山東大學碩士學位論文 軸承套圈冷輾擴成形過程的數(shù)值模擬研究 摘要 環(huán)件冷輾擴是常溫下借助于輾環(huán)機使環(huán)件產生壁厚減小、直徑擴大、截面 輪廓成形的塑性加工工藝。環(huán)件輾擴是軋制技術與機械零件制造技術的交叉和 結合，具有材料利用率高、減少加工工序、提高工件質量和精度、降低零件的 制造成本、節(jié)能和改善工作環(huán)境等優(yōu)點，與傳統(tǒng)加工工藝相比，具有重大的社 會經濟效益。 本文針對目前冷輾擴技術發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問題，以深溝球軸承套圈的 冷輾擴成形加工為研究對象，建立了環(huán)形件冷輾擴成形過程工藝仿真模型。研 究了模具結構、進給速度、驅動輥轉速以及材料參數(shù)等對環(huán)件冷輾擴的成形質 量、力能參數(shù)以及軸向展寬等的影響規(guī)律，為環(huán)件冷輾擴生產工藝參數(shù)的合理 確定提供了理論基礎。本文的主要內容和得到的主要結論如下： ( 1 ) 有限元模型的建立。以大型非線性模擬軟件a b a q u s 為平臺，采用 彈塑性力學理論、大變形數(shù)值模擬技術，充分考慮環(huán)形件冷輾擴過程的三維變 形、連續(xù)漸變、非對稱、時變、非穩(wěn)態(tài)等特征，有效處理環(huán)形件冷輾擴過程中 的幾何、物理和邊界三重非線性的多參數(shù)耦合交互作用問題，建立了軸承套圈 冷輾擴成形過程的有限元數(shù)值模擬模型。 ( 2 ) 研究給出了軸承套圈冷輾擴成形過程有限元數(shù)值模擬中合理的進給速 度、導向輥運動軌跡的確定與控制方法。根據(jù)咬入條件和鍛透條件確定了軸承 套圈冷輾擴成形過程中進給速度的設計公式。在模擬中采用隨動式的導向輥， 其運動軌跡為一段以驅動輥軸線為中心的圓弧。通過研究不同質量縮放系數(shù)對 模擬結果的影響，確定了模擬中合理的質量縮放系數(shù)為1 0 。 ( 3 ) 研究了模具結構和加工工藝參數(shù)對軸承套圈成形的影響。合理的模具 結構可以避免工件端面出現(xiàn)魚尾現(xiàn)象，使套圈獲得較好的端面質量，減小輾壓 成形后工件的機加工量。在成形初始階段采用較大的進給速度，而在加工后期 階段采用較小的進給速度，有利于加工的穩(wěn)定、提高成形的質量。隨著驅動輥 轉速增大，所需的成形輾擴力減小，成形效果提高，但是易出現(xiàn)打滑，加工所 需的冷輾機的功率增大，所以要根據(jù)生產的要求合理設計驅動輥轉速。 摘要 ( 4 ) 研究了材料性能參數(shù)與進給速度及其耦合作用對軸承套圈成形的影 響。在模具加限制展寬結構情況下，研究了硬化指數(shù)、彈性模量和屈服強度等 材料性能參數(shù)分別在o 1 0 0 4 0 、1 0 0g p a - 4 0 0g p a 、5 0m p a 一4 0 0m p a ，均勻進 給速度在1 0 4 0m m s 范圍內時，材料性能參數(shù)和進給速度對成形的耦合影響。 1 ) 輾擴力隨著進給速度的增大而增大；硬化指數(shù)對輾擴力的影響規(guī)律與不 同硬化指數(shù)下材料的真實應力應變曲線的變化規(guī)律基本一致；屈服強度在加工 前期對輾擴力影響較大，后期影響較??；彈性模量對輾擴力的影響很小。 2 ) 隨著進給速度增大，材料在芯輥凹槽處成形的形狀變差；隨著硬化指數(shù) 和彈性模量增大，軸承套圈端面的軸向展寬減小，隨著進給速度增大，硬化指 數(shù)和彈性模量對軸承套圈端面軸向展寬的影響減?。磺姸葘S承套圈端面 軸向展寬的影響較小。 3 ) 進給速度越小，工件的最終形狀越好，但隨著進給速度增大，工件成形 的不均勻程度得到改善；隨著硬化指數(shù)增大，工件成形的最大變形量減小，變 形均勻性提高。隨著進給速度增大，硬化指數(shù)對工件內不均勻成形的影響減小； 隨著彈性模量增大，工件成形的最大等效塑性應變值增大，不均勻變形程度增 大；屈服強度對工件成形的不均勻程度影響無明顯規(guī)律。 4 ) 進給速度對靠近內徑處端面的變形量影響較大，隨著進給速度增大，工 件端面的等效塑性應變減??；隨著硬化指數(shù)增大，工件端面的等效塑性應變減 小，彈性模量和屈服強度對靠近外徑處端面的應變量影響較大；隨著進給速度 增大，硬化指數(shù)、彈性模量和屈服強度對工件端面等效塑性應變影響減小。 5 ) 進給速度增大，工件內表面等效塑性應變減?。挥不笖?shù)和屈服強度對 工件內表面等效塑性應變影響較小。在溝槽處彈性模量的影響較大，且隨著彈 性模量的增大，溝槽處的等效應變增大。 n 關鍵詞：環(huán)件；冷輾擴；數(shù)值模擬；工藝參數(shù)；材料參數(shù)；耦合作用 山東大學碩士學位論文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y o nc o l dr o l l i n g p r o c e s so fb e a i u n gr i n g s a b s t r a c t c o l dr i n gr o l l i n gt e c h n o l o g yi sac r o s sa n dc o m b i n a t i o no fr o l l i n gt e c h n o l o g y a n dm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hd e c r e a s e st h et h i c k n e s so fr i n ga n de n l a r g e s t h ed i a m e t e ro fr i n gv i at h ec o l dr i n gr o l l i n gm