湯亞軍

摘 要：本文基于A(yíng)BAQUS-3D模型下的有限元仿真建模，分析和比較小型推力關(guān)節(jié)軸承仿行和普通結(jié)構(gòu)的鍛坯在反擠壓鍛造過(guò)程中的變形抗力，得出兩者的變形抗力比值關(guān)系；通過(guò)仿真計(jì)算結(jié)果與理論校核，確定仿形反擠壓鍛坯在反擠壓過(guò)程中的變形抗力值是否符合鍛壓沖床安全生產(chǎn)的受力要求，并以此指導(dǎo)鍛加工工藝設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：推力關(guān)節(jié)軸承；仿形結(jié)構(gòu)；反擠壓；仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

小型推力關(guān)節(jié)軸承的外圈的內(nèi)孔?。ㄐ∮?5mm），壁厚大，鍛件加工通常采用反擠壓切底成型工藝。小型號(hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求批量較大，采用仿形反擠壓鍛造成型可以較大程度地減少鍛件重量，并提高機(jī)加工效率，降低材料成本和加工成本。仿形鍛造即是參照成品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將原材料加熱后通過(guò)壓力機(jī)等設(shè)備鍛造加工成接近成品結(jié)構(gòu)的鍛件。外圈的仿形反擠壓加工面為內(nèi)孔面，內(nèi)圈為外圓面，主要區(qū)別為外圈結(jié)構(gòu)由上模成型，內(nèi)圈結(jié)構(gòu)則由下模成型。受材料、封模深度、設(shè)備壓力、模具強(qiáng)度、模具潤(rùn)滑等多方面因素的影響，外圈成型難度一般大于內(nèi)圈，尤其體現(xiàn)在變形抗力上。仿形反擠壓鍛造的變形抗力大于普通型鍛造的變形抗力，因設(shè)備本身的噸位和超載極限均可知，故需研究分析兩種成型方式的變形抗力關(guān)系，量化比較結(jié)果。

在軸承套圈鍛壓的仿形反擠壓工序中，一般上模為施力模，下模為成型模，成型結(jié)構(gòu)則由下模型腔決定。因推力關(guān)節(jié)軸承外圈的內(nèi)孔為錐形結(jié)構(gòu)，成型過(guò)程中，上模須同時(shí)具備施力和成型的能力，為保證沖床載荷能夠承受反擠壓變形抗力并安全生產(chǎn)，通過(guò)有限元仿真和理論校核計(jì)算，研究分析小型號(hào)推力關(guān)節(jié)軸承反擠壓鍛造的受力情況，對(duì)于指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)作業(yè)具有十分重要的意義。

1 小型推力關(guān)節(jié)軸承鍛造工藝

本文以GX系列A型號(hào)軸承為研究對(duì)象，材料GCr15，鍛造工藝流程如圖1所示。

該型號(hào)軸承尺寸小，仿形反擠壓為主成型工序，與普通結(jié)構(gòu)鍛件相比，結(jié)構(gòu)上存在較大差異，如圖2所示。仿形反擠壓的鍛壓成型中，上模選用40°錐度的沖頭，滑塊下行后，沖頭擠入鍛坯的內(nèi)孔中，保留5mm料芯，切底后形成10mm的直段夾位，制得鍛件。因上模為成型模，故仿形反擠壓的變形抗力大于普通型。

2 有限元仿真計(jì)算

2.1 普通型反擠壓變形抗力計(jì)算

確定仿真參數(shù)和條件，分別計(jì)算普通型和仿形的反擠壓變形抗力，得出兩者的比值關(guān)系。查閱資料相關(guān)技術(shù)資料，得出熱變形狀態(tài)下的計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表1。

結(jié)合圖2中普通型反擠壓的制坯尺寸，基于A(yíng)BAQUS-3D模型下的有限元仿真，得出鍛件內(nèi)部單元應(yīng)力分布和反擠壓上模承載的變形抗力，具體結(jié)果如圖3所示。

仿真結(jié)果顯示，左圖中最小應(yīng)力為13.9MPa，最大應(yīng)力為194MPa。右圖中最大承載變形抗力為672000N，即67.2t。

2.2 仿形反擠壓變形抗力計(jì)算

結(jié)合圖2中仿形反擠壓的制坯尺寸，基于A(yíng)BAQUS-3D模型下的有限元仿真，得出鍛件內(nèi)部單元應(yīng)力分布和反擠壓上模承載的變形抗力，結(jié)果如圖4所示。

