基于楔橫軋原理的鋼球軋制工藝計算機仿真研究

初俊林，袁文生

（山東建筑大學(xué)，山東 濟南 250101）

鋼球是重要的基礎(chǔ)零部件，尤其是精密工業(yè)鋼球在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著巨大的作用。鋼球廣泛應(yīng)用于軸承、五金、電子、鐵藝、機械設(shè)備、電力、采礦、冶金等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國鋼球的年消耗量巨大，在百萬噸以上，但目前鋼球的主要生產(chǎn)工藝為鍛造和鑄造，生產(chǎn)效率較低。

楔橫軋作為一種軸類零件成形工藝，是一種生產(chǎn)回旋體零件的先進工藝，具有生產(chǎn)效率高、自動化程度高、材料利用率高以及模具壽命長、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點。

由于楔橫軋成形零件的原理和工藝復(fù)雜，傳統(tǒng)的理論分析和物理模擬手段難以得到全過程的完整數(shù)據(jù)，而DEFORM-3D是美國SFTC公司開發(fā)的一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元分析軟件，專門用于分析金屬成形過程中的三維金屬流動以及溫度等情況。為此采用有限元軟件DEFORM-3D對軋制?25mm的鋼球成形過程進行模擬仿真，并根據(jù)軋制過程中的金屬流動規(guī)律對楔橫軋的模具進行優(yōu)化改進。

1 鋼球楔橫軋工藝與模具設(shè)計

1.1 楔橫軋工藝原理

圖1 楔橫軋原理圖

楔橫軋工藝原理如圖1所示，利用兩個裝在同向旋轉(zhuǎn)的軋輥上的楔形模具，在楔形模具的楔形凸起的作用下帶動軋件旋轉(zhuǎn)并使毛坯產(chǎn)生連續(xù)局部小變形，最終軋制成楔形孔型的各種臺階軸。楔橫軋的變形主要是徑向壓縮、軸向延伸。楔橫軋工藝主要適用于帶旋轉(zhuǎn)體的軸類零件的生產(chǎn)，如汽車、拖拉機、摩托車、內(nèi)燃機等變速箱中的各種齒輪軸、發(fā)動機中的凸輪軸、球頭銷等。它不僅可以代替粗車工藝來生產(chǎn)各種軸類零件，而且可為各種模鍛零件提供精密模鍛毛坯，特別是由于其具有不切斷纖維、高效、節(jié)材以及模具壽命長、易于實現(xiàn)機械化等特點，越來越成為廣受重視的一種粥類零件的少無切削新工藝。

1.2 鋼球楔橫軋工藝分析

圖2 鋼球示意圖

如圖2所示為本文所研究的鋼球示意圖，直徑25mm。其傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝主要有鑄造、鍛造方法。采用楔橫軋工藝生產(chǎn)此鋼球，則根據(jù)該球的尺寸和所選用軋機規(guī)格，擬一次生產(chǎn)六個，即將球逐個排列，兩球間由直徑為4mm的金屬連接，兩頭留有料頭，軋制完成后得到一串即六個球，如圖3所示。

圖3 鋼球二維圖

1.3 鋼球楔橫軋模具設(shè)計

根據(jù)圖3所示，此為典型的長軸類軋件，其斷面均為旋轉(zhuǎn)體，符合楔橫軋工藝的基本特征。其最大尺寸25mm，最小直徑3mm，長度218mm。

根據(jù)加工要求選取在D46-400楔橫軋機上進行生產(chǎn)，其主要參數(shù)為：軋輥中心距400 mm、軋輥直徑320 mm、軋輥長度400 mm、制坯最大直徑30 mm、制坯最大長度300 mm、軋輥轉(zhuǎn)數(shù)12r/min、軋輥中心距調(diào)整量≥±10 mm、電機功率18kW，選取的毛坯直徑為25 mm的棒材。

根據(jù)楔橫軋工藝的有關(guān)選擇原則，其設(shè)計的二維模具圖如圖4所示。

模具由三部分組成：①楔入段；②成形段，該段是模具的主要部分，其展寬角β為8°，成形角α為30°，在該段結(jié)束時，各個球形已得到基本成形；③整形段，經(jīng)過整形，使第②階段基本成形的球形最終符合所要求的形狀和尺寸。

