試驗和測量，試驗所用的擠壓模具型腔與外圈毛坯尺寸均經過ABAQUS仿真優化得到，外圈材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，內圈材料為G102Cr18Mo，襯墊為自制。

2 模型建立方法

根據實際裝配條件，對模具和軸承進行建模，由于擠壓過程中軸承幾何形狀和受力都是對稱的，故建立二維軸對稱模型。芯軸、模具和定位套均采用RAX2單元，采用解析剛體進行求解；內、外圈在擠壓過程中有較大變形，故選用柔性體進行求解，采用CAX4R單元；襯墊為各向異性材料，將其視為類金屬單元，采用GKAX4單元進行求解。擠壓后直接通過工業CT提取得到外圈的整體輪廓(圖2)。

圖2 工業CT測量結果

將工業CT測量所得的輪廓轉換為顯示剛體用于仿真對比，建模結果如圖3所示。

圖3 仿真建模

3 仿真結果與參數修正

3.1 仿真結果

3.1.1 初步參數設置

仿真初步參數設置為：彈性模量192 GPa;摩擦因數0.05；采用自制襯墊，襯墊特性如圖4所示。

圖4 自制襯墊應力-位移曲線

3.1.2 仿真結果

初步仿真結果如圖5所示，外圈內側的曲線在工業CT測量時因襯墊干擾而誤差較大，故以外圈外部輪廓為主要參照，內部輪廓為輔助參照；測量外圈外側中部實體輪廓線與仿真輪廓線的水平差為0.061 mm，誤差較大，需進一步調整仿真參數。

圖5 初步仿真結果

3.2 參數修正

3.2.1 襯墊參數

由于襯墊為各向異性材料，建模時將其視為類金屬單元，結合試驗獲得的自制襯墊應力-變形曲線作為材料屬性。工業CT測量結果中襯墊在擠壓狀態下中間部位厚度為0.22mm，而初步仿真所得襯墊厚度為0.34 mm，可知仿真擠壓后的襯墊厚度仍然偏厚，所以調整時考慮將襯墊的剛度減小，使擠壓后襯墊的厚度減小，以貼近實際擠壓所得的襯墊厚度。初始仿真和減小襯墊剛度后(工業CT測量)關鍵點厚度測量結果如圖6所示，說明減小襯墊剛度可以改變仿真中襯墊成形厚度，減小厚度后仿真的結果更貼合實際擠壓狀態。

圖6 襯墊參數修正對比

3.3 彈性模量

軸承外圈材料0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的彈性模量理論值為192 GPa，實際拉伸試驗所得的彈性模量為192 GPa，現保持修正后的襯墊參數不變，對仿真中的彈性模量進行變化，驗證彈性模量對仿真結果的影響程度(表1)。

表1 彈性模量對仿真結果的影響

由表可知，彈性模量小范圍變化對仿真結果中密合度的影響不大，參數設置為192 GPa，外圈外側輪廓曲線與實際試驗所得的吻合度最好。

3.4 摩擦因數

保持外圈材料0Cr17Ni4Cu4Nb的彈性模量和修正后的襯墊參數不變，對仿真中的摩擦因數進行變化，以驗證摩擦因數對仿真結果的影響程度(表2)。

表2 摩擦因數對仿真結果的影響

由表可知，摩擦因數對仿真結果中密合度的影響較大，摩擦因數增大，密合度值增大，外部輪廓曲線吻合度差。摩擦因數設置在0.05時，外圍輪廓曲線與實際試驗所得的吻合最好，且密合度較小。

4 結束語

通過試驗結果對仿真參數進行修正，以更加真實的模擬關節軸承的擠壓裝配。改變傳統的仿真模擬—試驗的單線驗證模式，改為仿真—試驗—再仿真(修正)的驗證方式，先用仿真軟件對擠壓過程進行模擬，再對試驗結果進行測量，并將試驗結果反饋于仿真中，對仿真參數進行修正，形成閉環。通過該方法不斷積累仿真參數數據，使仿真與實際更加接近，有助于后期軸承精密擠壓仿真的開展，實現擠壓仿真達到“所見即所得”的效果。