i l l i th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s l l i g hm a t e r i a lu t i l i z a t i o nr a t i o ，r e d u c e dp r o c e d u r e s ，h i g hq u a l i t ya n dp r e c i s i o n , e n e r g y s a v i n ga n di m p r o v e dw o r k i n ge n v i r o n m e n t c o m p a r e d 、 ，i t i lt r a d i t i o n a lm e t h o d ，t h e r i n gr o l l i n gt e c h n o l o g yi so fg r e a ts o c i a ls i g n i f i c a n c ea n de c o n o m i cp e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n gf u l l yc h a r a c t e r i s t i c so fc o l dr i n gr o l l i n g ，s i m u l a t i o nm o d e li s c r e a t e dt os i m u l a t et h ec o l dr o l l i n go fd e e pg r o o v eb a l lb e a r i n g s i n f l u e n c eo ft h e p a r a m e t e r s ( s u c ha sm o l ds t r u c t u r e ，f e e dv e l o c i t y , r o t a t i o n a ls p e e da n dm a t e r i a l p a r a m e t e r se t c ) o nr o l lf o r c e ，a x i a ls p r e a da n df o r m i n gq u a l i t yi ss t u d i e d t h em a i n c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do na b a q u ss o f t w a r e ，at h r e e d i m e n s i o n a le l a s t i c - p l a s t i cf e m m o d e li se s t a b l i s h e d t h ee l a s t i c p l a s t i cm e c h a n i c st h e o r ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g yo fl a r g ed e f o r m a t i o na l ea d o p t e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts t a g e so ft h e d e f o r m i n gp r o c e s sb a s i n go nt h ed e f o r m i n gm e c h a n i s mo fc o l dr i n gr o l l i n g ( 2 ) p r o p e rf e e dv e l o c i t y , m o t i o nt r a c ko fg u i d er o l la n dt h em a s ss c a l i n g c o e f f i c i e n ta r ed e t e r m i n e d o nb a s i so fe a r l i e rw o r k ，d e s i g n i n gf o r m u l ao ff e e d v e l o c i t yi s d e f i n e da c c o r d i n gt ob i t ec o n d i t i o n sa n dp e n e t r a t i o nc o n d i t i o n s t h e f o l l o w i n gm o t i o ng u i d er o l l sa l ea d o p t e d t h em o t i o nt r a c ki sas e g m e n to fa r ca n d t h ec e n t e ri sd e c i d e db yt h ea x i so fd r i v er o l l ，t h ed i s t a n c eo fd i f f e r e n tt i m e si s c o m p u t e da n du s e dt oc o n t r o lt h em o t i o no fg u i d er o l l s m a s ss c a l i n gc a l la c c e l e r a t e t h es i m u l a t i o n ，s op r o p e rm a s ss c a l i n gc o e f f i c i e n ti sd e t e r m i n e da s10b yc o m p a r i s o n o ft h er e s u l t su n d e rd i f f e r e n tm a s ss c a l i n gc o e f f i c i e n t s ( 3 ) i n f l u e n c eo ft