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钢球毛坯冷镦成形的有限元模拟 摘要 本文根据金属塑性成形的基本原理，以钢球毛坯冷镦成形为研究对象，利用现代有 限元模拟和实验相结合的研究方法，借助大型商用有限元软件d e f o r m ，通过建立简 化的物理模型，模拟了钢球毛坯冷镦成形的过程，得出了金属在模腔中的流动规律。 根据钢球毛坯冷镦模具的特点，以7 9 3 8 m m 、妒1 2 7 m m 、妒1 9 7 5 m m 三个规格的 钢球毛坯为例，模拟三个规格钢球毛坯在模具型腔锥角a 分别为4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 的四组模具中的成形过程。根据钢球毛坯生产的实际要求，在饱满度、环带宽、模具受 力、圆度四方面进行分析比较，从四组模型中选出具有最佳锥角的模具。 根据压缩比的范围，选取体积相同的几组不同原材料直径的坯料，在同一模具中进 行冷镦成形模拟。从球坯形状、模具受力、球坯应力三方面进行分析比较，从中选取该 规格钢球最适合的原材料直径。进而确定钢球毛坯冷镦成形的最佳压缩比范围。 以西1 9 7 5 r a m 钢球为例，对实际生产中不可见的钢球毛坯的等效应力、缺陷的形成 等情况进行了模拟和分析。帮助工程技术人员解决生产中出现的一些问题。根据模拟结 果制定钢球毛坯冷镦成形的工艺参数及模具参数。将通过模拟制定的工艺及模具参数在 生产实际中进行了验证，将所得到的毛坯球同改进前的毛坯在球坯外形、加工效率、模 具寿命等方面进行了比较，验证了有限元模拟在钢球毛坯冷镦成形生产加工中的可行 性。 通过以上工作帮助设计人员优化工艺参数和模具参数。为钢球毛坯的生产加工提供 了技术支持 关键词：钢球毛坯；冷镦；模具；成形过程；有限元分析 钢球毛坯冷镦成形的有限元模拟 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h eb a s i cp r i n c i p l eo fm e t a lp l a s t i c f o r m i n g ，u s i n gm o d e ms i m u l a t i o n t e c h n o l o g yo ff i n i t ee l e m e n tc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t si sc a r r i e do u t ，c o l df o r g i n gs t e e lb a l l b i l l e ta st h eo b j e c ti ss t u d i e d ，b a s e do nt h el a r g ed y n a m i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e d e f o r m t h r o u g h t h ee s t a b l i s h m e n to fas i m p l i f i e dp h y s i c a lm o d e l ，t h ef o r m i n gp r o c e s so f s t e e lb a l lb i l l e tc o l df o r g i n gi nt h ed i ec a v i t yi ss i m u l a t e d ，t h er u l eo fm e t a lf l o wi nt h ec a v i t y l a n ei so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fs t e e lb a l lb i l l e tc o l df o r g i n gd i e ，i nt h ec a s eo f 妒7 9 3 8 m m ， 驴12 7 m m ，619 7 5 m mt h r e es p e c i f i c a t i o ns t e e lb a l lb i l l e t ，t h ef o r m i n gp r o c e s so ft h r e e s p e c i f i c a t i o ns t e e lb a l lb i l l e ti nt h ef o u rg r o u p sd i eo fc o n ea n g l ef o r4 5 0 、5 0 0 、5 5o 、6 0 0 a r e s i m u l a t e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ln e e d so fp r o d u c t i o no fs t e e lb a l lb i l l e t f o u ra s p e c t sa r e a n a l y z e di np l u m p n e s s ，z o n ew i d t h ，d i ef o r c e ，r o u n d n e s s ，t h eb e s to ft h ec o n ea n g l eo ft h e f o u rm o d e l si so b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h er a n g eo fc o m p r e s s i o nr a t i o ，t h ef o r m i n gp r o c e s so fs t e e lb a l lb i l l e ti s s i m u l a t e di nt h es a m ed i e f o rs e v e r a ll a wm a t e r i a l so fs a m ev o l u m e t h r e ea s p e c t sa r e a n a l y z e di nb i l l e ts h a p e 、d i ef o r c e 、s t r e s se f f e c t i v e 、，n l eb e s td i a m e t e ro fl a wm a t e r i a l si s d e t e r m i n e d ，a n dt h e nt h er a n g eo fc o m p r e s s i o nr a t i oi so b t a i n e d i nt h ec a s eo f 妒19 7 5 m ms t e e lb a l lb i l l e t , n o tv i s i b l eo fa c t u a lp r o d u c t i o nf o rt h es t r e s s e f f e c t i v eo ft h eb a l lb i l l e ta n dt h es t r e s so ft h ed i ea n dt h ep r o c e s so fd e f e c tf o r m i n ga r e s i m u l a t e da n da n a l y z e d h e l pe n g i n e e r ss o l v et h ep r o b l e ma r i s i n gi np r o d u c t i o n a c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l td e s i g nt h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n dd i ep a r a m e t e r so fs t e e lb a l l b i l l e t t h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n dd i ep a r a m e t e r so fs t e e lb a l lb i l l e ta l ev e r i f i e db yt h e s t e e lb a l lf a c t o r yi na c t u a lp r o d u c t i o n ，t h en e wb i l l e ta n dt h eo l db i l l e tw e r ec o m p a r e di ns o m e a s p e c t s f o rb i l l e ts h a p e 、p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y 、d i el i f e 、t h e f e a s i b i l i t yf o rs i m u l a t i o n t e c h n o l o g yo ff i n i t ee l e m e n ti nt h ef o r m i n go fs t e e lb a l lb i l l e tc o l df o r g i n gi sv e r i f i e d i t i ss h o w nt h a tb yu s i n gt h es i m u l a t e d ，t h ed i ea n dt e c h n o l o g ya r ei m p r o v e da n d o p t i m i z e d n e c e s s a r yf o u n d a t i o nf o r t h ef o r m i n go fs t e e lb a l lb i l l e tc o l df o r g i n gp r o d u c t i o ni n t h e o r ya n dp r a c t i c ei so b t a i n e d 哈尔滨t 程大学工程硕十学位论文 k e yw o r d s ：s t e e lb a l lb i l l e t ；c o l df o r g i n g ；d i e ；d e f o r m a t i o np r o c e s s ；f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 钢球毛坯冷镦成形研究的目的和意义 滚动轴承是通用性很强的标准机械零件，钢球在球轴承中作为滚动体是承载负荷， 而且与轴承的动态性能直接相关的元件“1 。