基于ABAQUS的关节轴承冷挤压仿真参数优化

陈清伟

(1.福建龙溪轴承(集团)股份有限公司，福建 漳州 363000；2. 福建省关节轴承企业重点实验室，福建 漳州 363000)

自润滑关节轴承由内圈、外圈、衬垫组成，具有结构紧凑、质量轻、耐冲击、免维护、安全可靠性高和寿命长等优点，常用于低速重载工况，如工程机械、水利设备、军工机械等领域[1]。冷挤压成形是关节轴承重要的成形方式之一，先前对于冷挤压模具及轴承成形工艺设计大多基于经验，费时、费力、效率低，且挤压效果不佳[2]。

轴承冷挤压装配过程的有限元仿真对提高产品的生产效率和产品质量具有重要意义，已有部分学者用有限元方法对轴承挤压过程进行了研究。文献[3]分析了关节轴承双收口成形相对单边收口成形的优势；文献[4]用ABAQUS软件分别建立了关节轴承挤压成形的二维轴对称模型和三维模型；文献[5]利用ANSYS软件对自润滑关节轴承挤压装配过程进行了数值模拟。

上述文献在对挤压进行仿真分析时忽略了衬垫建模或未考虑衬垫变形，且多数采用仿真模拟优化后进行试验便得出相应结论，没有将试验结果再次与仿真结果对比，将所得的试验结果反馈于仿真参数设置的修改。因此，文中进行仿真分析时将考虑衬垫的挤压变形，并通过工业CT无损检测的方法测量挤压试验后外圈的成形轮廓，并与仿真结果进行比较，以此进一步修正仿真中各参数的设置，达到更优的参数设置。

1 挤压装配原理

关节轴承挤压装配原理如图1所示[2]，轴承放置于上下模之间，在挤压过程中，下模不动，上模和上定位套受到压力之后以一定速度向下运动，而下定位套受到轴承内圈施加的作用力也向下运动。由于定位套受到弹簧的反向作用力，故模具与定位套之间存在一定的相对速度，最终实现闭模。

图1 挤压装配原理

文中选用某挤压T型关节轴承作为样件进行试验和测量，试验所用的挤压模具型腔与外圈毛坯尺寸均经过ABAQUS仿真优化得到，外圈材料为0Cr17Ni4Cu4Nb，内圈材料为G102Cr18Mo，衬垫为自制。

2 模型建立方法

根据实际装配条件，对模具和轴承进行建模，由于挤压过程中轴承几何形状和受力都是对称的，故建立二维轴对称模型。芯轴、模具和定位套均采用RAX2单元，采用解析刚体进行求解；内、外圈在挤压过程中有较大变形，故选用柔性体进行求解，采用CAX4R单元；衬垫为各向异性材料，将其视为类金属单元，采用GKAX4单元进行求解。挤压后直接通过工业CT提取得到外圈的整体轮廓(图2)。

图2 工业CT测量结果

将工业CT测量所得的轮廓转换为显示刚体用于仿真对比，建模结果如图3所示。

图3 仿真建模

3 仿真结果与参数修正

3.1 仿真结果

3.1.1 初步参数设置

仿真初步参数设置为：弹性模量192 GPa;摩擦因数0.05；采用自制衬垫，衬垫特性如图4所示。

图4 自制衬垫应力-位移曲线

3.1.2 仿真结果

初步仿真结果如图5所示，外圈内侧的曲线在工业CT测量时因衬垫干扰而误差较大，故以外圈外部轮廓为主要参照，内部轮廓为辅助参照；测量外圈外侧中部实体轮廓线与仿真轮廓线的水平差为0.061 mm，误差较大，需进一步调整仿真参数。

图5 初步仿真结果

3.2 参数修正

3.2.1 衬垫参数

由于衬垫为各向异性材料，建模时将其视为类金属单元，结合试验获得的自制衬垫应力-变形曲线作为材料属性。工业CT测量结果中衬垫在挤压状态下中间部位厚度为0.22mm，而初步仿真所得衬垫厚度为0.34 mm，可知仿真挤压后的衬垫厚度仍然偏厚，所以调整时考虑将衬垫的刚度减小，使挤压后衬垫的厚度减小，以贴近实际挤压所得的衬垫厚度。初始仿真和减小衬垫刚度后(工业CT测量)关键点厚度测量结果如图6所示，说明减小衬垫刚度可以改变仿真中衬垫成形厚度，减小厚度后仿真的结果更贴合实际挤压状态。

图6 衬垫参数修正对比

3.3 弹性模量

轴承外圈材料0Cr17Ni4Cu4Nb不锈钢的弹性模量理论值为192 GPa，实际拉伸试验所得的弹性模量为192 GPa，现保持修正后的衬垫参数不变，对仿真中的弹性模量进行变化，验证弹性模量对仿真结果的影响程度(表1)。

表1 弹性模量对仿真结果的影响

由表可知，弹性模量小范围变化对仿真结果中密合度的影响不大，参数设置为192 GPa，外圈外侧轮廓曲线与实际试验所得的吻合度最好。

3.4 摩擦因数

保持外圈材料0Cr17Ni4Cu4Nb的弹性模量和修正后的衬垫参数不变，对仿真中的摩擦因数进行变化，以验证摩擦因数对仿真结果的影响程度(表2)。

表2 摩擦因数对仿真结果的影响

由表可知，摩擦因数对仿真结果中密合度的影响较大，摩擦因数增大，密合度值增大，外部轮廓曲线吻合度差。摩擦因数设置在0.05时，外围轮廓曲线与实际试验所得的吻合最好，且密合度较小。

4 结束语

通过试验结果对仿真参数进行修正，以更加真实的模拟关节轴承的挤压装配。改变传统的仿真模拟—试验的单线验证模式，改为仿真—试验—再仿真(修正)的验证方式，先用仿真软件对挤压过程进行模拟，再对试验结果进行测量，并将试验结果反馈于仿真中，对仿真参数进行修正，形成闭环。通过该方法不断积累仿真参数数据，使仿真与实际更加接近，有助于后期轴承精密挤压仿真的开展，实现挤压仿真达到“所见即所得”的效果。