李治，許繼帥，梁建國，趙春江，王琛

(1.太原理工大學(xué) 先進(jìn)成形與智能裝備研究院，太原 030024；2.臨工集團(tuán)濟(jì)南重機(jī)有限公司，濟(jì)南 250098；3.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

螺旋孔型斜軋是一種特軋工藝，具有生產(chǎn)效率高，材料利用率高，加工質(zhì)量好，設(shè)備簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于回轉(zhuǎn)體零件尤其是軸承套圈坯料的加工[1-2]。

國內(nèi)外對螺旋孔型斜軋工藝做了一定研究：文獻(xiàn)[2]基于DEFORM-3D模擬了軸承內(nèi)圈坯料軋制過程，得到了坯料在變形過程中的應(yīng)力和應(yīng)變；文獻(xiàn)[3]基于DEFORM-3D模擬了鋼球軋制過程，分析了坯料在變形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度，并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)了新的導(dǎo)板；文獻(xiàn)[4]通過試驗(yàn)分析了工藝參數(shù)對翅高及伸長率的影響，得到最佳成形工藝；文獻(xiàn)[5]基于DEFORM-3D模擬了外螺紋錨桿軋制過程，分析了工藝參數(shù)對坯料內(nèi)外徑及壁厚的影響；文獻(xiàn)[6]基于Simufact 模擬了6種不同長度的螺旋孔型軋輥軋制鋼球的過程，確定了鋼球的有效應(yīng)變、損傷準(zhǔn)則、溫度分布以及載荷和扭矩的變化規(guī)律，并預(yù)測了軋輥的磨損方式和磨損速率；文獻(xiàn)[7]提出一種螺旋孔型軋制球頭銷工藝，通過數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證了工藝的可行性；文獻(xiàn)[8]對比了楔橫軋和螺旋孔型斜軋軋制球頭銷時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和損傷準(zhǔn)則，結(jié)果表明螺旋孔型斜軋更優(yōu)。

上述研究涉及的產(chǎn)品主要集中于鋼球、螺紋管、球頭銷、錨桿及翅片管等，關(guān)于軸承套圈坯料的螺旋孔型斜軋工藝研究較少。鑒于此，基于有限元軟件Abaqus/CAE，建立軸承套圈坯料高溫螺旋孔型斜軋成形三維有限元模型，分析軋制過程中坯料的應(yīng)變和應(yīng)力以及軋輥的軋制力和力矩。

1 螺旋孔型斜軋工藝

1.1 螺旋孔型斜軋?jiān)?/h3>

軸承套圈坯料螺旋孔型斜軋工作原理如圖1所示，3個(gè)帶有螺旋孔型的軋輥中心線相互交叉，與坯料中心線夾角為α，并繞各自中心線以相同轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)。在軋輥與坯料的摩擦力矩和軋輥凸棱對坯料的軸向分力作用下，坯料繞自身中心線旋轉(zhuǎn)并沿軋制中心線前進(jìn)。坯料在螺旋孔型軋輥和芯棒的共同作用下連續(xù)變形并填滿孔型空間，最終在軋輥出料口完成坯料軋制成形。

1—芯棒；2—軋輥；3—支承架；4—坯料。

1.2 軋輥設(shè)計(jì)

軸承套圈坯料螺旋孔型軋輥包含成形段、精整段和切斷段：成形段內(nèi)坯料沿軋輥孔型的外徑面劇烈變形，為使成形段內(nèi)坯料的壓縮量盡可能均勻分布，該段孔型的斷面應(yīng)符合坯料形狀，使進(jìn)入精整段的坯料盡可能接近成品，該段螺旋凸棱長度取3圈，即凸棱螺旋角為1 080°；精整段的主要作用為消除成形段完成時(shí)殘存的單一平面外徑變動(dòng)量，使坯料達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，該段軋輥螺旋凸棱長度取1圈，即凸棱螺旋角為360°；切斷段是利用逐步升高的孔型凸棱將已整形的坯料切斷，該段長度取1圈，即凸棱螺旋角為360°。

綜上所述：軋制軸承套圈坯料的軋輥凸棱圈數(shù)為5，凸棱螺旋角為1 800°，軋輥凸棱高度、寬度的變化趨勢如圖2所示(720°～1 800°對應(yīng)區(qū)域?yàn)槌尚味危?60°～720°對應(yīng)區(qū)域?yàn)榫危?～360°對應(yīng)區(qū)域?yàn)榍袛喽?。

