（材料加工工程专业论文）圆锥环件对称冷辗扩成型加工.pdfVIP

摘要 冷辗扩是生产高质量无缝环件的一种新工艺，辗扩过程是使环形工件通过主 动辊和芯辊形成的孔型。主动辊提供转动，使环件变形区不断循环周而复始的通 过轧辊孔型；芯辊提供直线进给运动，使环件壁厚不断减小以实现环件直径扩大 的加工过程：导向辊保证轧制平稳进行，检测辊( 信号辊) 测量轧制环件尺寸是 否达到要求以停止轧制。 冷辗扩生产的环件实现了少、无切削加工，保存了金属内部的流线组织，提 高了环件的机械性能。用冷辗扩技术生产的轴承套圈比传统工艺生产的轴承套圈 平均寿命要长，而且生产效率比传统工艺高。正是由于冷辗扩这项新技术的这些 优势才成为许多人研究的焦点。目前，冷辗扩技术生产简单截面的环件很成功， 但是生产异性截面的环件还存在较多的问题，例如生产锥形套圈由于变形不均匀 会产生许多问题。 文章重点研究了锥形套圈的冷辗扩技术，开发了一套用于成对生产锥形套圈 的冷辗扩新工艺。锥形套圈由于它截面形状的不规则性决定了辗扩过程金属变形 的不均匀性，这是导致不规则宽展、拉凹的主要原因。目前锥形套圈辗扩技术只 能一次成形一件，而且由于锥形套圈锥角使得芯辊应力集中严重。而采用对称辗 扩成形的新工艺，不仅提高生产效率，把芯辊的锥角增大一倍有效解决了应力集 中。同时成形两个环件，使得轴向力相互抵消，提高了辗扩的轴向精度。在进行 单锥套圈成对辗扩研究之前，首先对整体双锥形套圈进行了研究，分别从理论、 工艺入手优化试验参数。并有效运用有限元模拟，辅助工艺设计，经过多次优化 试验最终辗扩出合格的双锥形套圈。接着用双锥试验得到的工艺参数对分体单锥 环件进行试验，由于单锥环件对称面上没有金属间作用力的相互制约，结果环件 的对称面上出现了严重宽展和拉凹。通过塑性成形计算，有限元模拟，对毛坯进 行了优化处理。经过反复试验验证，有效控制了拉凹和宽展，试验取得了成功， 成功开发出了锥形套圈的冷辗扩工艺。 关键词：冷辗扩，新技术，新工艺，锥形环件，成对辗扩 a b s t r a c t t h ec o l dr i n gr o l l i n gt e c h n o l o g yi san e wc r a f tt op r o d u c eh i 曲q u a l i t ys e a m l e s s r i n g s t h er i n gi sr o l l e db yd r i v er o l l e ra n dm a n d r e lr o l l e r , d r i v er o l l e ro f f e rr o t a t i o nt o m a k er i n gr o t a t ec o n t i n u o u s l ya n dm a n d r e lr o l l e ro f f e rl i n ef e e dt om a k et h er i n gw a l l b e c o m et h i n n e ra n dt h i n n e r 1 r h eg u i d er o l l e re n s u r et h er i n gr o l l e dc o m f o r t 、a n d i n s p e c tr o l l e rc h e c kt h er i n g sd i a m e t e rw h e t h e rr e a c ht h el i m i td i m e n s i o n t h ec o l dr i n gr o l l i n gr e a l i z e dn e tp r o d u c er i n g ，w h i c hk e e pt h em e t a ls t r e a m l i n ei n t h er i n gb o d ya n di n c r e a s et h er i n gf o r c ec a p a b i l i t y t h eb e a r i n g sl i f ew a se x t e n d e d b yh i 曲一t e c hr i n gp r o d u c e db yc o l dr o i l i n gc r a f t t h i sc r a f ti sm o r