2 鋼球楔橫軋工藝計算機仿真

2.1 三維建模及模具優(yōu)化

利用有限元對楔橫軋過程進行模擬分析，建模是極其重要而又非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)模具的二維圖利用UG 10.0進行三維建模。主要是根據(jù)圖4模具圖中的B-B截面進行草圖繪制，然后旋轉(zhuǎn)拉伸，得到模具雛形。通過展寬角的度數(shù)計算螺紋線的間距，以螺紋線為路徑以與基圓面成30°角直線為目標(biāo)來掃掠一個與基圓面成30°的片體，然后修剪實體，鏡像實體就會得到模具的三維立體圖形，如圖5所示。

2.2 楔橫軋工藝過程有限元模擬分析

圖4 鋼球成形模具示意圖

圖5 模具三維立體圖

圖6 Deform-3D中的模型

將建好的模型導(dǎo)入DEFORM-3D，如圖6所示，從材料庫中選取材料45號鋼，設(shè)置加熱溫度為1150℃，坯料與上下模具的摩擦因數(shù)為2；對坯料進行網(wǎng)格劃分，并且進行進一步的局部細化；楔橫軋軋輥的運動設(shè)置，首先要找到上、下軋輥的旋轉(zhuǎn)中心，從UG10.0模型中可以找到上、下軋輥的旋轉(zhuǎn) 中 心 為（0，0，240）、（0，0，-160），設(shè)置旋轉(zhuǎn)速度為-0.4rad/s，設(shè)置擋板與配料的摩擦系數(shù)，設(shè)置模擬控制步數(shù)，定義接觸關(guān)系，檢查生成模擬所需要的BD文件退出前處理窗口，單擊Run進行模擬，其模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 模擬結(jié)果圖

根據(jù)初步模擬結(jié)果可以明顯發(fā)現(xiàn)鋼球前半段不夠飽滿，后半段球形較為完整，并且每完成一個球之后該球就會與棒料分離。所以，將模具進行改進，首先將鋼球間的連接處尺寸增大到8mm，在最后加入一個切斷段區(qū)；其次，根據(jù)鋼球前半部分不夠飽滿的問題，在模具楔入段添加軋齊曲線。將改進后的模具導(dǎo)入DEFORM-3D進行模擬分析，分析結(jié)果如圖8所示。

圖8 增加軋齊曲線后初步模擬圖

根據(jù)增加軋齊曲線后的模擬過程發(fā)現(xiàn)鋼球的整個成表過程都能達到理想的狀態(tài)。但是在進入整形階段后，坯料還在不斷地向內(nèi)擠壓，造成最后成形結(jié)果變成橢圓形，并且有金屬與擋板接觸擠壓現(xiàn)象，如圖9所示。

圖9 增加軋齊曲線后后期模擬結(jié)果圖

將軋齊曲線取消后模擬結(jié)果與圖9類似，可參考圖9。

為有效分析軋件的軸向金屬的流動規(guī)律，通過DEFORM-3D中的點的追蹤功能分析軋件成形過程中的金屬流動規(guī)律，在軋件的軸向上去若干個點作為分析點P1～P8，如圖10所示，通過模擬前后位置變化分析金屬流動規(guī)律，模擬后各點位置如圖11所示。通過對比發(fā)現(xiàn)，P1～P5各點間的軸向距離縮短，并通過點的位置變化關(guān)系做出在模具作用下鋼球成形過程中金屬流動示意圖，如圖12所示。

圖10 分析點位置圖

圖11 模擬后各點位置圖

圖12 鋼球成型過程的金屬流動示意圖

從鋼球成形過程的金屬流動示意圖可以發(fā)現(xiàn)，金屬由兩端向中間擠壓并形成金屬堆積，通過金屬流動規(guī)律對模具進行修改，并將軋件的直徑縮小到23mm并且從接下來的模擬結(jié)果中得到了較為理想的結(jié)果，成形結(jié)果如圖13所示。

圖13 模擬結(jié)果圖

3 結(jié)論

（1）基于楔橫軋原理的鋼球軋制是一個三維的大面積變形過程。經(jīng)過DEFORM-3D的模擬過程發(fā)現(xiàn)，楔橫軋工藝是具備軋制鋼球的能力的。

（2）鋼球軋制成形過程主要變形是徑向壓縮和軸向延伸，因此在坯料選擇和模具設(shè)計中要根據(jù)體積不變原理進行設(shè)計。

（3）軋齊曲線對鋼球成形過程沒有影響，因此，模具設(shè)計過程中，軋齊曲線是可以忽略的。

（4）通過點追蹤的方法分析鋼球軋制過程中金屬的流動規(guī)律，通過金屬的流動規(guī)律發(fā)現(xiàn)，鋼球兩端的金屬向中間流動，形成堆積，因此可以運用直徑小的棒料加工直徑大的鋼球。

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