圖2 軋輥凸棱尺寸變化曲線

2 有限元模型

以φ40 mm×φ33 mm×25 mm的軸承套圈坯料斜軋為例，材料為GCr15，軋輥軋制過程主要參數(shù)見表1。

表1 軋輥軋制過程主要參數(shù)

基于有限元軟件Abaqus回轉(zhuǎn)體成形建模方法，建立軸承套圈坯料螺旋孔型斜軋三維模型，如圖3所示。其關(guān)鍵建模方法如下：

圖3 軸承套圈坯料螺旋孔型斜軋三維有限元模型

1)為防止模擬過程中軋輥與坯料穿透，對坯料網(wǎng)格化處理后，設(shè)定軋輥表面與網(wǎng)格表面的面接觸以及網(wǎng)格表面自接觸。

2)忽略軋輥和支承架的彈性變形，將其視為剛體；坯料采用彈塑性模型，其高溫模型和物理屬性參考文獻(xiàn)[9]；忽略坯料與軋輥、空氣之間的熱傳導(dǎo)及熱交換，坯料溫度恒定。

3)為準(zhǔn)確模擬坯料受到軋輥?zhàn)饔贸霈F(xiàn)斷裂，采用軟件中提供的韌性斷裂損傷模型定義坯料的斷裂，利用高溫單向拉伸試驗(yàn)確定所需損傷參數(shù)[10]。

4)坯料網(wǎng)格采用六面體八節(jié)點(diǎn)單元類型，選用中心軸算法均勻劃分，并在分析步添加STATUS變量輸出控制由于大變形出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變，保證模擬結(jié)果的精度和收斂性。

5)軋制過程中坯料與軋輥的接觸應(yīng)力較大，與支承架的接觸應(yīng)力較小。坯料與軋輥、支承架的接觸表面采用恒定摩擦模型，考慮實(shí)際生產(chǎn)過程為改善咬入條件在軋輥上設(shè)置粗糙表面，坯料與軋輥的摩擦因數(shù)取最大值1[11]，坯料與保持架的摩擦因數(shù)取0.1。

3 結(jié)果分析

3.1 等效塑性應(yīng)變

軸承套圈坯料螺旋孔型斜軋成形過程中的等效應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，根據(jù)軋輥孔型幾何特征和螺旋孔型斜軋成形特點(diǎn)，每個(gè)坯料的斜軋成形過程分為成形和整形2個(gè)階段。坯料金屬咬入軋制孔型后的成形初期不足以填滿整個(gè)孔型空間，只有一部分在軋輥凸棱的反復(fù)擠壓作用下初步軋制；進(jìn)入成形段后，兩側(cè)凸棱對應(yīng)的坯料金屬擠壓變形加劇，使金屬逐漸充滿孔型空間，初步完成坯料的軋制；進(jìn)入整形段后，坯料的連接頸被凸棱軋斷，對初步成形的坯料進(jìn)一步軋制，消除坯料表面缺陷，得到合格的軸承套圈坯料。

由圖4a可知，坯料與軋輥開始接觸時(shí)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，隨凸棱高度增加，塑性變形增加，并從凸棱接觸位置逐漸沿徑向和凸棱兩側(cè)軸向傳遞。觀察3 s時(shí)坯料縱截面云圖(即坯料過其中心線且平行于xOz平面所形成的平面)，大塑性變形主要分布于凸棱接觸位置，2個(gè)凸棱間孔型對應(yīng)的坯料塑性應(yīng)變較小，塑性變形在軸向分布不均勻。

圖4 軸承套圈坯料斜軋成形過程等效應(yīng)變

為更直觀說明成形規(guī)律，選取坯料縱截面上的5個(gè)點(diǎn)分析。由圖4b可知，坯料內(nèi)表面中心點(diǎn)O、外表面中心點(diǎn)A、外表面1/4處點(diǎn)B在整個(gè)成形過程中等效應(yīng)變較小，而內(nèi)、外表面靠近連接頸處點(diǎn)C，D等效應(yīng)變較大，主要是由于軋制過程中坯料受芯棒和軋輥孔型的限制，使遠(yuǎn)離連接頸處金屬產(chǎn)生微小的塑性變形，而靠近連接頸處金屬受到軋輥凸棱的作用產(chǎn)生劇烈塑性變形，直至斷裂。

3.2 應(yīng)力

軋制過程中軸承套圈坯料x，y，z方向的應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 軸承套圈坯料應(yīng)力分布