ee f f i c i e n tt h a n t r a d i t i o n a lc r a f t j u s tf o rt h e s em e r i to fc o l dr i n gr o l l i n gc r a f t ，t h i st e c h n o l o g yw a s s t u d i e db ym a n ys c i e n t i s t n o w , t h i st e c h n o l o g yi sv e r ys u c c e s s f u li nr o l l i n gs i m p l e r i n g s ，b u tt h e r ea r em a n yp r o b l e m si nr o l l i n gc o m p l e xr i n g sw h i c hh a v en o ts y m m e t r y s e c t i o ns h a p e f o re x a m p l e ，t h i st e c h n o l o g yi ss t i l ln o tm a t u r ei nr o l l i n gt a p e rr i n g t h i sp a p e rd e v e l o p e dai l e wt e c h n o l o g yt or o l ld o u b l er i n g si no n ep r o c e s s t h e t a p e rr i n g si r r e g u l a rs e c t i o ns h a p ed e c i d et h eu n e q u a lf o r m i n go ft h er i n gm e t a lw h e n r o l l i n gr i n g ，w h i c hi st h em a i nc a u s eo fi r r e g u l a rw i d es p r e a da n dd r a wc o n c a v e o nt h e s y m m e t r yf a c eo fr i n g a tp r e s e n t ，t h er i n gr o l l i n gt e c h n o l o g yr o l lo n er i n gi no n e p r o c e s s ，a n dt h et e c h n o l o g yc a n td e a lw i t hs t r e s sf o c u so nt h es h a r pt a p e ra n g l eo f m a n d r e lr o l l e r t h en e wt e c h n o l o g yn o to n l yd o u b l et h et a p e ra n g l eo fm a n d r e lr o l l e r b u ta l s oi n c r e a s et h ep r o d u c er a t ef o rr o l l i n gt w or i n g si no n ep r o c e s s j u s ta sd o u b l e r i n g sr o l l e di no n ep r o c e s s ，w h i c hc a n c e lt h ea x e l sf o r c ea n dh i g ht h er o l l i n gp r e c i s i o n b e f o r es t u d y i n gs i n g l et a p e rr i n gr o l l i n gc r a f t t h ef u l lr i n gw i t ht w ot a p e r sr o l l i n g c r a f th a sb es t u d i e d t h ep l a s t i ct h e o r ya n df o r m i n gc r a f tw e r eu s e dt oo p t i m i z et h e e x p e r i m e n t