钢球在球轴承中作为滚动体起承载和传递负 荷的作用。疲劳破坏是轴承报废的主要原因，而钢球的疲劳破坏在轴承的报废中约占三 分之二。滚动轴承工作时，钢球和滚道的接触面积极小，单位面积上所承受的压应力很 大，一般情况下高达1 5 0 一5 0 0 k g m m 2 。钢球与滚道的接触轨迹上各点是循环受力的， 一般情况下每分钟循环次数多在数万次以上。在循环应力反复作用下，钢球容易产生疲 劳破坏，这种疲劳现象称接触疲劳，它是轴承中钢球正常损坏的主要现象之一。当接触 疲劳到一定程度时钢球就失去其工作能力。大量试验证明钢球是轴承中最薄弱的零件瞪1 。 钢球在滚动时，压碎现象是少见的，只有在重载荷下工作的轴承发生倾斜时，可能引起 钢球的破碎。其它的破坏形式是由于钢球在运转过程中，除有滚动摩擦外，也伴有相对 滑动摩擦。以致形成钢球的过度磨损。因此，在考虑钢球寿命时，应该以提高其疲劳强 度为原则。因此，对钢球的原材料的质量、钢球加工工艺水平的要求都非常高。它的工 艺方法是在机械制造业中最独特、最专业化的。 冷镦成形作为钢球加工的首要工序，毛坯的成形质量和模具的形状及质量是钢球生 产的第一道难关哺1 。钢球毛坯的环带和两极不是钢球毛坯形状所需要的而是加工余量， 这部分通过光磨工序将其磨掉。极和环带去掉的部位金属纤维会被磨断曝露在球体表 面，在钢球的使用过程中容易引起应力腐蚀，造成疲劳破坏。模具设计和坯料形状及尺 寸的确定在钢球冷镦工艺的设计中尤为重要，直接影响到材料的利用率、整个钢球生产 的效率和钢球的使用寿命等。 钢球冷镦成形工艺的发展趋势是加工余量小、生产率高、精度高、质量稳定”。冷 镦钢球的球坯有两种形式一种是球形球坯，另一种是锥鼓形球坯。球形球坯的模具是由 两个带圆角的球形组成，球窝尺寸与球坯尺寸相同，设计比较简单，但因环带和极都比 较大因此加工余量大。球形模具在极挤出的瞬间模具受力大导致模具使用寿命短。锥鼓 形球坯极的部位有一定的锥角，因此模具在挤出极的瞬间模具受力小因此模具使用寿命 高，锥鼓形球坯环带较球形球坯环带小而薄，这样不但减少加工余量还能减少光磨工序 的加工时间。但锥鼓形球坯设计的难点是锥角的度数难以确定”? 。 哈尔滨工程大学工程硕十学位论文 目前冷镦钢球毛坯加工中存在成品钢球寿命低、冷镦成形缺陷多、加工余量大、模 具的使用寿命低等。一直以来钢球球坯参数的研究主要是以生产试验为主，在生产中不 断地总结改进工艺参数来获得最佳的球坯参数。在传统试验方法中模具的生产以及批量 生产的周期长，导致试验成本高，且难以确定工艺参数微小变化对模具及毛坯成形精度 的影响，本文采用有限元方法对钢球的冷镦成形过程进行模拟，对钢球毛坯成形过程中 金属的流动规律、球坯应力变化及模具的受力情况进行直观的分析，帮助工程技术人员 设计工艺参数并考察冷镦工艺参数对钢球球坯成形质量的影响，最终获得理想的钢球毛 坯。 1 2 钢球毛坯生产现状 1 2 1 国外钢球毛坯生产现状 钢球毛坯的成形方法国内和国外大体相同，主要是根据钢球规格的大小即钢球直径 的大小来决定采用什么加工方法：直径小于等于2 5 4 m m 的钢球采用冷镦压成形法，直径 大于2 5 4 m m 的钢球采用热轧法或热锻法，直径大于4 0 m m 以上的钢球则采用车削加工的 方法“。目前大多数钢球的制造都采用的是冷热镦压成形法。钢球毛坯生产的最终目标 是尽可能小的球坯余量、致密的内部组织、模具的使用寿命长及高效的生产率。 一些发达国家如英国、罗马尼亚、日本等国家对于直径小于2 m m 的钢球毛坯采用切 成园柱体磨削成形，对于难加工的高速钢、不锈钢等采用热镦压法博1 。为了达到减少球 坯余量，改善球坯内部组织质量提高钢球的使用寿命、延长模具使用寿命的目标。各国 通过不断的技术改进，逐渐探索使用轧制的方法来生产钢球毛坯。轧制的钢球毛坯同镦 压的钢球毛坯相比球坯余量大大降低，钢球产品的内在质量明显提高。意大利、法国和 德国等国家主要采用倾斜轴线轧制法生产钢球毛坯1 。钢球直径小于等于2 5 4 m m 的采用 冷轧法，钢球直径大于2 5 4 m m 的大型钢球毛坯采用热轧法。轧制球坯的主要特点是原 材料利用率高( 成形球坯没有极和环带) 、加工余量小、生产效率高、轧制球坯内部的 金属流线更加紧密因此钢球的寿命较长。缺点是轧制钢球的机床精度要求较高。英国等 国家在钢球热处理工序进行了改进采用了保护气氛热处理，这样经过热处理后钢球的脱 碳层是传统热处理加工方法的一半，为减少钢球产品总留量奠定了一定的基础。日本在 提高钢球表面强度的方面取得了很大的进步。在热处理工序后增加了表面强化工序，经 过表面强化的钢球表面硬度普遍提高2 度。 同我国相比国外钢球生产发展速度较快。一是毛坯成形工序采用了高速高精度自动 2 第1 章绪论 冷镦机。二是将锉球和软磨工序合并成一个光磨工序。三是在热处理工序采用了保护。 氛淬火工艺。四是在热处理工序后以增加了表面强化工艺即提高了钢球的硬度又增加 钢球表面的致密度。五是在硬磨工序采用了高精度精磨机。