h em o l ds t r u c t u r ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r si ss t u d i e d p r o p e r i l l a b s t r a c t m o u l ds t i u c n l r ec a nn o to n l ya v o i df i s h t a i le 仃e c t ，b u ta l s og i v ear e s u l to fh ig h q u a l i t ya n dl e s sm a c h i n i n ga m o u n t i no r d e rt og a i nas t a b l ep r o c e s s ，h i g h e rf e e d v e l o c i t ys h o u l db et o o ka tt h eb e g i n n i n go ft h ep r o c e s s ，w h i l el o w e rf e e dv e l o c i t y s h o u l db et o o kl a t t e r l y t h er o l lf o r c ed e c r e a s e sa n dt h eq u a l i t yc a nb ei m p r o v e db y i n c r e a s i n gt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h ed r i v er o l l b u ts l i p p i n gh a p p e n e dm o r e f r e q u e n t l ya n dh i g h e rp o w e rc o l dr i n gr o l l i n gm i l li sn e e d e d t h e r e f o r e ，p r o p e r r o t a t i o n a ls p e e do fd r i v er o l ls h o u l db ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ep r o d u c t i o n r e q u i r e m e n t s ( 4 ) i n f l u e n c eo ft h em a t e r i a lp r o p e r t yp a r a m e t e r s ，f e e dv e l o c i t ya n dt h e i r c o u p l i n ge 仟e c tt of o r m i n gp r o c e s si ss t u d i e d l i m i t i n gs p r e a ds t r u c t u r ei sa d o p t e d w h e ns t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n t ，y o u n g sm o d u l u sa n dy i e l ds t r e n g t ha r ec h o s e n r e s p e c t i v e l yi nt h er a n g eo fo 10 0 4 0 ，10 0 g p a - 4 0 0 g p a ，5 0 m p a 一4 0 0 m p a c o n s t a n t f e e dv e l o c i t yi su s e da n dt h es c o p ei s1 1m m s 一4 0 m m s ，i n f l u e n c eo ft h e mt o f o r m i n gp r o c e s si ss t u d i e d 1 ) t h er o l l f o r c eg r o w sw i t ht h ei n c r e a s eo ff e e dv e l o c i t y t h ei n f l u e n c eo f s t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n tt or o l lf o r c ei ss i m i l a rt ot r u es t r e s s - s t r a i nw a v eu n d e r d i f f e r e n ts t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n t i nt h ee a r l i e rs t a g e ，t h er o l lf o r c ei se a s i e rt ob e i n f l u e n c e db yy i e l ds t r e n g t h ，b u ts u b s e q u e n t l y , t h ei n f l u e n c ed e c r e a s e s y o u n g s m o d u l u sh a s1 i t t l ei n f l u e n c eo nt h er o l lf o r c e 2 ) w h e nf e e dv e l o c i t yi n c r e a s e s ，s h a p i n ge f f e c t t u r n sw o r s e w h e ns t r a i n h a r d e n i n ge x p o n e n ta n dy o u n g sm o d u l u sg r o w , s i d es p r e a d o ft h ee