t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na l s ob eu s e dt oa s s i s t a n tt h ec r a f ts t u d y ，a t l a s tt h eo p t i m i z e dc r a f tw a sb em a n i f e s ts u c , o ) e s si ne x p e r i m e n t t h e n ，t h eo p t i m i z e d c r a f tw a sa p p l i e do ns i n g l et a p e rr i n gr o l l i n g ，b e c a u s et h e r ew a sn of o r c el i m i t b e t w e e nt w ot a p e r r i n g ss y m m e t r yf a c e ，t h ew i d es p r e a da n dd r a wc o n c a v eo n s y m m e t r yw a sv e r ys e r i o u s t h r o u g l lp l a s t i cc a l c u l a t i o na n df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n g o tt h eo p t i m i z e dr o u g hr i n g ，a n dg o tt h ee x p e r i m e n ts u c c e s s a tl a s t ，t h et e c h n o l o g y o fc o l dr o l l i n gt w ot a p e rr i n g si no n ep r o c e s sw a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y k e yw o r d s ：c o l dr i n gr o l l i n g ，n e wt e c h n o l o g y ，n e wc r a f t ，t a p e rr i n g ，d o u b l er i n g r o l l i n g i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着现代化程度的提高，工业技术水平的进步，对于无缝环件性能的要 求越来越高，以轴承为例，在汽车、船舶、化工设备、航空发动机、军事设 备等领域发挥着举足轻重的作用i l j 。而冷辗扩是生产高质量无缝环件的先进 技术之。轴承套圈的冷辗扩加工工艺是2 0 世纪8 0 年代【2 】发展起来的新技 术。辗扩工艺由于节能、省材、产品质量高等优点得到了广泛的重视。本课 题是国家自然科学基金( 节能环保专项) 重点项目“金属环件冷辗扩塑性成 形机理及工艺设备研究”( 项目编号5 0 3 3 5 0 6 0 ) 的一部分。 1 2 冷辗扩原理 冷辗扩过程的实现主要是使环形工件通过主动辊和芯辊形成的间隙，在 主动辊的压力作用下使环件作旋转运动而产生塑性变形，实现辗扩成型，如 图1 1 所示。左边的导向辊在辗扩过程中对工件起导向作用以保证轧制的顺 利进行，为了确保工件的轧制精度一般还要设置检测辊。冷辗扩按主动辊与 芯辊形成间隙的形状大致可以分为开式和闭式两种i “”。开式冷辗扩较简单， 主动辊与芯辊都是简单的圆柱体，工件可延两端开放间隙进行轴向扩展。闭 式冷辗扩主动辊设有凹槽，与芯辊形成的间隙是两端闭和的，工件辗扩过程 嵌入凹槽使金属轴向变形受到约束。 图1 1 冷辗扩示意图 1 一芯辊；2 一导向辊：3 一主动辊；4 _ 环件i5 一信号辊 武汉理工大学硕士学位论文 德国巴德杜本公司是研究开发轴承套圈冷辗扩设备较早的厂家，生产的 冷辗扩机有立式和卧式，立式布置有利于上下料和减少占地丽积，其生产的 u r w a 系列( 包括u r w a l 0 0 s ，u r w a l 3 0 l ，u r w a l 6 0 ，u r w a 2 1 0 ， u r w a 2 5 0 ) 冷辗扩机，采用圆度控制辊来保证工件的圆度，以避免由于材料 不均匀等因素引起的圆度误差。