六是要精研工序采用了大 环精研工艺等新技术。随着工艺的不断改进及先进力口工设备的使用，钢球产品的质量： 断向高精度发展。 1 2 2 国内钢球毛坯生产现状 在第二次世界大战之前，我国仅有瓦房店一座日本人开办的轴承厂，生产轴承数： 不多，精度也不高。当时轴承装配用的钢球是从日本运来的。日本对钢球制造技术实； 保密。第二次世界大战之后，瓦房店轴承厂由中国人民接管，为了恢复和发展轴承生产 必须生产出钢球这个关键零件。经过7 个月的精一心研究与试验，终于明白了钢球加工i 工作原理，制造出钢球加工的辅助工具冷镦模具、切料刀板、切料胎具、磨球板、冷j 液、研磨液等。于1 9 4 9 年9 月生产出9 3 2 ”、l1 3 2 ”、3 8 ”、1 3 1 3 2 ”、1 2 ”五个规格的 球，中国不能生产钢球的历程史宣告结束。当时的钢球工艺过程是：切料一毛坯成形 锉削一软磨一淬火与回火一粗磨一精磨一抛光。 新中国成立以来钢球制造技术不断地改革和提高。1 9 5 2 年引进苏联自动镦球机，： 现了钢球毛坯成形的自动化。1 9 5 9 年齐齐哈尔第二机床厂生产了z 3 2 系列钢球自动； 镦机，直径在2 5 4 m m 以下的钢球毛坯的生产全部采用了国产z 3 2 系列自动镦球机。 时代在进步我国的钢球生产水平也在不断的向前发展，除了引进国外的先进生j 设备以及先进的生产工艺外我国也不断的研究更力口合理的毛坯成形方法，但同国外先： 技术水平相比还有一定的差距。我国是钢s i l o 产量在国际上是处于邻先地位，但总体， 量在中等水平。为了在激烈竞争的国际市场占有一席之地，我国成立了钢球行业协会 每年钢球协会都召开行业会议，学习国际上最先进的钢球生产技术并推进在国内钢球j 家的实施，同时制定钢球发展的行业远景规划。 长期以来我国的钢球生产设备一直依赖进口，二十世纪八十年代以来，从国外引： 了的高速自动冷镦机、光球机、磨球机、研球机等，为我国钢球行业发展起到了促进一 用。企业通过通过自身的努力逐步缩小了同国际钢球生产水平的差距。目前英国的冷 锥鼓形球坯和俄罗斯轧制球坯都是当今世界上比较先进的毛坯成形方式，该成形方式： 有毛坯的极径和环带宽度小、金属露头少且流线紧密等优点“”。我国借鉴国外钢球生j 的先进工艺在全国范围内推广了锥鼓形球坯。 在钢球加工技术方面，李茂龙在关于钢球冷镦毛坯变形力的分析中计算了锥状球j 3 哈尔滨丁程大学工程硕士学位论文 冷镦过程中的变形力，指出锥鼓形球坯在成形过程中变形力仅为球状球坯的6 2 3 。 王保振、聂天明在钢球毛坯冷镦工艺及其对寿命的影响中通过实验对比了锥鼓形和王| 球的成形工艺表明，锥鼓形球坯较球形球坯节约原材料，且锥鼓形球坯的成品钢球晏 和模具寿命都比球形球坯高”。徐平、王建纲、扈炜星在无环带球坯冷镦技术探讨q 无环带球坯展开研究，提出无环带球坯可以降低光磨工序的磨削量，减少压型缺陷彩 的危害，提高成形质量并且提高模具寿命u “。于芸在钢球赤道裂纹分析中指出钢球裂 模具边缘倒角的尺寸不仅能减少球坯尺寸，而且适当的边缘倒角能在减少应力集中肓 下，减小环带到球体的尺寸突变从而减少赤道裂纹的产掣。 模具方面，国内中型钢球冷镦产品( 芝妒1 5 0 8 1 m m ) 模具因球坯变形大，要求具幸 的耐磨性和良好的冲击韧性缺乏性能适宜的模具材料是困扰国内冷镦钢球模具生产 主要问题我国钢球冷镦模具多采用组合形式，模芯材料多采用c 1 2 m o v 高强度模具： 模体多采用g c r l 5 轴承钢。模具的使用寿命很不稳定镦压钢球毛坯数量从数千到数7 等，成为困扰钢球毛坯冷镦模具锘u 造和使用的难题。张艳萍在提高大钢球模具寿命辟 几点技巧中提出，影响模具寿命的因素有模具材料性能和模具结构。在模具结构设刮 改变模具的形状能降低模具承受的变形力，而且使坯料在球窝中的流动变得顺畅，铑 的球坯易于被打球针顶出避免造成机床闷车等n ”。我国模具的使用寿命低且消耗量劣 因此，提高我国的模具使用寿命是我国模具制造企业要解决的首要问题。 新的钢球生产工艺的应用以及先进钢球生产设备的使用使我国钢球生产水平确 很大的发展，但同国际钢球生产水平相比还有很有一定的差距，相信通过钢球行业囚 球厂家的共同努力一定会赶上或超过世界先进水平。 1 3 论文的主要工作内容 在钢球毛坯的生产过程中，为了生产出高质量的产品，必须制定出合理的加工】 以及设计出最适合的模具。随着有限元技术的发展可以对生产过程中的相关工艺参翥 行测定和模拟，这样就可以缩短工艺及模具的设计周期，并可以避免预生产中的不砣 经济损失。钢球毛坯冷镦成形过程中球坯的变化情况、模具的受力、球坯应力的变化 是无法直观反映的，却又是制定工艺和设计模具必须要考虑的重要因素。 本文以实际生产工艺为依据，以模具设计和工艺设计的主要因素为研究对象， 妒7 9 3 8 m m 、妒1 2 7 m m 、咖1 9 7 5 m m a 三个规格的钢球毛坯为例，以模具设计的关键因 模具型腔锥角a 为研究对象，在经验值范围内分别选取a 角为4 5 0 、5 0 0 、5 5 0 、6 0 0 的四 模具进行模拟。