基于數值模擬的軸承端蓋溫擠壓成形工藝研究

吳淑芳 王培安?ス?歡歡?ブ燉隼?

摘 要：傳統的軸承端蓋加工，材料浪費嚴重、效率低下；而溫擠壓成形能夠節約原材料，提高零件的效率和精度。利用Deform-3D軟件進行數值模擬，改變工藝參數，對比分析速度場、溫度場以及損傷因子等變化情況，進而優選出軸承端蓋溫擠壓成形工藝參數。

關鍵詞： 數值模擬；溫擠壓成形；模具設計；deform-3D

【中圖分類號】 TH133.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】2236-1879（2017）05-0220-03

軸承端蓋的主要作用并不是支撐，而是軸承外圈的軸向定位和防塵﹑密封；此外，還常常和密封件配合來達到其它結構密封的作用。在傳統的軸承端蓋加工過程中，材料浪費嚴重，效率低下；而溫擠壓成形則能節約原材料，提高零件的效率和精度。

本文以軸承端蓋作為研究對象，根據軸承端蓋的幾何形狀和材料性能要求，分析溫擠壓成形工藝方案，并且利用Deform-3D軟件進行數值模擬，進而優化工藝參數，為端蓋類零件的實際生產加工提供了一種優質、高效、低成本的成形工藝[1]。

1 成形工藝流程方案確定

由于軸承端蓋在溫度比較高的情況下容易發生變形，因此為了保證在使用過程中所需要的剛度及其強度，此零件材料選用45#鋼。45#鋼屬于優質碳素結構鋼，強度較高、剛性好，其成分和力學性能如表1所示。

根據軸承端蓋幾何形狀的復雜程度和材料性能，初步擬定成形工藝流程方案為：剪切下料→軟化熱處理→磷化+皂化潤滑→正擠壓→整形。依據此方案，使用有限元的模擬軟件Deform-3D對其成形過程進行模擬分析研究[2]。

2 毛坯尺寸確定

軸承端蓋零件的尺寸如圖1所示。

通過零件圖計算出零件的體積。為保證軸承端蓋的精度，擠壓之后往往需要再進行切削加工，因此在計算毛坯體積的時候往往需要留出加工余量，即算上加工余量的體積。由于零件高度為12 mm，查文獻[3]可知加工余量h=2 mm，由此可以獲得鍛件圖如圖2所示。

為了方便毛坯順利放入凹模中，則毛坯直徑取d=42.8 mm。由鍛件體積可推算坯料高度h1=11.8 mm[4]。最后得到的坯料尺寸如圖 3所示。

3 模具設計

幾何模型是有限元模擬的基礎，在 Solidworks中分別完成坯料、凸模、凹模的幾何模型，分別如圖4、5、6所示。模具材料選用4Cr5MoSiV1。

3 不同直徑毛坯成形效果分析

模擬分析時，模具材料對應 Deform材料庫中的AISI-H13，坯料對應Deform材料庫中的AISI-1045；采用最小網格單元，邊界長度1/10，物理步長為0.04，下壓量為5.8 mm；坯料溫度為800℃，模具溫度為200℃，環境溫度為20℃；工作速度取10 mm/s；坯料與模具間的摩擦類型為剪切摩擦，摩擦系數為0.25。

為了得到好的成形效果，且達到節約材料，減少模具磨損、提高模具壽命的目的，分別取毛坯直徑為φ42.7 mm、φ42.8 mm、φ42.9 mm進行數值模擬（見圖7、8、9）分析比較。

鍛件在擠壓成形過程中不同下壓量的金屬成形情況大致分為4個階段：

1）當下壓量在1.45 mm之前時，由于坯料在凸模的外力作用下向下不斷移動，在坯料進入凹模的圓角區域時就開始發生塑性變形。

2）當下壓量在1.45～2.9 mm之間時，凸模會一直向下壓著坯料進行流動，這是由于坯料受到凸模外壓力的作用時發生鐓粗變形，逐漸開始填充模腔。

3）當下壓量在2.9～4.35 mm之間時，坯料與凹模的接觸面積不斷增加，變形程度增大，材料開始向上下兩個方向流動，在模腔內形成筒壁。

4）當下壓量在4.35～5.8mm之間時，變形過程繼續進行，一直到擠壓過程終止。

通過比較不同坯料的成形效果分布圖可以看出，：各個坯料在成形過程中都有一定的毛刺；φ42.7 mm坯料毛刺厚度較厚，鍛件的成形效果差；φ42.8 mm、φ42.9 mm毛刺厚度薄，鍛件尺寸較符合鍛件圖要求，鍛件的成形效果較好；φ42.8 mm較節約材料，成形過程分布較均勻，無折疊等缺陷，成形效果更好。