但是无论何种型号的辗扩机其基本原理都是 相同的。 1 3 冷辗扩的优越性 1 3 1 冷辗扩加工节省材料 由于冷辗扩加工是使金属产生塑性变形来得到所需工件的，没有切削去 料过程，因此冷辗扩加工很大程度上提高了材料利用率 1 1 ，节约了有限的资 源。传统轴承套圈生产工艺中金属的平均利用率仅为4 7 一5 7 ，而冷辗扩将 金属的利用率提高到7 0 7 5 ，同时改善了产品性能。以6 2 0 0 、6 3 0 0 和6 4 0 0 系列深沟球轴承套圈为例，基础工艺的金属利用率为5 3 一6 2 ，冷辗扩新工 艺的金属利用率为8 0 8 4 ，节材2 5 2 8 。对于2 2 2 0 0 和2 2 3 0 0 系列的 调心滚子轴承套圈的利用率达到7 5 8 5 节材2 0 2 8 。 冷辗扩工艺提高了材料的利用率，降低了产品成本。降低了废品率，延 长了工件寿命，缩短了生产周期。改善了劳动条件，降低了劳动强度。冷辗 扩工艺的优越性以4 6 3 2 轴承套圈为例加以说明，如表1 1 。 表1 14 6 3 2 轴承套圈新老工艺对比 l 工艺名材料利用率生产率( 件a 出)废品率袭殖谜圉娃( “m )工件硬度h b 车加工 4 7 - - 5 7 5猫6 - 0 0 3 21 7 9 彻 i 冷辗扩 7 0 7 5 8融，2 0 82 5 0 之8 0 1 3 2 冷辗扩工艺费用低 节省材料的同时冷辗扩减少加工工艺为企业节约了大量资金f 引，有利于 降低成本提高企业的竞争力。传统的球轴承套圈车加工工艺为：车端面一倒 角一车外径一车另一端面一倒角一车一面装配圆角一车另一面装配圆角一车 沟。采用冷辗扩工艺加工轴承套圈工艺为：车内径一端面一倒角一车外径一 武汉理工大学硕士学位论文 车另一端面一倒角一冷辗扩加工。以6 2 0 6 。1 0 为例，万件毛坯的各项费用见 袁1 2 所示。 表l 一2新老工艺工序费用对比 工序费用 老工艺开式辗扩闭式辗扩 下料重k g 3 2 11 8 01 5 5 材料费元 1 6 3 2 08 8 1 07 8 2 4 锻造费元 1 3 8 18 1 21 3 3 0 冷辗扩费元无 9 0 01 3 0 0 车削费元 1 4 2 11 1 3 58 9 5 总费用元 1 9 4 4 3 1 1 8 3 71 1 5 0 4 1 3 3 冷辗扩加工的工件质量高 由于冷辗扩特有的无金属纤维切断，压延成型。工件材料致密性好，晶 粒细化强度提高。对于轴承寿命可以提高1 0 倍以上。冷辗扩加工是利用模具 成型，工件位置精度高，有利于后续加工，磨削加工留量较小，一般外豳在 0 0 8 0 1 5 m m 之间，宽度在0 0 7 0 1 3 m m 之间，公差在0 0 4 0 0 6 r a m 之间。 这，优点在加工双沟球轴承时更加突出，因为车削加工两个沟一般是分开加 工，位置精度很难保证，而辗扩加工精度由模具决定，可以保证位置精度。 冷辗扩加工过程中，工件体积基本不变，只要保证冷辗扩前工件重量不 超过允许的公差带就可以较好的保证辗扩后工件的尺寸精度。冷辗扩工件的 表面粗糙度主要由模其决定。对模具进行精加工，选用合适的冷却液可以使 工件表面粗糙度接近或达到磨削精度。表1 3 是冷辗扩轴承套圈和车加工精 度对比。 表1 3 冷辗扩和车加工轴承套圈主要精度指标对比 l 加工方法黻蹦um )直径变动量沟曲率半径公差沟道圆度 内夕卜 空公差 车削 1 6o 0 6 o 0 3 2 5um0 0 8 i 冷辗扩 0 5o 0 2o 0 0 34 5 u m0 0 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 冷辗扩的发展现状 目前，由于冷辗扩技术具有无可比拟的优越性，国内越来越多的研究机 构、企业认识到了，并积极引进、开发了一系列精密辗扩设备。洛阳轴承研 究所、洛阳国投精密机械有限公司、青岛生建机械厂等，先后研制开发出 d 5 6 g 系列数控精密冷辗扩、p c r 系列数控精密冷辗扩、l n k l 2 0 a 和 l n k 7 0 a 型冷辗扩机，并投入批量生产。国内具有冷辗扩设备和冷辗扩工艺 生产能力的企业有：重庆长江轴承有限公司、人本集团黄石精密锻造有限公 司、江苏昆山精密模具有限公司、黑龙江省哈尔滨轴承有限公司、四川乐山 大洋轴承有限公司、绍兴天龙轴承实业有限公司、浙江滚动轴承有限公司等 国外，冷辗扩设备主要生产厂家有德国的巴德杜本和日本共荣精工。