通过分析比较选出适合该规格钢球的模具型腔锥角，其次以钢球冷镦 4 第1 章绪论 工艺设计的重要因素压缩比为研究对象，根据钢球规格在压缩比的经验值范围内，选取 几组体积相同但料径不同的坯料，在该规格的同一模具上进行成形模拟，以球坯形状、 模具受力、球坯应力为依据进行比较，确定适合该规格钢球的原材料料径进而确定压缩 比的最佳范围。以西1 9 7 5 m m 钢球为例分析了钢球毛坯冷镦成形过程中等效应力的变化 情况，并提出了通过改变坯料的边缘形状来使球坯应力分布更均匀的办法。利用 d e f o r m 可以分析材料的流动性的功能，再现了钢球毛坯缺陷的形成过程，以此来分 析缺陷形成的原因并指导生产。 最后根据模拟结果以西1 9 7 5 m m 钢球为例制定了新的工艺及模具参数，并将所制定 的加工工艺在生产实际中进行检验。将由新工艺生产的钢球毛坯同原来的毛坯在球坯尺 寸、加工效率、模具寿命等方面进行了对比，验证了有限元模拟结果的正确性。通过以 上的工作帮助设计人员优化工艺参数和模具设计参数，生产出质高价低的产品。 第2 章钢球毛坯的冷镦成形 第2 章钢球毛坯的冷镦成形 2 1 钢球毛坯冷镦成形的方法 钢球毛坯的冷镦成形是钢球生产中非常重要的一个环节。钢球毛坯要求尺寸精度 高，这样可以获得小余量的毛坯即节约了成本又提高了加工效率。钢球毛坯的内部质量 制约着成品钢球的质量。一般来讲钢球毛坯的成形方法有：直径小于2 5 4 m r n 时，采用 冷热镦压成形法；钢球直径大于2 5 4 m m 时，采用热锻成形或热轧成形法；钢球直径大 于4 0 r a m 则采用车削或铸造成形法1 。对于内部质量要求较高的轴承类钢球则采用冷镦 的方法，球磨类钢球常采用螺旋孔型斜轧成形法“。 冷镦压是在自冷镦机上镦压成形的，钢球毛坯成形的过程大体可分为四步，进料、 切料、送料、镦压成形等过程。镦压成形是在自动冷镦机上将钢材切成料段后，送到冲 模中镦压，在外力的作用下坯料的纤维分布起了变化并充满模具型腔形成球坯。如图2 1 所示： 6 一 纽 2 厂蕊王 髟勿 ， j 一 二。尸8 凶 、1 力 厂。 刎醚 珂下心 l 一原材料2 - 送料轮3 一进料管4 - 切料胎卜切料刀6 - 一挡7 一冲头8 - 凹模 图2 1 冷镦压钢球毛坯过程示意图 钢球原材料由送料轮2 通过进料管3 送到切料胎4 ，并由限制挡铁6 控制长度，然 后由切料刀5 切下，切下的坯料由夹持器夹住，随刀运动送到冲头和凹模中间，当冲头 压住料时，切料刀和夹持器放开，退回原位，而冲模将段料冷镦成钢球球坯。当冲头后 7 哈尔滨丁程大学工程硕士学位论文 退时，则顶针向外顶、将球坯从球窝内顶出，这就完成了钢球毛坯的制造过程。镦压变 形过程如图2 2 所示。 f il l 厂。、 i1 ij 一 il ij 7 ( a ) 坯料( b ) 初始阶段( c ) 镦粗阶段( d ) 挤出环带阶段( e ) 挤出极阶段 图2 2 钢球毛坯球变形过程 无论是冷镦或热镦，其球坯都有环带和两极。两极的产生并非钢球毛坯形状所需要 的，而是与模具的结构和镦压方法有关。极的形成，一是由于模具本身具有自动推出顶 针孔，在加工过程中及时将钢球毛坯从模具的球窝里顶出，防止两个球坯重叠而造成闷 车事故。二是排泄模具球窝当中的气体，使坯料能顺利的充满整个模具型腔。环带的形 成，一是从坯料变成毛坯的过程中要有多余的金属，该多余的金属流动到两冲模间形成 环带。二是环带的存在是防止两冲模直接接触，减轻机床镦压过程中受到的冲击力，减 小模具在镦压加工中受到的压力。 2 2 钢球毛坯冷镦的变形特点 钢球毛坯的形成就其模具的胎窝形状可分为球形球坯和锥鼓形球坯。钢球冷镦成形 过程，就其变形性质而言是镦粗与挤压联合成形，属于立体冲压范畴“”。其变形特点是： ( 1 ) 钢球毛坯冷镦成形过程中，料段在模具的挤压作用下先从同模具接触的料段 两端开始变形。因为是两端先受力所以大部分金属向两模具的中间部位流动，料段变短 变粗即冲压变形的挤压阶段。另一方面随着料段的变形料段同模具的接触面积增大金属 则沿着模具型腔开始变形，该阶段是料段镦粗阶段。 ( 2 ) 坯料在镦压过程中受力是变化的。镦压开始坯料同模具是线接触，主要受模 具同料段接触部分沿冲头方向的单向压力作用例。随着坯料的变短变粗直至逐渐充满模 具型腔，坯料逐渐受到圆形模具型腔表面的约束力，所以坯料的受力状况由开始的单向 压力状态变化为多向压应力状态“。 8 第2 覃钢球毛坏的冷镦成形 ( 3 ) 由于钢球毛坯成形是在多向压应力状态下冷压成形，因此在成形过程中坯料 的金属流线更加紧密、金属的致密度有所增加，对成品钢球的几何精度有较好的稳定性。 。 ( 4 ) 钢球毛坯在很大的压力作用下冲压成形，当外力去掉之后，坯料的实际尺寸 比模具尺寸有所增加，其回跳值主要受材料性质模具结构及毛坯尺寸大小的影响。一般 情况下毛坯在直径方向上的回跳数值在0 0 1 d 0 0 5 d ( d 为毛坯直径) 左右，而在长度 方向的回跳量一般在0 0 1 5 l 0 0 2 l ( l 为毛坯长度) 之问。 。 ， 一 2 2 1 球形球坯 。 由塑性变形理论可知，金属发生塑性变形时首先沿阻力最小的方向流动。如图2 5 所示： 图2 5 坯料在球形球胎具内的受力图 坯料伺m n 和m ，n 接触处的阻力远远地大于坯料同冲模2 c 周围的阻力，金属流向 两冲模间的2 c 处并开始形成环带。