5 不同工藝參數結果對比分析

根據上述比較分析結果，選用坯料為φ42.8 mm×11.8 mm。另外，本次數值模擬還設置了多組不同的工藝參數進行對比分析，具體有：

1）坯料預熱溫度T0：分別選用750℃、800℃和850℃。

2）擠壓速度V：分別選用5 mm/s﹑10 mm/s和15 mm/s進。

3）摩擦系數f：分別設為0.15、0.25和0.35。

5.1 溫度的影響

由圖10可見，隨著擠壓溫度的升高，坯料溫度升高的幅度變小。升高幅度小說明坯料溫差小，坯料在此條件下成形，組織晶粒變化均勻，有利于提高成品的質量。

5.2 速度的影響

擠壓過程中擠壓速度是關鍵的工藝參數，因為擠壓速度越大生產效率就會越高，但是擠壓速度越大同時也會增大材料變形的不均勻程度，如圖11所示。由于變形速度增加時的熱效應，使毛坯的溫度有所增加，如圖12所示。

5.3 摩擦系數的影響

摩擦系數是影響材料塑性成形的一個重要因素。如圖13所示，隨著摩擦系數的增大，損傷因子的最大值也不斷增大。損傷因子值越大說明出現裂紋的機率就越大。因此，在整個溫擠壓的過程當中，較好的潤滑是保證擠壓過程順利進行的重要因素之一，應盡最大可能的改善工件及其模具之間接觸面的潤滑情況[5]。

根據上述結果分析比較各個工藝參數在軸承端蓋的擠壓過程中的影響，選取軸承端蓋的擠壓工藝參數為：擠壓溫度800℃，擠壓速度10 mm/s，摩擦系數0.15。在這組工藝參數下對坯料進行溫擠壓，在低成本情況下，可獲得優質﹑高效的軸承端蓋[6]。

6 結論

1）根據軸承端蓋幾何形狀的復雜程度和材料性能，初步擬定工藝流程方案﹑確定毛坯的尺寸以及模具設計。

2）為了獲得較高質量的鍛件、好的成形效果且節約材料，分別取不同直徑的毛坯進行數值模擬分析。結果顯示，坯料為φ42.8 mm坯料成形過程分布較均勻，無折疊等缺陷，成形效果更好。

3）分析研究擠壓溫度、摩擦系數、擠壓速度對成形過程的影響，模擬結果表明：坯料在成形過程中擠壓溫度越大，坯料溫度升高的幅度越??；隨著擠壓速度的增大材料變形的不均勻程度也增大；由于變形速度增加時的熱效應，隨著擠壓速度的增大溫度也隨之增加；隨著摩擦系數的增大，損傷因子的最大值越大[7] 。本軸承端蓋溫擠壓最優工藝參數組合為：擠壓溫度800℃，擠壓速度10 mm/s，摩擦系數0.15。

作者簡介：吳淑芳（1964—），女，教授，博士，研究方向：塑性加工，模具設計。王培安（1990—），男，碩士生，研究方向：模具設計。

參考文獻

[1] 姜炳春，趙利平，唐聯耀. 軸承端蓋的擠壓模具設計及損傷模擬[J]. 模具制造，2014（12）：79-82.

[2] 趙震，陳軍，吳公明. 冷溫熱擠壓技術[M]. 北京：電子工業出版社，2008.

[3] 郝濱海. 擠壓模具簡明設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2006.

[4] 盧立偉，趙俊，劉龍飛，等. 軸承端蓋的擠壓成形工藝及有限元分析[J]. 熱加工工藝，2014，43（15）：126-132

[6] 楊文華，吉衛，周朝輝，等. TC4 鈦合金杯形件等溫擠壓數值模擬研[J]. 航空制造技術，2013（16）：103-106.

[6] 嚴紅. 鍛造工藝與模具設計[M]. 北京：機械工業出版社，2011.

[7] 張弘. 軸承端蓋溫擠壓成形工藝研究及有限元模擬[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014：1-8.