基于DEFORM的轴承钢球冷镦模具优化

傅蔡安，华新锋，王 贤

(江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122)

钢球作为球轴承的关键零件，其质量在很大程度上影响着轴承的动态性能和使用寿命。钢球冷镦模具在冷镦工艺设计中尤为重要，其直接影响球坯的尺寸、形状、材料利用率、生产效率和钢球的使用寿命，而国内、外对钢球冷镦工艺研究主要以生产试验为主，设计周期长。我国一直沿用球形球坯；国外已逐步采用锥鼓形球坯，使用模具的内腔带有锥角，摩擦较小，金属的流动性好，环带和两极缩小。下面设计了虚拟正交试验，并应用DEFORM软件进行了仿真模拟，从理论上对锥鼓形球坯的冷镦模具设计进行了研究。

1 冷镦成形过程模拟

1.1 冷镦成形过程分析

钢球加工的一般工艺过程为：切料→冷镦→光磨→热处理→硬磨→初研→精研→成品检验→包装。锥鼓形钢球冷镦成形时的变形过程如图1所示，其变形特点为：先出两极，后出环带。

图1 球坯变形过程

1.2 应力变化分析

运用DEFORM仿真工具得到球坯成形过程的应力分布如图2所示。在初始阶段(图2a)，应力主要产生在棒料的端角处，因为端角部位与模具内腔先接触；在运行到60步时，由于模具的内腔带有锥角，使棒料首先形成锥角，应力在锥面处最大(图2b)；运行到100步时，棒料中间部分开始形成鼓形，锥面与球窝过渡处应力最大，中间鼓形处次之(图2c)；最终成形时，整个球坯的应力分布比较均匀(图2d)。

图2 球坯成形过程应力分布

1.3 应变速率分析

DEFORM仿真得到冷镦过程应变速率分布如图3所示。由图可知，变形过程中，棒料各部分的应变速率的大小和方向是不同的，尤其是在形成锥面和环带时，变化尤其剧烈。

图3 球坯成形过程速度分布

2 评价指标的建立

考虑到球坯对后续工序以及生产实践的影响，提出评价体系：

(a)饱满度。主要评价材料是否充满模具，质量好的球坯应该有明显的两极。

(b)圆化度。为了在后续光磨中更利于磨削，要求钢球毛坯的三向尺寸相近，提出圆化度的评价指标为：δ=D环带/H，δ≥1且越接近1越好，其中，D环带为球坯的直径；H为球坯的高度。

(c)体积。体积要尽量小，以节省材料，减小环带体积，减少后续光磨时间。

(d)冷镦力。通过改变两极大小、压缩比以及体积的方法来减小冷镦力，从而提高模具使用寿命。

3 虚拟正交试验分析设计

虚拟正交试验是用有限元数值仿真取代实际试验[1],其优点为:容易改变设计变量的范围;设计变量的各种水平的组合易于实现;数值模拟的试验结果重复性高;模拟试验的时间和费用较少;可以获得实际试验难以得到的结果。

冷镦模具的设计主要是球坯形状及尺寸的确定。球坯两极的尺寸应尽可能小,而两极的直径可通过半锥角α进行调整。同时，在设计过程中还应兼顾模具对塑性变形、冷镦力以及材料体积的影响。

表1 正交试验表

4 DEFORM仿真分析[4]

DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统,可对金属的各种成形工艺和热处理工艺进行仿真和计算,并按用户要求返回计算结果。在计算机上模拟整个加工过程,可以实现:(1)生产工具在加工中受力、受热变形过程的模拟仿真和有限元分析计算,有助于模具的修改,部分地替代实际试验;(2)加工材料在加热、变形过程的模拟仿真和有限元计算,有助于进行材料的力学性能分析,缩短新产品的开发周期。

4.1 设计模具

首先利用三维软件CATIA建立上、下模及棒料的三维模型，导出扩展名为*.stl的文件，用DEFORM软件分别导入，如图4所示。

图4 DEFORM导入

4.2 前处理

前处理过程中,材料参数、网格划分、运动设立、特性等为重要的参数，为准确模拟，有些参数在模拟过程中要不断修改，特别是网格的重新划分。定义棒料材料为E52100(相当于国内的GCr15)，模具材料为TiC，网格划分如图5所示[4-6]。上模的运动速度为50 mm/s，最小步长为0.035 mm，设置停止距离为环带厚度 。由于需要观察模具的磨损情况，故设置了模具磨损的相关参数，如图6所示。

图5 棒料和上模的网格

图6 模具磨损参数

4.3 模拟运行

直接点击DEFORM中的“Run”,软件就根据前处理的设置进行计算。

4.4 后处理

后处理是计算机在计算程序运行结束后对数据进行分析整理，并且用较直观的方法输出数据的过程。在冷镦模具设计过程中，DEFORM是在设定比较合理的条件下，模拟出合乎冷镦应力应变的真实挤压过程，通过DEFORM仿真分析得出的结果如图7所示。

图7 DEFORM中的后处理

5 球坯参数的确定

观察发现冷镦球坯1，2，3，5，6，11号试验没有明显的两极和环带，说明没有完全填充满，不满足工艺要求。对其他球坯进行圆化度分析，以定量地得到不同试验的圆化度情况，如表2所示。从表2中可以看出，8，9号试验冷镦力比较小，综合前面圆化度的分析，确定9号试验的因素水平组合最为理想(冷镦力为1.62×105N)。

表2 不同试验的圆化度与冷镦力分析

6 结果与比较

锥鼓形球坯仿真结果与锥鼓形实物球坯尺寸和外形基本吻合，如图8所示。

图8 仿真锥鼓形球坯与实物图

6.1 冷镦力的比较

原工艺的冷镦力比较大为2.53×105N，而经过仿真优化之后的冷镦力为1.62×105N，减小了35%，从而减小了模具的受力。图9为原工艺与优化后的锥鼓形球坯的冷镦力的比较。

图9 原工艺与优化后锥鼓形球坯的冷镦力比较

6.2 模具的磨损情况对比

球形球坯由于模具内腔为圆球形，在冷镦过程中，模具内表面与棒料的摩擦较大，在球坯形成环带的瞬间，变形力瞬间陡增，这对模具的边缘有很大的磨损。改进后锥鼓形球坯的模具，内腔带有锥角，非常有利于金属流动，减小摩擦，而且由于优化后的锥鼓形球坯呈微环带或近似无环带，也减小了由于形成环带而陡增的变形力。图10为仿真结果，由图可知，原工艺模具的磨损程度相对优化后的模具，显然要剧烈得多。优化后的模具主要参数如图11所示。

图10 模具内腔磨损情况的对比

注：钢球公称直径8.000 mm；钢球毛坯直径8.35 mm。图11 模具内腔的主要尺寸

7 结论

(1)结合正交试验与DEFORM模拟仿真，对钢球球坯的成形影响因素(压缩比、锥角、环带厚度、环带宽度)设计虚拟正交试验是可行的。

(2)DEFORM的仿真结果与实物相吻合。

(3)在同样的试验条件下，优化后的锥鼓形球坯的冷镦模具内腔在成形过程中的磨损比原工艺的磨损要小。

(4)从虚拟正交试验分析得出球坯的合理工艺参数，并设计出模具的主要尺寸，在钢球的实际生产中有一定的参考价值。