n df a c e d e c r e a s e s ，b u tw h e nf e e dv e l o c i t yi n c r e a s e s ，i n f l u e n c eo ft h e md e c r e a s e s s i d es p r e a d o ft h ee n df a c ei sh a r d l ya f f e c t e db yy i e l ds t r e n g t h 3 ) t h ew o r kp i e c ei se a s i e rt og e tg o o ds h a p ew h e nf e e dv e l o c i t yi sl o w , b u t w h e nf e e d v e l o c i t yi n c r e a s e s ，t h e c o n d i t i o no fh o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o ni s i m p r o v e d w h i l es t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n tg r o w s ，t h e m a x i m u md e f o r m a t i o n d e c r e a s e sa n dt h ec o n d i t i o no fi n h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o ni si m p r o v e d w h e nf e e d v e l o c i t yi n c r e a s e s ，t h ei n f l u e n c eo fs t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n td e c r e a s e s w h e n y o u n g sm o d u l u sg r o w s ，t h em a x i m u md e f o r m a t i o n a n dt h e i n h o m o g e n e o u s d e f o r m a t i o n d e g r e e i n c r e a s e s y i e l ds t r e n g t hh a sl i t t l ei n f l u e n c e o nt h e i n h o m o g e n e o u sd e f o r m a t i o n i v 山東大學碩士學位論文 4 ) t h ed e f o r m a t i o no fe n df a c ei se a s i e rt ob ee f f e c t e db yf e e dv e l o c i t ya tt h e p l a c ec l o s et oi n n e rs u r f a c e w h e nf e e dv e l o c i t yg r o w s ，t h ei n f l u e n c eo fs t r a i n h a r d e n i n ge x p o n e n t ，y o u n g sm o d u l u sa n dy i e l ds t r e n g t hd e c r e a s e s 5 ) w h e nf e e dv e l o c i t yi n c r e a s e s ，e q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i no ft h ei n n e rs u r f a c e d e c r e a s e s s t r a i nh a r d e n i n ge x p o n e n ta n dy i e l ds t r e n g t hh a v el i r l ei n f l u e n c eo nt h e e q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i no ft h ei n n e rs u r f a c e t h ee q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i no ft h e g r o o v ei s a f f e c t e db yy o u n g sm o d u l u s ，a n di t g r o w sw h e ny o u n g sm o d u l u s i n c r e a s e s k e yw o r d s ：r i n g ；c o l dr o l l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；p r o c e s sp a r a m e t e r s ； m a t e r i a lp r o p e r t i e s ；c o u p l i n ge f f e c t v 原創(chuàng)聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研 究所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經發(fā)表或撰寫過的科研成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集 體，均已在文中以明確方式標明。本聲明的法律責任由本人承擔。 