由圖5a可知，坯料外表面區(qū)域?yàn)檩S向壓應(yīng)力，軸向拉應(yīng)力大多分布于坯料中間位置以及未受到凸棱壓縮的管區(qū)域，且周向(坯料被yOz平面所截形成的圓環(huán)截面在圓周方向)分布不均勻。坯料與軋輥凸棱接觸產(chǎn)生不均勻變形，使連接頸區(qū)域金屬受到軸向和徑向的擠壓作用，表面金屬沿材料流動(dòng)阻力較小的兩側(cè)型腔流動(dòng)，坯料表面金屬流動(dòng)性增加，但坯料內(nèi)部金屬流動(dòng)性比表面金屬差，阻礙了表面金屬流動(dòng)，導(dǎo)致坯料外表面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力，內(nèi)部產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在各個(gè)坯料的內(nèi)表面，這是因?yàn)榕髁鲜軆蓚?cè)凸棱的擠壓作用，外表面金屬流動(dòng)性遠(yuǎn)大于內(nèi)表面。

由圖5b可知，坯料大部分區(qū)域處于徑向受壓狀態(tài)，徑向拉應(yīng)力分布于坯料壁厚中心位置，且周向分布不均勻。徑向應(yīng)力的分布狀態(tài)與坯料螺旋孔型斜軋成形的變形特點(diǎn)有關(guān)，軋制成形過程中，坯料受到凸棱反復(fù)擠壓，金屬發(fā)生較大變形，使坯料大部分區(qū)域處于徑向受壓狀態(tài)。坯料壁厚中心位置產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力是由于坯料內(nèi)外側(cè)表層金屬和內(nèi)部不均勻變形以及坯料中心位置金屬受到兩側(cè)凸棱的擠壓作用下產(chǎn)生擴(kuò)徑。

由圖5c可知，橫向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分布類似，坯料大部分區(qū)域處于徑向受壓狀態(tài)，橫向拉應(yīng)力分布于坯料豎直方向，且周向分布不均勻。在軋制過程中坯料反復(fù)受到3個(gè)軋輥的擠壓作用，材料向阻力較小的橫向方向流動(dòng)，出現(xiàn)一定程度的橫向變形，導(dǎo)致坯料內(nèi)部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。另外，在成形段坯料受到的徑向擠壓作用最強(qiáng)以及封閉孔型阻礙金屬軸向流動(dòng)，橫向擴(kuò)展加劇，導(dǎo)致坯料內(nèi)部產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力。

綜上可知，軸承套圈坯料斜軋成形過程中，連接頸對應(yīng)大部分區(qū)域始終處于三向受壓狀態(tài)且與凸棱的接觸點(diǎn)處最大；坯料徑向壓應(yīng)力值和作用區(qū)域明顯大于其他兩向。在軋制過程中，坯料內(nèi)外表面受到拉壓不同的應(yīng)力且分布不均勻，導(dǎo)致坯料橢圓化；坯料表層區(qū)域兩向或三向受壓應(yīng)力，內(nèi)部區(qū)域三向或兩向受拉應(yīng)力，這種差異易導(dǎo)致內(nèi)部微缺陷的萌生和擴(kuò)展。

3.3 軋制力和力矩

軸承套圈坯料斜軋成形軋制力及力矩變化如圖6所示：1)成形過程中軋制力和力矩均以軋輥每轉(zhuǎn)所用時(shí)間為周期循環(huán)變化。2)軋制力及力矩均隨坯料咬入軋輥孔型,從而迅速增大；軋輥在旋轉(zhuǎn)到約半圈時(shí)，各封閉孔型空間內(nèi)的金屬基本貼合孔型內(nèi)壁，軋制力及力矩達(dá)到最大；軋輥繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，軋制力及力矩逐漸下降，一直降低到每轉(zhuǎn)軋輥凸棱開始咬入坯料時(shí)的值。

圖6 軸承套圈坯料斜軋成形軋制力及力矩變化曲線

4 結(jié)論

基于Abaqus有限元分析軟件建立了軸承套圈坯料螺旋孔型斜軋成形三維模型，介紹了關(guān)鍵建模技術(shù)，分析了軋制過程中坯料的應(yīng)變和應(yīng)力以及軋制力和力矩，得到以下結(jié)論：

1)在軋制過程中坯料內(nèi)、外表面受到拉壓不同的應(yīng)力且分布不均勻，導(dǎo)致坯料橢圓化；

2)坯料表層區(qū)域兩向或三向受壓應(yīng)力，內(nèi)部區(qū)域三向或兩向受拉應(yīng)力，易導(dǎo)致內(nèi)部微缺陷的萌生和擴(kuò)展。