随着两冲模端面间距的减小坯料金属继续向外流动 的阻力逐渐增大，当该阻力超过了坯料向两极流动的阻力的一瞬间，模具的两极被充满 球坯成形。球形球坯的成形，将耗费很大的能量，即需要很太的镦压力，当材料在球形 球坯型腔内塑变流动时，变流动时，p ，和p y 在不断地变化，二者表达式为： p ，= p s i n a ( 2 1 ) p ，= p c o s a ( 2 2 ) 式中：p ，一镦粗力 p i 一端面收缩力 p 一正压力，常数，和镦压力有关 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 2 2 2 锥鼓形球坯 锥鼓形球坯的型腔如图2 6 所示，锥鼓形球坯冲模型腔是采用半球和一定角度2 a 的 锥体相切而成的。 i 、 - p 一j 弋y p 。 图2 6 坯料在锥鼓形胎具内的受力图 这种型腔和球形球坯型腔相比，当源材料金属流向冲模接合面的同时，就能顷利地 充满型腔的锥形状。这是因为一定的锥角将使金属流动时受到的阻力最小，金属易于向 锥形极流动。于是可得到很小的环带或接近于无环话：团此，使用锥鼓形球坯呵减小球 坯环带金属的消耗，并达到精化球坯的目的。锥鼓形球坯冲模的受力情况如图2 7 所示： 幽2 7 锥鼓形毛坯球成形过程受刀图 镦压开始时坯料同模具型腔的接触点是坯料两端的两个圆圈。任一接触点所承受的 力p 都可分解为端面收缩力p ，和镦粗力p ，。球坯材料进入型腔锥体部分后，由于锥角 2 口为常数，因此，p 。和p 。保持不变。这样，球坯材料的端部受到大小一定的压缩力而 易于形成有一定锥角的两极。 选择合适的2 口锥角使p 。和p ，保持某种关系，可使球坯在形成锥极的同时充满整个 型腔且不需太大的镦压力。影响锥鼓形球坯冲模型腔锥角2 口的因素有钢球尺寸的大小、 1 0 第2 章钢球毛坯的冷镦成形 材料的性质以及坯料的压缩比等。但具体多大的口角是最适宜。以往都是凭经验彳 a = 4 5 0 , - - 6 0 0 范围内来选择。由于受实验条件的限制，实际生产中往往凭经验选取。； 能直观的判断所选的技术参数是否为最合适的。只能通过实验对比来验证，这样要浪j 大量的人、财、物，而且新工艺的研制的周期长。 2 3 钢球毛坯冷镦的相关计算 ( 1 ) 原材料直径的计算 一 在镦压时，金属的体积和重量基本不变，即球坯体积和原材料体积相等。据此并j 虑众多的实际因素，球形球坯原材料直径和长度可按下面的公式计算： 扛( d w + 3 w ) 每 ( 2 z 式中：d w 一成品钢球公称直径 6 ，一成品钢球公差 a 一压缩比 七1 一材料系数，其取值可参考下表2 1 表2 1 材料系数 原材料直径( m m )3 5 5 冷拉钢6 7 5 冷拉钢8 1 2 冷拉钢1 2 5 1 8 冷拉钢 k l o 7 6o 7 30 7 2o 7 0 ( 2 ) 钢球毛坯体积的计算 钢球毛坯体积公式： v o = 等( d + 6 ) 3 o 式中：d 一镦压后的钢球毛坯直径 6 一镦压后钢球毛坯的直径公差 ( 3 ) 切料压力的计算t a = 署扩订 式中p t 一切料所需剪切力； d 一原材料直径； f 一原材料剪切极限强度，热切时r = 0 6 m p a ( 温度7 3 0 ) ； 卜一同一次行程切料数量。 镦压力可按下式计算： ( 2 4 ( 2 5 冷切时，f = 1 2 m 哈尔滨工程大学工程硕十学位论文 尸镦= c 露x 1 0 4 ( 2 式中一镦球压力； c - 一综合常数。热镦时c = o 0 3 9 ( 将原材料加热至1 ( 8 1 0 - - - , 8 5 0 。c ) ；冷镦时，c = o m p a ； 岛- 钢球公称直径仇加上去民，这里氏为球坯制造公差。 二 2 4 钢球毛坯冷镦模具 2 4 1 钢球毛坯冷镦模具的外形及材料 冷镦模具是钢球毛坯成形质量及稳定生产效率的关键部件，也是易损件。冷镦 从结构上可分为整体模具和分体模具。冷镦钢球毛坯分体模具如图2 8 所示： 图2 8 钢球毛坯模具剖面图 在成形过程中，模芯承受着强烈的冲击和摩擦力，致使模具既要有硬度( 耐磨) 要有高的强度( 不易变形) ，还要有足够的韧性( 不易开裂) 。其使用寿命的长短直招 响成形毛坯球的产量、质量和生产成本。一般整体模具材料采用g c r l 5 轴承钢，加 定数量的钢球后冷镦模的球窝部分出现变形、开裂不能正常使用m 。分体模具的模倒 料一般为g c r l5 ，模芯采用模具钢或硬质合金。从长期以来的生产实际情况来看分 j 具比整体模具更实用。通过分析认为提高冷镦模具使用寿命的关键，在于模芯的材举 性能，如果模芯材料不好，不仅使用寿命低而且毛坯件尺寸变化快，从而增加原材攀 消耗也直接影响成品质量，根据轴承行业统计表明钢球产生废品8 0 以上都与毛坯局 有关1 。模具胎窝表面硬度一般为h r c 6 0 6 2 。模具寿命很不稳定加工钢球毛坯的赘 从数千到数万不等。从普通合金模的使用情况来看其一次寿命都偏低，在3 - 5 万粒， 之间，然而从国外购进及大连产y g 2 5 c 硬质合金都较昂贵。因此寻找合适的模芯杉 是目前要做的主要工作。 