論文作者簽名：我夕鳳 日期： 二opr s 2s 關于學位論文使用授權的聲明 本人完全了解山東大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留或 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱； 本人授權山東大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢 索，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文和匯編本學位論文。 ( 保密論文在解密后應遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：丐挺夕鳳導師簽名乖足哮日期：瑚髟y 山東大學碩士學位論文 1 1 引言 第一章緒論 環(huán)件輾擴技術是伴隨著鐵路運輸業(yè)的發(fā)展而產生的。自1 9 世紀中葉以來， 鐵路系統(tǒng)的迅速發(fā)展使得火車的行駛速度和載重量大幅度提高?；疖嚨蔫T鐵車 輪無法滿足高速、重載的要求，于是人們在火車鑄鐵車輪上裝備性能更好、可 更換的鋼制輪箍。為了生產火車輪箍，1 8 4 2 年英國建造了輪箍軋機，1 8 8 6 年俄 國奧斯特洛維茨煉鐵鑄造廠設立了火車輪箍生產車間。隨后，環(huán)件輾擴技術不 僅在火車輪箍、火車車輪生產中得到了廣泛應用，在其他環(huán)形機械零件生產中 也逐漸得到了推廣應用。我國于2 0 世紀5 0 年代開始應用環(huán)件輾擴技術生產軸 承環(huán)，1 9 5 9 年在上海建立了錘一壓力機擴孔機的軸承環(huán)軋制生產線。現(xiàn)在， 環(huán)件輾擴技術在航空、航天、交通、能源等領域得到了越來越廣泛的應用。環(huán) 件輾擴【l 】是用來生產無縫環(huán)形件的加工工藝，環(huán)件在驅動輥的作用下通過驅動 輥與芯輥構成的孔型，使環(huán)件產生壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形的塑性 加工工藝。環(huán)件的冷輾擴則是指在常溫下對材料進行輾擴加工。材料性能及其 在加工過程中的演化對環(huán)件冷輾擴工藝的影響已經成為環(huán)件冷輾擴成形理論與 技術發(fā)展迫切需要研究的重要課題。 作為機械行業(yè)的一種基礎零件，滾動軸承在機械工程中具有重要的地位。 但是傳統(tǒng)滾動軸承套圈的加工大多采用經驗方法或試湊法，材料利用率低，工 作條件差，產品開發(fā)周期長，生產成本高，不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產的需要。 環(huán)件冷輾擴是一種先進的精密成形塑性加工工藝。在世界各國，軸承的加 工都已經開始采用精密冷輾擴加工工藝，進行大批量、專業(yè)化的生產。精密輾 擴能使工件的形狀和尺寸與成品零件非常接近，并可改善工件內部質量，被廣 泛應用于軸承內外套圈、法蘭環(huán)、端蓋、齒環(huán)等無縫環(huán)件的生產。 相對于傳統(tǒng)的軸承加工方法，精密冷輾擴沒有材料的切除，也沒有強烈的 振動和噪聲，因而具有切削加工所無可比擬的優(yōu)點和很好的經濟效益【2 巧】。具體 表現(xiàn)在以下方面： ( 1 ) 加工余量少，材料利用率高。如果采用傳統(tǒng)的切削加工方法，材料的 第一章緒論 利用率通常為4 0 5 0 ，而采用冷輾方法，材料利用率則可達6 0 7 5 【6 】。 ( 2 ) 減少加工工序。傳統(tǒng)的球軸承套圈車加工工藝為：車內徑、端面，倒 角一車外徑、車另一端面，倒角一車一面裝配圓角一車另一面裝配圓角一車溝。 采用車冷輾擴加工球軸承套圈的工藝為：車內徑、端面、倒角一車外徑、車另 一端面，倒角一冷輾擴加工。車冷輾擴工藝不僅減少了工序，而且設備數(shù)量和 占地面積也相應減少，同時也節(jié)省了人力成本。 ( 3 ) 提高工件的加工質量和尺寸精度。冷輾變形后，金屬材料的晶粒組織 更加致密，金屬流線不變，沒有切斷，而且粗糙度值小，工件的機械強度、耐 磨性和疲勞壽命明顯高于其它機械加工生產的環(huán)件。據(jù)德國巴德杜本( b a d d u b e n ) 公司介紹，冷輾擴加工的套圈壽命至少提高5 0 ，一般達到車削加工工 件的4 1 0 倍。 ( 4 ) 降低零件的制造成本。冷輾可以減少材料消耗和縮短加工時間，降低 生產能耗，延長零件壽命，因而生產成本較低。 ( 5 ) 節(jié)能與改善工作環(huán)境。與模鍛相比，精密輾壓所需的設備噸位較小， 可顯著降低加工時的噪音，節(jié)能效果明顯。冷輾擴加工軸承套圈，生產效率比 車加工高，操作也比車加工方便和安全，而油霧也比車加工少。 環(huán)件的冷輾擴技術與傳統(tǒng)加工工藝相比，具有以上無可比擬的優(yōu)點，而且 具有重要的經濟和社會效益，系統(tǒng)研究環(huán)件冷輾擴技術對于整個社會的經濟和 發(fā)展具有重大的意義。 1 2 冷輾擴技術的基本原理和技術特點 環(huán)件輾擴是借助于輾環(huán)機使環(huán)件產生壁厚減小、直徑擴大、截面輪廓成形 的塑性加工工藝【1 1 ，環(huán)件輾擴根據(jù)不同的劃分方法可以分為不同的工藝類型： 根據(jù)環(huán)坯的變形溫度可分為冷輾擴、溫輾擴和熱輾擴；根據(jù)環(huán)件的幾何特征可 分為盤類環(huán)件( 厚高比可達1 6 ：1 ) 輾擴和套筒類環(huán)件( 厚高比可達1 ：1 6 ) 輾擴； 根據(jù)模具孔型閉合狀態(tài)可分為開式環(huán)件輾擴和閉式環(huán)件輾擴；根據(jù)軋環(huán)機的類 型可分為立式輾擴和臥式輾擴。