德 国巴德杜本公司生产的u r w a 系列冷辗扩机【l 】全部采用计算机控制技术，液 压进给系统提供稳定而精确的进给速度，因此机床的加工精度比较高。辗扩 过程中压力随辗压时间变化，对于某种型号的套圈的几何尺寸及材料性能存 储其压力随时间变化的理论曲线，计算机将压力变化曲线与理论蓝线进行比 较，控制辗压生产。机床的自适应能力能够智能校核机床的零点，当较长时 间停机后再次启动不用进行精度调整不会发生零点飘逸现象。另外，它的数 据存储功能为加工同类型零件提供了快速的数据调用功能，避免了参数的重 新设置调整。机床的上料、下料完全自动操作，它的机械人柔性上料装置是 独一无二的。日本共荣精工生产的c r f 系列冷辗扩机在控制方面较德国巴德 杜本的u r w a 系列辗扩机简单，机上设有整径工位，以提高工件的圆度。 由于冷辗扩工艺是一种成型新工艺，因此无论是理论还是实践都不是很 完善，有些技术需求暂时还不能得到满足。例如，对于小孔径环件的辗扩还 有些问题，这主要是受芯辊尺寸的限制。但是国外有些组织宣布可以用“倒 转”( “i n v e r t e dr o l l i n g ”) 技术解决小孔辗扩问题，并且大幅减少了冲孑l 是材 料的浪费。另外，理论上对于环件几何形状变化规律一直沿用圆形假设，这 是不符合实际变形的，因此不能真实模拟环件变化规律。最近国外有人提出 结合流体理论进行有限元模拟可以更真实的反映变化规律( t h es u c c e s s i v e p r e c o n d i t i o n e dc o n i u g a t eg r a d i e n tm e t h o d 简称s p g m 方法) 。 国内，武汉理工大学在金属环件冷辗扩塑性成型机理上进行了深入研 究，其主要研究内容有：金属环件冷辗扩过程中的物理机制、冷辗扩塑性成 型机理和冷辗扩模具损伤破坏机理；冷辗扩中环件材料宏观塑性变形与微观 组织性能、环件几何精度与组织性能耦合作用规律：金属环件冷辗扩成型工 4 武汉理工大学硕士学位论文 艺理论和设计方法。 对冷辗扩成型模具，国内由于缺乏对轴承套圈冷辗扩理论和工艺技术研 究，对轴承套圈冷辗扩模具服役的工艺条件都不太清楚，无法建立轴承套圈 冷辗模具设计、制造和使用的科学依据和技术规范，以致轴承套圈冷辗扩模 具特别是芯辊寿命一直处于较低水平。最近通过企业与高校联合研究，冷辗 扩模具寿命得到提高，武汉理工大学在轴承套圈冷辗扩模具的设计、制造、 强化和型面改性技术上取得重要技术进展，使轴承套圈冷辗扩芯辊( 直径小 于1 5 m m ) 寿命超过万件。 1 5 有限元模拟在冷辗扩中的应用 有限元法是把被研究的物体分割为有限个单元，通过对每个单元的求解 来获得整体的近似解。经过3 0 多年的发展，有限元法已经成为解决各种工程 问题的有力工具。金属塑性加工属于大应交的弹塑性问题，涉及到几何非线 性和物理非线性，理论求解难度很大，一般难于求得精确解。近年来，由于 有限变形理论和塑性理论的发展及高速大容量计算机的普及和计算技术的进 步，用有限元法分析金属塑性加工问题得到广泛重视，解题精度不断提高。 用有限元法模拟轧制过程，也取得了一批重要成果。 根据材料本构关系的不同，有限元法可分为弹塑性有限元法、刚塑性有 限法和粘塑性有限元法。在轧制问题中应用得比较广泛的是前两种方法，轧 制时金属的变形是一个弹塑性变形过程、在入口和出口附近甚至存在纯弹性 变形。用弹塑性有限无法求解轧制问题，可以考虑弹性变形，精确地分析变 形过程，计算残余应力和弹性恢复。建立在塑性力学流动理论r 增量理论1 基 础上的弹塑性有限元法得到广泛应用。它将总能量泛函表示为单元节点位移 增量的非线性函数，根据能量泛函取极小值的条件求得位移增量后，再利用 本构方程和弹塑性力学中的其它基本关系式，求得应变增量、应力增量及应 变和应力等参数。 刚塑性有限元忽略弹性变形，不采用应力、应变增量形式求解，每次加 载可用较大的增量步长，不存在要求单元逐步屈服的问题，因而可用数量较 少的单元来求解大变形量问题，计算模型比较简单，计算量大大减少。刚塑 性有限元法己成为求解金属塑性加工问题的一种新的有力工具。