通过对国内模具材料和国外模具材料进行的失效分析，明确冷镦模具所需要的初 1 2 第2 苹钢球毛坯的冷镦成形 r l 性能、物理性能和工艺性能，在此基础上研制出一种高强度和高韧性的新型模具材料， 提高了冷镦模具寿命是我国钢球模具业要做的首要问题近几年来，国内外已采用塑性 有限法，开发出冲压成形过程的模拟软件，供设计人员对工艺参数进行修改和选择，以预 测某一工艺方案对工件成形的可行性和可能发生的质量问题。这一虚拟成形技术，不仅 可以节省昂贵的模具试验费用，也可以大大缩短试制周期和提高成形件的质量1 。模具的 失效很大程度上与模具应力水平直接相关，在循环加载产生的交变应力、受高负荷、高 冲击力和应力集中等情况下都很容易产生模具由于疲劳、磨损、变形和开裂而失效。由 于模具应力是影响模具寿命的直接原因，国内外在这方面做了大量的研究工作m 。主要通 过应力应变模拟方法来分析模具的失效、改善模具结构和减少或消除应力集中，从而提 高模具的使用寿命。 2 4 2 球窝半径r 及球窝深度h 的计算 模具外形尺寸根据相应的冷镦机床要求制造，但模具型腔尺寸根据所加工的钢球规 格及留量由工程技术人员设计。锥鼓形球坯模具型腔如图2 9 所示： 删窝半径a 一型腔锥角抒一球窝深彳一环带厚r 球窝圆角卜极径 图2 9 模具型腔图 ( 1 ) 球窝半径r 的计算公式如： r ：m ( 1 - k ) + 鱼 22 式中：d 一最小钢球毛坯尺寸( 公称直径的总留量的和) k 一塑性变形系数，其取值可参考表2 2 s 一压偏差 ( 2 7 ) 哈尔滨工程大学丁程硕士学位论文 表2 2 材料系数 钢球规格塑性系数k钢球规格 塑性系数k i 4 ，- l9 6 4 ”o 0 1 6s l 拳t 3 | 擎0 0 1 2 5 16 2 3 6 4 ” 0 0 1 5l3 16 ，_ - 2 7 3 2 ”o 0 1 1 3 8 ，- 2 7 6 4 ” o 0 1 4 7 8 ，_ 一1 ”0 0 1 0 7 16 ，_ l9 3 2 ” o 0 1 3 ( 2 ) 球窝深h 的计算公式： 日：坠一一a ( 2 8 ) s i n 口2 式中：r 一球窝半径 a 一型腔锥角 么环带厚 其它参数根据生产加工的实际经验确定。 2 5 工艺及模具设计的要点 实际生产中钢球原材料的长径比即压缩比是影响钢球毛坯冷镦成形工艺的最主要 因素。原材料直径的确定首先要考虑是原材料的压缩比。按经验压缩比入在1 8 2 3 范围内选取。压缩比是对镦压质量影响较大的参数。压缩比取值太小，原材料直径大， 金属组织变形小，因而毛坯组织不好，影响钢球使用寿命。如果压缩比取值太大，则坯 料太长、夹持不稳、容易压歪和产生镦粗裂纹。 模具型腔锥角是影响模具受力的主要因素。模具参数的确定首先要考虑模具型腔的 形状。目前模具型腔有两种形状，一种是半球形的，一种是锥鼓形的。锥鼓形球坯和球 形球坯相比较，锥鼓形球坯有以下特点( 1 ) 节约原材料。( 2 ) 提高了钢球毛坯质量。由于 变形量小，环带两侧相应的脱碳堆积增深较小，材料脱碳层为o 1 0 m m 。冷镦成形后， 球形球坯环带两侧脱碳层达0 1 8 - - 0 2 0 m m ；锥鼓形球坯环带两侧脱碳层为o 1 2 - - 0 1 5 m m 。提高了模具和机床的使用寿命，采用材质相同的c t c r l 5 钢模具，模具寿命可 提高3 0 以上。( 3 ) 提高了钢球寿命。锥鼓形球坯环带比球形球坯小，环带处金属流线 被破坏的较少，提高了钢球成品的致密度，因此钢球的得到了寿命提高。( 4 ) 提高了生 产率。锥鼓形球坯环带小，两极为小平头，加工余量比较小，容易滚动，因而减少光磨 加工时间。( 5 ) 压碎负荷有所降低。因此目前国内外钢球厂家都采用锥鼓形球坯。但锥 鼓形球坯模具型腔锥角a 具体多大的是最适宜。以往都是凭经验在口= 4 5 0 , - 一6 0 0 范围内 来选择。 1 4 第2 章钢球毛坯的冷镦成形 r l 2 6 本章小结 本章对钢球毛坯的成形方法进行详细的说明，并对球形球坯和锥鼓形球坯的变形 特点进行详细的图解说明，给出了原材料直径、切料剪切力、镦球压力的算法。对钢球 毛坯冷镦模具的外形及材料进行了详细的介绍，给出了模具球窝半径r 和球窝深度h 的算法。对影响钢球冷镦工艺及模具设计的两个主要因素进行了分析。 1 5 第3 章钢球毛坯冷镦模型的建立 第3 章钢球毛坯冷镦模型的建立 3 1 金属塑性变形有限元基础 在金属成形加工领域，人们主要采用试错的方法来进行工艺设计，这使得新产品和 新工艺开发试制周期很长、材料消耗比较大、费用较高，且加工产品的质量也不能得到 很好的保证“”。传统的工艺设计方法越来越不能满足日益提高的产品质量和尺寸精度的 要求。以有限元为代表的数值模拟技术日益显现出其在理论研究和生产实际中的重要作 用，成为对金属成形工艺进行科学预测、工艺优化和定量控制的有效方法。有限元分析 法是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下各类响应的方法。它使用被称为“单 元”的离散块来模拟实物，模型中所有单元响应的“和”便是总体响应。因为单元中有有 限个未知量，所以称为有限单元“。 金属塑性加工是一个非常复杂的大位移及有限应变的过程，在加工中不但塑性变形 大，而且其成形过程及产品质量受工艺条件、摩擦状况、材料性能、模具结构及加工设 备等多种因素的共同影响”。