自潤滑關(guān)節(jié)軸承工藝對比仿真研究

龍泉

（博世汽車部件（長沙）有限公司，湖南 長沙 410100）

自潤滑關(guān)節(jié)軸承由內(nèi)圈、外圈、襯墊組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、摩擦系數(shù)小、壽命長、耐沖擊等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、載重汽車、水利設(shè)施等領(lǐng)域。部分學(xué)者利用有限元方法對關(guān)節(jié)軸承的冷擠壓裝配過程進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]用ABAQUS 軟件建立了關(guān)節(jié)軸承擠壓成形的二維和三維軸對稱模型。當(dāng)前很多學(xué)者都是采用軸對稱方法進(jìn)行建模。還有一種擠壓方式是半模擠壓后再合模擠壓，這種擠壓方式就不能再采用對稱約束，而要對端面進(jìn)行約束。本文對這兩種擠壓工藝過程進(jìn)行仿真，研究其對內(nèi)外圈間隙的影響。

1 冷擠壓原理

關(guān)節(jié)軸承的主要加工方式之一是冷擠壓成形。較常見的擠壓原理如圖1 所示，擠壓時，軸承放置于上下模之間，下模固定不動，上模和上定位套以一定速度向下運動，從而帶動下定位套也向下運動。定位套受到彈簧的反向作用力，因此，上下模與定位套之間存在一定的相對速度，最終實現(xiàn)閉模。

圖1 冷擠壓裝配原理

另一種擠壓方式是將軸承放置于下模上，用臺階面（非凹模）向下擠壓。然后將軸承翻轉(zhuǎn)180。，再用臺階面向下擠壓一次。

2 材料及建模方法

選用某擠壓關(guān)節(jié)軸承進(jìn)行模擬。內(nèi)圈材料為 9Cr18Mo，外圈材料為 0Cr17Ni4Cu4Nb，襯墊為自制。內(nèi)外圈為各向同性材料；襯墊為各向異性材料。內(nèi)外圈因存在大變形，考慮到塑性變形，使用柔性體，計算時均考慮材料的回彈；模具硬度大，使用剛體。本文建立兩種仿真模型。模型1 為上下同時合模擠壓，對軸承的中心做對稱約束。模型2 為先半模再合模擠壓，采用端面約束。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 擠壓過程中的變形

對于這兩種擠壓成形方式，很多人會認(rèn)為二者在仿真分析中或?qū)嶋H生產(chǎn)中得到的結(jié)果應(yīng)該一致。但根據(jù)仿真結(jié)果，可以看出，兩者并不相同。模型1 采用中間約束，上下同時合模，回彈后左右變形對稱。而模型2 采用端部約束，回彈后左右變形不對稱，右邊（半模后擠壓的一側(cè)）變形大于左邊（如圖2、圖3）。

圖2 模型1（對稱約束）回彈后內(nèi)外圈變形云圖

3.2 擠壓后的間隙對比

圖3 模型2（端部約束）回彈后內(nèi)外圈變形云圖

（1）擠壓后間隙均勻性分析

從圖5、圖6 中可看出，內(nèi)外圈間隙在軸向上不是均勻分布的。中部間隙較大，往兩側(cè)逐漸減小，到端部附近又呈增大趨勢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：一方面，在擠壓裝配過程中，外圈產(chǎn)生的總變形是由塑性變形和彈性變形二者組成。擠壓后，模具和定位套撤除，彈性變形消失，僅保留塑性變形。軸承外圈的外端因彈性恢復(fù)而縮短，內(nèi)端則伸長。兩端的彈性變形比中部多，因此，兩端的回彈量也較大。另一方面，上下凹模相對于軸承是偏心設(shè)計，這種偏心設(shè)計使得模具在擠壓時，模具側(cè)面比中部先接觸到軸承外圈，使兩側(cè)的塑性變形大于中部塑性變形，從而兩側(cè)的間隙較小。

（2）兩種工藝方法對間隙的影響。模型1 內(nèi)外圈間隙左右對稱。模型2 內(nèi)外圈中心平面錯開，左側(cè)間隙明顯大于右側(cè)間隙。因為模型1 的工藝方法中，上下模一起合模，上下模對外圈的擠壓力可視為等同，因此，外圈不產(chǎn)生軸向躥動。而在模型2 中，第一次向下擠壓后，軸承內(nèi)外圈發(fā)生變形，因此端部的定位基準(zhǔn)面相對于原始模型已產(chǎn)生一定的軸向躥動，導(dǎo)致內(nèi)外圈的中心面發(fā)生了錯位。所以模型2 的整體間隙偏移，產(chǎn)生如圖5 的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

圖4 模型1（對稱約束）回彈后內(nèi)外圈間隙

圖5 模型2（端部約束）回彈后內(nèi)外圈間隙

（1）根據(jù)總體間隙分布情況和設(shè)計要求，外圈兩側(cè)需要進(jìn)行機(jī)加工處理，把兩側(cè)大間隙區(qū)域去除，再用滾軋的方法對外圈整形和進(jìn)一步改善內(nèi)外圈間隙的均勻性。

（2）通過分析，第二種工藝方法在擠壓過程中會導(dǎo)致內(nèi)外圈的中心面產(chǎn)生錯位，影響內(nèi)外圈的間隙分布。建議通過再次合模來改善錯位情況。