刚塑性有限 元法将总功率泛函表示为单元节点速度的非线性函数，根据总功率泛函取极 小值的条件求得速度场后，再利用l e v y - - m i s s 塑性流动方程( 本构方程) 和塑 武汉理工大学硕士学位论文 性力学中的其它基本关系式，得到应变速度场、应力场及各种变形参数和力 能参数。根据对体积不可压缩条件的处理方法不同，可分为拉格朗日 f l a g r a n g e ) 乘子法、罚函数法和可压缩法等。 目前流行的塑性有限元软件很多，但大部分都是基于这两个原理进行分 析计算的。其中的d e f o r m 3 d 软件就是理想的有限元分析软件，他可以分 析各种复杂的塑性变形过程。冷、温、热锻的成形和热传导耦合分析，它可 以为用户提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷 形成和韧性破裂等信息。刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变 形成形分析，弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题。而且它还具 有完整的成形设备模型，可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机 械压力成形，用户自定义子函数允许用户定义自己的材料模型、压力模型、 破裂准则和其他函数。他具有非常强大的功能，适合做冷辗扩成形分析。 1 5 1 有限元软件d e f o r m 一3 d 的一般模拟过程 一般的有限元软件由于功能较多，因此界面也很复杂，各种菜单让用户 摸不到头绪，不利于初学者学习。d e f o r m 3 d 具有非常友好的可视化界面， 首先打开此软件默认的有四部分组成，如图1 2 所示。最左边是问题目录， 显示了用户所创建的p r o b l e m 。在问题目录右边是对于左边某一问题的说明 信息，其中包括有数据库文件、k e y 文件和各种m e s s a g e 文件的目录。再往 右就是预览框了，在上面显示某一问题的计算结果。它上边的标题栏分别是 这个问题的摘要、预览、信息、日志，点击标题栏可以分别查看不同信息。 在界面的最右侧就是d e f o r m 3 d 的功能模块了，分别是前处理、工具、模 拟、后处理。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图l 2d e f o n n - 3 d 界面 点击p r ep r o c e s s o r 下面的d e f o r m 3 dp r e 进入前处理界面，在这里主 要是设置问题的模拟参数，在这里面对模型进行导入或者简单造型操作，对 于比较复杂的模型一般采用导入比较方便，由专门的造型软件做好模型后再 导入d e f o r m 3 d 。这样做的好处是有利于复杂模型的设计，由于该软件的 造型功能不是很强特别是对于那些结构较复杂的零件的造型比较困难。但是 它可以通过强大的数据接口技术导入各种软件的模型，它与a u t o c a d 、u g 、 p r o e 、s o l i d w o r k s 、c a t i a 等著名软件都有数据接口，可以导入多种格式的文 件，如：，d b 、k e y 、。s t l 、+ g e o 、，p d a 、 u n v 、+ i g s 。 模型导入后首先确定哪个是塑性体哪个是刚性体，这是模拟塑性变形的 重要条件。只有塑性体才能进行网格划分进行塑性分析。接下来就要对模型 的位置进行设置，对每个模型位置的设嚣可以通过o b j e c tp o s i t i o n i n g 工具进 行设置，如图1 3 所示。在这里面可以对模型迸行移动、偏移、旋转等操作， 可以精确定位各模型间的相对位置。 武汉理_ _ j _ = 大学硕士学位论文 图1 - - 3o b j e c tp o s i t i o n i n g 对话框 d e f o r m 3 d 软件提供了各种材料的模型库，可以根据需要选择材料， 方便了用户的使用。不仅包括许多常用钢的数据库，而且还包括各种铝台金、 钛合金和超合金，这是许多其他软件所部具备的。另外用户也可以根据自己 的需要进行材料的自定义设置。定义了塑性体的材料就可以对模型进行网格 划分了，d e f o r m 3 d 软件定义了单元体为四面体单元体，这是不能改变的， 用户可以根据情况定义局部网格的疏密，有利于简化计算量。