在實際生產中，通常是通過以上幾種工藝類型 之間相互組合，以生產不同尺寸、不同截面形狀的無缺陷無縫環(huán)件。 環(huán)件冷輾擴原理如圖1 1 所示。驅動輥為主動輥，沿固定軸線做旋轉運動， 2 山東大學碩士學位論文 驅動輥和環(huán)件之間的摩擦力帶動環(huán)件旋轉。芯輥為從動輥，它在環(huán)件的作用下 作旋轉運動并且連續(xù)進給趨近于大直徑的驅動輥，使環(huán)件產生壁厚減薄、直徑 增大的變形，兩個導向輥以一定的約束力抱住環(huán)件起定心與防振作用。環(huán)件反 復通過驅動輥和芯輥構成的孔型，最終成為具有一定幾何尺寸和截面輪廓的環(huán) 形零件【2 1 。 芯輥進給方向 卜 ，_ 一一二jj導向輥 驅動輥 ”、。一 “1 多 ，。 ” 套 、 一。 囂 _ ；_ |芯輥 “j 、一 。、 _ 。 工件 圖1 - 1 環(huán)件的冷輾擴成形過程示意圖 環(huán)件輾擴是軋制技術與機械零件制造技術的交叉和結合，與傳統(tǒng)的板材軋 制相比，它有如下特點【7 】： ( 1 ) 三維變形。相對板材的軋制寬高比大，變形中既有徑向壓縮變形、周 向延伸，又有軸向的寬展。 ( 2 ) 連續(xù)漸變。每次壓下量小，是一個連續(xù)漸變的過程。 ( 3 ) 非線性。環(huán)件輾擴成形中，存在材料的應力應變、接觸條件以及由材 料轉動引起的三重非線性。 ( 4 ) 非對稱性。驅動輥與芯輥直徑相差懸殊，而且是主動輥驅動，同時利 用摩擦力帶動環(huán)件和芯輥轉動，主動輥和芯輥的轉速不同，芯輥作進給運動。 ( 5 ) 非穩(wěn)態(tài)過程。是一個多參數(shù)耦合交互作用的復雜變形過程，不僅變形 區(qū)幾何邊界是復雜的不穩(wěn)定的變形，而且熱力條件也是動態(tài)變化的。 ( 6 ) 多道次輾擴。環(huán)件毛坯反復多次通過高度逐漸減小的軋制孔型，不斷 循環(huán)。 由于這些特點，環(huán)件輾擴工藝不僅表現(xiàn)出了普通平板軋制、異步軋制、型 材軋制、多道次軋制的性質，而且其過程還表現(xiàn)出了幾何非線性和物理非線性 及其耦合的性質。環(huán)件輾擴不僅受到靜力學、運動學和動力學因素的影響，而 且還受到這些因素的耦合影響，因而環(huán)件輾擴變形具有很高的復雜性。 第一章緒論 1 3 冷輾擴技術的國內外研究現(xiàn)狀 環(huán)件輾擴是一種很古老的加工工藝，自從第一臺環(huán)件碾壓機于1 8 4 2 年出現(xiàn)， 環(huán)件輾擴工藝就開始了在制造領域的廣泛應用。廣大研究者已經從實驗研究、 理論分析和數(shù)值模擬等方面對環(huán)件輾擴工藝進行了大量的研究。 1 3 1 實驗研究 早期的研究大都屬于實驗研究。2 0 世紀6 0 年代，英國學者w j o h n o s n 等峭】 首先開展了環(huán)件軋制實驗研究。他們在立式二輥軋機上進行了基本參數(shù)的實驗 研究，發(fā)現(xiàn)環(huán)件軋制時徑向變形區(qū)的徑向對稱點存在塑性鉸。隨后，j o h n o s n 和 c a d d e l l 等【9 】的進一步實驗指出，環(huán)件軋制生產的零件硬度變化沿軸向、徑向及 周向差別不大，平均硬化程度比軸向壓縮實驗引起的硬化小2 5 左右。m a m a l i s d 等【l o 】用測壓針方法研究了不同材料在不同孔型中軋制時的單位壓力分布，發(fā)現(xiàn) 在變形區(qū)入口附近單位壓力迅速升高并達到峰值，隨后緩慢降低，在軋輥連心 線附近單位壓力曲線出現(xiàn)拐點的規(guī)律。1 9 8 4 年，h a w k y a r d e 考察了壓下速度、 摩擦條件、環(huán)件形狀及孔型尺寸等因素對孔型中金屬流動及環(huán)件截面形狀的影 響。初步探討了軋制異形截面環(huán)如何保證環(huán)件外徑達到規(guī)定尺寸時，環(huán)件材料 恰好充滿孔型，形成理想的截面形狀的問題。 武漢理工大學的華林、張猛等【1o 】設計了環(huán)件軋制實驗測試系統(tǒng)，在 d 5 1 1 6 0 a 立式軋環(huán)機上進行軋制實驗，建立了環(huán)件軋制靜力學、運動學以及動 力學、幾何學模型，揭示了環(huán)件軋制成形原理和普遍規(guī)律。上世紀9 0 年代初， 華林等【1 1 1 應用該原理在d 5 1 4 0 0 通用軋環(huán)機上開發(fā)出了e q l 4 0 汽車差速器從動 螺旋齒輪鍛件軋制成形工藝，并分析了e q l 4 0 汽車從動螺旋齒輪輾擴成形的特 點及鍛件缺陷成形原因。 通過實驗研究，人們逐步認識到環(huán)件輾擴的一些基本特性，為進一步深入 開展理論研究奠定了基礎。但是實驗研究具有一定的針對性，只能反映研究對 象的某- n 面，不具有普適性，且耗時費力、造成能源和材料的浪費。 1 3 2 理論研究 上世紀6 0 年代開始了環(huán)件軋制的理論研究工作，由于受到客觀條件的限制， 4 山東大學碩士學位論文 大量的研究工作被限制在近似或經典塑性成形理論的研究領域。h a w k y a r d e 1 2 】 采用平砧鍛造平板時的滑移線場解首次給出軋制力和力矩的簡潔表達式，與實 驗結果對比，軋制力公式的誤差小于1 0 ，軋制力矩的誤差在1 5 左右。1 9 8 4 年，r y o o 用上限法解出軋制力和力矩的上限值，并解釋了軸向寬展變形產生 “魚尾 的現(xiàn)象。y a n g 1 3 】用能量法研究了l 形截面環(huán)軋制力矩變化規(guī)律，分析 中考慮了芯輥壓下速度的影響，計算和實驗表明，當壓下速度較大時，其對軋 制力確有一定影響，但芯輥壓下速度較小時，其影響較小可忽略不計。1 9 8 8 年， 利用平面剛塑性有限元方法，y a n g 等【1 4 】對環(huán)件軋制的平面變形作了分析，獲得 了變形金屬的速度場，沿著接觸表面的外力計算出了應變速率分布、驅動輥的 轉矩和垂直壓力分布。