金属材料在塑性变形中非线性的本构关系有弹一塑性、刚一 塑性、弹一粘塑性、刚一粘塑性等四种“”。以l a g r a n g e 坐标为基础的是弹一( 粘) 塑性本构关 系。而以e u l e r 坐标系为基础的是刚一( 粘) 塑性本构关系。 3 1 1 刚( 粘) 塑性有限元 l e e 和s k o b a y a s h i 共同提出了刚一( 粘) 塑性的l a 笋锄g e 算法”“；z i e n k i e w i c z 提出了刚 一( 粘) 塑性f e m 的罚函数法，o s a l c a d a 提出了体积可压缩法，这一系列算法的提出推动了 刚一( 粘) 塑性有限元法在金属塑性成形中的应用。a l p i d 、d e f o r m 、m a f a p 是常用 的基于刚一( 粘) 塑性的主要有限元软件。 刚一( 粘) 塑性有限元在金属成形过程中用m i s e s 屈服条件和l e 、，) ，m i s e s 方程进行描 述，以m a r k o v 变分原理为基本原理忽略了弹性变形”。刚一( 粘) 塑性有限元法是计算每 步微小变形然后把这些小变形累加起来就是大变形了，刚一( 粘) 塑性有限元法的特点 是运算量小、计算效率高”。 3 1 2 刚一粘塑性有限元法的基本原理 对于金属塑性体积成形问题，弹性变形量相对于塑性变形量来说可以忽略不计m 。 因此在金属塑性成形过程将变形材料认为是刚塑性材料。为了模拟的准确性将材料的性 能做一些基本的假设”“。 哈尔滨工程大学工程硕十学位论文 ( 1 ) 材料均质且各向同性。 ( 2 ) 忽略材料的弹性变形，不计体积力( 重力和惯性力等) 的影响。 ( 3 ) 材料的变形服从l e v y m i s e s 流动理论，且等向强化。 ( 4 ) 材料的体积不可压缩。 3 1 。3f l u - 粘塑性材料流动的基本方程 设变形体的体积为v ，在v 内给定体力p i ：表面积为s ，在s 的一部分力面墨上给定 面力吼，在s 的另一部分速度( 位移) 面s ，上给定速度v ? ，则材料在流动过程中满足下 列力学基本方程呻1 ； ( 1 ) 力平衡方程 o 。j 七p i = 0 ( 2 ) 力边界条件 即在s 上 o r ，甩= 吼 ( 3 ) 几何方程 占f = 2 ( v + ，) ( 4 ) 速度边界条件 即在鼠上h = y ? ( 5 ) 体积不可压缩方程 亡v = 8 = 0 ( 6 ) 屈服准则 采用m i s e s 屈服准则各等向强化模型，屈服准则为 。一r o r ，= 0 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 刚塑性有限元法利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解，其认为在所有的速度 场中，使能量泛函数取得驻值的速度场即为真实的速度场。完全广义变分原理泛函数 兀= 艇，冲一上吼凼 ( 3 7 ) l a g r a n g e 乘子法是在原泛函中引入拉格朗日乘子入，得到新泛函 r i = p o 茸沙一iq , d s + p 三，由 ( 3 - 8 ) 罚函数法i 比l a g r a n g e 算法收敛速度快，占用计算机的内存较小因此采用该算法计算 1 8 第3 章钢球毛坯冷镦模型的建立 效率高，因此本文采用罚函数法金属处理体积不可压缩问题。 3 2 钢球毛坯冷镦模型的建立 钢球毛坯冷镦模型的建立就是将钢球坯料、模具的几何形状、材料特性和坯料的模 具之间的相互作用有机结合的过程。在实际的钢球毛坯冷镦成形中机床精度、模具精度 及模具质量组成的工艺系统对钢球毛坯的形状及尺寸有很大的影响。在钢球毛坯冷镦模 型的建立过程中如果考虑这些因素的影响将使模拟变得很复杂，求解起来很困难。因此 假定机床精度很高没有偏移，模具也没有变形，即在前处理器中设定模具是刚性体。根 据生产的情况以咖7 9 3 8 m m 、妒1 2 7 m m 、1 9 7 5 r a m 三个规格钢球毛坯冷镦成形为例进 行模拟分析。图3 1 钢球毛坯示意图。 d 一毛坯直径s 位移月l 两极点球长j i ：- 环带宽 一环带厚 图3 1 钢球毛坯示意图 根据钢球毛坯生产的技术要求，总留量为0 3 5 r a m 的驴7 9 3 8 m m 、妒1 2 7 m m 、 多1 9 7 5 r a m 三个规格钢球毛坯生产时的工艺参数如表3 1 。 表3 1 钢球毛坯的工艺参数 n 咖7 9 3 8 1 2 71 9 7 5 毛坯直径d ( r n m ) 8 3 0 ：。 1 3 0 5 ：n2 0 1 0 位移s 不大于( m m ) 0 0 5 o 0 7 0 0 8 两极点球长h ( r a m ) 8 4 5 3 1 1 3 2 0 掣2 0 2 5 3 1 5 环带宽k ( n u n ) 0 4o 50 6 环带厚a ( r a m ) 0 81 1l 。6 总留量( r a m ) 0 3 50 3 50 3 5 单粒球重不大于( g ) 8 3 0 l o 3 23 5 9 1 9 哈尔滨工程大学r t