仿真結(jié)果顯示，左圖中最小應(yīng)力為44.4MPa，最大應(yīng)力為194MPa。右圖中最大承載變形抗力為1080000N，即108t。

2.3 仿真結(jié)果比較

圖4和圖5結(jié)果顯示，通過(guò)仿真計(jì)算得出，普通型和仿形反擠壓變形抗力分別為672000N和1080000N，即仿形反擠壓變形抗力是普通型的1.6倍。200kW中頻感應(yīng)加熱鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的J21-160型擠壓沖床是否滿(mǎn)足仿形反擠壓變形抗力要求，需校核仿真計(jì)算數(shù)值。

3 仿形反擠壓變形抗力校核

3.1 校核計(jì)算

通過(guò)表1和普通型反擠壓制坯尺寸，計(jì)算普通型反擠壓變形抗力，由仿形與普通型變形抗力的比值關(guān)系，得出仿形變形抗力值。普通型反擠壓制坯尺寸如圖5所示。

反擠壓變形抗力公式為：

（1）

其中，K為變形速度影響系數(shù)，σs為屈服強(qiáng)度，μ為摩擦系數(shù)，D為反擠壓外徑，d為反擠壓上模直徑，H為反擠壓坯料高度，h為反擠壓預(yù)留料芯厚度，S為上模接觸面積。

將表1參數(shù)和圖5尺寸，代入式（1）中，得：

P1=2.05×3.45×8×1.5×3.14×32.82/4=71650kg=71.65t

由2.3得知，仿形反擠壓的變形抗力為普通型的1.6倍，故仿形反擠壓的變形抗力為114.64t。與仿真計(jì)算值108t比較，誤差為6%，結(jié)果比較準(zhǔn)確。

3.2 沖頭保險(xiǎn)蓋強(qiáng)度極限計(jì)算

沖床實(shí)際使用中的受力極限是通過(guò)安裝在沖床上的保險(xiǎn)蓋限制的，保險(xiǎn)蓋實(shí)體外形如圖6所示。保險(xiǎn)蓋破裂沖床則停止工作，計(jì)算沖床保險(xiǎn)蓋的承載極限，并比較反擠壓制坯時(shí)的極限變形抗力，以此判斷沖床在反擠壓制坯時(shí)，抵抗變形抗力的能力，判斷該型號(hào)反擠壓工藝實(shí)施的可行性。保險(xiǎn)蓋結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示。

保險(xiǎn)蓋材料為45鋼，剪切強(qiáng)度為355MPa，即35.5kg/mm2，其破裂失效是在沖床剪切力作用下發(fā)生的，其剪切力計(jì)算公式如下：

P3=σc×πd×h （2）

其中，σc為剪切強(qiáng)度，d為接觸外徑，h為剪切高度。將圖7尺寸代入公式（2）中得：

P2=35.5×3.14×165×（35-28.1）=126908kg

保險(xiǎn)蓋剪切力為126908kg，即126.908t，而A型號(hào)仿形反擠壓變形抗力為108t，故此型號(hào)的仿形反擠壓受力在J21-160型沖床的安全使用范圍內(nèi)。

4 結(jié)果及其分析

（1）通過(guò)仿真計(jì)算，仿形反擠壓變形抗力為普通型的1.6倍。

（2）通過(guò)校核，仿真參數(shù)選取和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，GX系列A型號(hào)仿形反擠壓變形抗力為108t。

（3）沖床的保險(xiǎn)蓋承載剪切力大于仿形反擠壓變形抗力，200kW中頻感應(yīng)加熱鍛造生產(chǎn)線(xiàn)的J21-160型沖床可以滿(mǎn)足A型號(hào)的變形抗力要求

結(jié)語(yǔ)

一般內(nèi)孔直徑小于35mm小型號(hào)推力關(guān)節(jié)軸承，無(wú)法利用輾環(huán)成型的方式得到鍛件，通常是采用反擠壓成型后切除料芯的方式成型。而反擠壓的變形抗力比輾環(huán)成型大，且倒角、壁厚差，截面輪廓的精度均較差，因此對(duì)相比輾環(huán)成型，反擠壓對(duì)設(shè)備壓力的要求高，其中仿形反擠壓要求最高，必須通過(guò)合理的參數(shù)選擇和準(zhǔn)確的計(jì)算，給予工藝設(shè)計(jì)和安全生產(chǎn)以參考。本文關(guān)于反擠壓受力的計(jì)算和分析方法同樣適用于其他系列軸承的反擠壓鍛造成型的研究和分析。

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