1 9 9 0 年，n a k s o ok i m b 】等用三維剛塑性有限元方法對環(huán) 件軋制進行了模擬，并編制了專用的計算機程序r i n g 。1 9 9 4 年，h u a 、p i l l i n g g e r 等【i6 】用彈塑性有限元法和一種特殊的混合有限元網格模型對環(huán)件軋制進行了研 究。1 9 9 8 年，l i m 、p i l l i n g g e r 等【l7 】在彈塑性有限元分析中也用到了混合網格進 行模擬，利用該方法對矩形截面和l 型截面的徑向和徑軸向軋制進行分析，其 計算時間節(jié)省了近7 0 。 許思廣等【l8 j 用三維剛塑性有限元法分析了橫斷面為對稱的輾環(huán)變形過程， 以及輾環(huán)過程的熱耦合問題。郭正華等人則采用剛( 粘) 塑性動力顯式有限元法模 擬了環(huán)件熱軋時的金屬流動規(guī)律。解春雷、李尚健【l9 】等人根據(jù)環(huán)件軋制過程的 有限元模擬結果制訂控制策略，將模擬的最佳軋制力曲線轉換為壓力輥運動的 等效速度曲線，控制壓力輥使其按預定的速度曲線運動。 由于受到客觀條件的限制，大量的理論研究工作被限制在近似或經典塑性 成形理論的研究領域，并且環(huán)件輾擴過程是一個非線性、時變、非穩(wěn)態(tài)、非對 稱的多道次輾擴過程，使得現(xiàn)有的輾擴理論很難直接應用于對該種輾擴過程的 分析研究之中。各種理論分析方法均采用不同假設對問題做了較大程度的簡化， 因此無法提供環(huán)件內部精確全面的應力應變信息。 1 3 3 數(shù)值模擬研究 國內外許多學者采用有限元技術模擬對輾擴過程進行了大量的研究，其中 包含了對仿真方法的探究。y a n g 和k i m 2 0 1 首先用有限元方法研究環(huán)件輾擴過程， 采用剛塑性有限元法分析了平面應變環(huán)件輾擴過程。k i m 等【2 1 1 首先開發(fā)了一有 限元程序r i n g 對環(huán)件輾擴進行了完整的三維有限元分析。x u 掣2 2 1 用剛塑性有 第一章緒論 限元法，用三維方法模擬了輥縫間金屬的變形過程，得到了軸向寬展的變化規(guī) 律。 s h i v p u r i 等開發(fā)了一計算機輔助程序，計算工藝參數(shù)輾擴力、輾擴力矩、 環(huán)件的壁厚、環(huán)件的高度以及環(huán)件的溫度等與時間的函數(shù)關系。h u 等采用彈塑 性有限元算法，分析了環(huán)件輾擴過程中的變形、應變以及力能參數(shù)，并且還預 測了魚尾缺陷。y o u n g s o 等【2 4 】在商用軟件f e m c o d e 的基礎上開發(fā)了專門針對環(huán) 件三維非穩(wěn)態(tài)流動、工件直徑和厚度連續(xù)變化特點的有限元程序s h a p e r r 。 解春雷等【2 5 】開發(fā)了基于能量泛函的剛粘塑性動態(tài)顯式有限元程序： h r i n g 。許思廣等【2 6 】采用三維剛塑性有限元數(shù)值方法對不同截面輾擴過程進行 了分析，解決了芯輥轉速的確定、壓下量的分配、咬入曲線計算以及邊界條件 處理等問題。 目前，對環(huán)件輾擴過程的研究多集中于熱輾擴過程的力能條件、端面質量 的變化等，對進給速度的研究很少，而對冷輾擴的研究相對更少。隨著精密冷 輾擴技術的快速發(fā)展，以及昂貴材料的推廣，用數(shù)值仿真方法對輾擴過程進行 工藝設計對于提高設計效率、節(jié)省材料是一種十分有效的方法。通過建立不同 的數(shù)值仿真模型，可以得到不同材料、不同工藝參數(shù)對冷輾擴過程的影響，具 有重要的理論意義。 1 4 主要研究內容和采用的方法 1 4 1 主要研究內容 針對目前冷輾擴技術發(fā)展的現(xiàn)狀和存在的問題，以深溝球軸承套圈的冷輾 擴成形加工為研究對象，以大型非線性模擬軟件a b a q u s 為平臺，采用彈塑性 力學理論、大變形數(shù)值模擬技術，充分考慮環(huán)形件冷輾擴過程的三維變形、連 續(xù)漸變、非對稱、時變、非穩(wěn)態(tài)等特征，有效處理環(huán)形件冷輾擴過程中的幾何、 物理和邊界三重非線性的多參數(shù)耦合交互作用問題，建立環(huán)形件冷輾擴成形過 程工藝仿真模型。研究模具結構、進給速度、驅動輥轉速以及材料參數(shù)等對環(huán) 件冷輾擴變形中成形質量以及力能參數(shù)、軸向展寬等的影響規(guī)律，為生產工藝 的確定提供理論依據(jù)。本文的具體研究內容如下： ( 1 ) 研究環(huán)件冷輾成形過程的有限元建模方法，根據(jù)具體的加工過程進行 6 山東大學碩士學位論文 適當簡化，抽象出幾何模型，實現(xiàn)深溝球軸承套圈成形過程的數(shù)值模擬。 ( 2 ) 研究各種加工工藝參數(shù)對環(huán)件冷輾擴成形的影響規(guī)律。 a ) 改變模具結構，保持其余工藝參數(shù)和材料不變，研究不同模具結構對套 圈冷輾擴成形軸向展寬的影響； b ) 采用不同的進給速度規(guī)范，研究不同進給速度規(guī)范對成形中力能參數(shù)和 成形結果的影響； c ) 采用不同的驅動輥轉速，研究不同驅動輥轉速對成形中力能參數(shù)和成形 結果的影響。 ( 3 ) 研究材料參數(shù)與進給速度的耦合作用對材料變形過程的綜合影響，實 現(xiàn)成形工藝參數(shù)的優(yōu)化組合。 a ) 在其它材料參數(shù)不變的情況下，改變材料的硬化指數(shù)和芯輥的進給速度， 研究硬化指數(shù)與進給速度對力能參數(shù)、軸向寬展以及等效應變的耦合作用，確 定不同硬化指數(shù)的環(huán)坯冷輾時的最佳進給速度以及輾擴的力能要求； b ) 在其它材料參數(shù)不變的情況下，改變材料的彈性模量和芯輥的進給速度， 研究彈性模量與進給速度對力能參數(shù)、軸向寬展以及等效應變的耦合作用，確 定不同彈性模量的環(huán)坯冷輾時的最佳進給速度以及輾擴的力能要求； c ) 在其它材料參數(shù)不變的情況下，改變材料的屈服強度和芯輥的進給速度， 研究屈服強度與進給速度對力能參數(shù)、軸向寬展以及等效應變的耦合作用，確 定不同屈服強度的環(huán)坯冷輾時的最佳進給速度以及輾擴的力能要求。 1 4 2 采用的研究方法 本課題將采取有限元數(shù)值模擬的研究方法，具體的研究方法如下： ( 1 ) 采用彈塑性力學理論、大變形數(shù)值模擬技術，充分考慮環(huán)形件冷輾擴 過程的三維變形、連續(xù)漸變、非對稱、時變、非穩(wěn)態(tài)等特征，有效處理環(huán)形件 冷輾擴過程中的幾何、物理和邊界三重非線性的多參數(shù)耦合交互作用問題，建 立環(huán)形件冷輾擴成形過程工藝仿真模型。 在環(huán)形件冷輾擴成形中，環(huán)坯經歷反復加載和卸載，因此采用彈塑性有限 元模擬環(huán)件冷輾擴變形過程，考慮每次卸載時彈性恢復的影響，從而保證工藝 分析精度。 ( 2 ) 利用所建立的有限元模型，通過改變某一特定的工藝參數(shù)，研究各工 藝參數(shù)( 模具結構、驅動輥轉速、芯輥的進給速度等) 對環(huán)形件冷輾擴成形過 7 第一章緒論 程中輾擴力、端面質量、內表面質量、不均勻變形程度等的影響規(guī)律，以及各 工藝參數(shù)的耦合作用對材料變形過程的影響，尋求最佳的工藝參數(shù)組合。 ( 3 ) 利用所建立的有限元模型，研究材料參數(shù)( 硬化指數(shù)、彈性模量、屈 服強度) 以及材料參數(shù)與進給速度的耦合作用對環(huán)形件冷輾擴成形過程中輾擴 力、端面質量、內表面質量、不均勻變形程度等的影響規(guī)律。為不同性能的材 料進行冷輾擴加工時合理選擇工藝參數(shù)提供理論參考。 1 5 本課題的研究意義 環(huán)件輾擴技術比傳統(tǒng)加工工藝有著無可比擬的優(yōu)點，得到了國內外研究者 的廣泛關注。國內外都很重視環(huán)件輾擴技術的發(fā)展。在日本，環(huán)件冷輾技術被 稱為是“現(xiàn)代的金屬加工技術”，而在德國b a dd u b e n 公司，被稱為是“跨世 紀的軸承技術革新 。目前主要軸承強國中以日本和德國的冷輾技術普及程度最 高。其中日本的中小型深溝球軸承中有3 0 為冷輾軸承，為汽車配套的軸承中 這一比例更高。而德國則在大中型球軸承中廣泛采用冷輾技術，并且還發(fā)展了 圓錐軸承的冷輾技術。 目前國際經濟環(huán)境的主要特征表現(xiàn)為，現(xiàn)代科技突飛猛進，經濟全球化趨 勢不斷發(fā)展，產業(yè)結構調整步伐加快，國際競爭更加激烈。加入世貿組織后， 我國融入經濟全球化的進程加快，為軸承行業(yè)帶來了挑戰(zhàn)和機遇。在發(fā)揮我國 原材料、勞動力和價格低廉優(yōu)勢的同時，只有不斷提高產品質量，尤其是提高 技術含量高的產品的比重，才能不斷擴大我國軸承出口和提高我國軸承在國際 市場中的地位。從我國軸承生產總量和生產體系看，已成為僅次于日本、美國 和德國的世界軸承生產大國；但從產品開發(fā)能力、產品質量水平和生產制造水 平及其在國際市場上的競爭能力來看，我國與世界軸承生產強國相比還存在較 大的差距。 作為精密冷輾技術的核心，冷輾機的開發(fā)也備受各國的重視。冷輾機有立 式、臥式之分，其工作原理基本相同。德國b a dd u b e n 公司的u r w a 型系列和 日本共榮精工的c r f 型和改進型t c r 型系列是兩種典型陽，分別代表了兩種 技術路線。b a dd u b e n 采用立式布置、電液位置伺服控制系統(tǒng)來提高輾壓精度， 而日本共榮精工公司采用臥式布置、粗輾及工件整徑相結合的方式來提高工件 8 山東大學碩士學位論文 的尺寸精度。 目前，對環(huán)件輾擴過程的研究多集中于熱輾擴過程的力能條件、端面質量 的變化等，對進給速度的研究很少，而對冷輾擴的研究相對更少。環(huán)件冷輾擴 過程中，進給速度是一個非常重要的參數(shù)，進給速度關系到輾擴力、輾擴力矩、 環(huán)件端面質量、內部應變分布以及生產效率等問題。不同性能的材料冷輾擴時， 進給速度對這些指標的影響也不同。 隨著精密冷輾擴技術的快速發(fā)展，以及昂貴材料的推廣，研究材料參數(shù)與 進給速度對環(huán)件冷輾擴過程的耦合作用，確定不同材料性能的環(huán)坯冷輾時的最 佳進給速度，是金屬環(huán)件冷輾擴工藝實際生產應用中急需解決的問題，它可以 進一步減少金屬損耗、提高材料的利用率、降低零件成本。因此系統(tǒng)研究軸承 套圈的冷輾擴成形技術對我國軸承行業(yè)的科技進步，增強在國際市場的競爭力 具有重要的理論意義和工程應用價值。 9 山東大學碩士學位論文 第二章環(huán)件冷輾擴成形特點及其規(guī)律 目前，在軸承套圈的生產中廣泛采用冷成形輾擴和熱成形輾擴工藝。冷輾 擴工藝是在常溫下利用金屬材料的塑性變形來獲得所需零件的形狀和尺寸，沒 有材料的切除，也沒有強烈的振動和噪聲，效果最好。適合于冷輾擴加工的主 要有深溝球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承、電機軸承、汽車摩托車軸承、電 磁離合器用軸承，等速萬向節(jié)用球籠保持架等。環(huán)件的冷輾擴是軋制成形工藝 中的一種，它既有軋制成形的一般規(guī)律，也有自身的特點。研究環(huán)件冷輾擴成 形的原理、成形特點與規(guī)律，是其成形過程的有限元數(shù)值模擬模型建立的理論 基礎。