d e f o r m 。3 d 可以通过定义工具模型的运动情况自动生成边界条件，便于用户操作。每个 模型可以定义一个平动和两个转动，可以满足各种成形过程复杂的运动要求。 模型参数都设置完成后就要进行模拟参数的设置了，这是关系到模拟能 否进行下去的关键，其中主要包括m a i n 、s t e p 、s t o p 、r e m e s hc r i t e r i a 、i t e r a t i o n 、 p r o c e s sc o n d i t i o n 、a d v a n c e d 、c o n t r o lf i l e 参数的设置，对话框如图1 4 所 示。在m a i n 栏中可以设置模拟参数是国际单位( 米制) 还是英制单位，一 般选择国际单位制。在s t e p 栏中主要是设置模拟的步数和步长，如果是以时 间为步长单位，要计算每步的计算时间。如果步长设置太大模拟不能进行， 如果太小了又会浪费时间，因此步长的设置很重要。如果是设置长度步长， 一般选择单元格长度的1 3 长度为最佳，如果是时间步长要把单元格长度的 1 3 除以速度转化成时间。并不是每计算一步都需要保存的，那样会占用大 量计算机的宝贵资源，而且还会影响计算速度。一般软件默认是1 0 步保存一 次，如果计算量较大可以设置保存步数大一些。在s t o p 栏中设置模拟停止条 件，当工具模型运动到某一相对位置就停止计算，这是很必要的，不然就会 无休止的浪费好多宝贵时间。r e m e s hc r i t e r i a 栏设置塑性体网格重划分的标 准和保存时最大的步数增量。其他选项根据实际情况进行设置就行了，如果 武汉理工大学硕士学位论文 没有特殊要求下面的几个选项栏用默认数值就可以。 图1 4 模拟控制参数设置对话框 模拟参数设置完成后就可以进行数据库的生成了，点击d a t a b a s e g e n e r a t i o n 进入数据库生成对话框。点击c h e c k 按钮检查是否能生成数据库， 如果设置的参数都满足要求就会提示d a t a b a s ec a nb eg e n e r a t e d ，这时点击 g e n e r a t e 就能成功生成数据库了。如果点击c h e c k 后提示d a t a b a s ec a n tb e g e n e r a t e d 说明参数设置有误，根据对话框中的提示进行参数修改，直到能成 功生成数据库。最后保存数据库，退出前处理进行模拟计算就可以了。 1 5 2 环件冷辗扩模拟后处理 有限元模拟是一个数值计算过程，需要计算机进行大量的运算。因此计 算机配置的优劣直接影响到模拟时间的长短，但模拟消耗的时间主要还是由 前处理参数设置决定。如果参数设置的不合理可能要耗费很多时间，如果参 数设置合理就能用有效时间得到最佳结果，因此前处理对模拟时间的长短至 关重要。其中d e f o r m 3 d 的一个特点就是可以在模拟进行中进入后处理看 模拟过程，这是别的软件所不具备的1 4 1 “j 。如果发现后处理的中间过程模拟 结果已经出现了错误就要马上停止模拟，以避免不必要的时间浪费。在看模 拟中间过程时要注意的一点就是由于数据库正在运算过程中，当点击进入后 处理时，当时正在运算的一步也就是后处理显示的最后一步还没有算完，因 此点击动画播放时不能播放到最后一步，一旦进入最后一步软件就会停止并 武汉理工大学硕士学位论文 提示出错。d e f o r m 3 d 的另一个特点就是可以中途停止后再接着停止的那 一步继续计算，但是要进入前处理最后一步重新生成数据库。这一特点也是 许多其他模拟软件所不具备的，对于那些计算量大、耗时长的模拟问题如果 遇到中途断电或者电脑故障的原因中止的，不会丢失数据可以继续计算，避 免了不必要的重复性工作。 在进行分体模拟之前，先对双锥套圈进行了模拟试验，选取毛坯形状与 两个单锥套圈对接相同，与单锥套圈不同的是对称面是连在一起的一个双锥 整体套圈。参数设置情况与单锥设置完全相同，只是单元格划分的数量上是 单锥套圈的2 倍。模拟结果显示双锥套圈可以用冷辗扩工艺生产的，模拟结 果很成功，结果如图1 5 所示。 图1 5 双锥套圈辗扩模拟结果 在从图1 5 可以看到环件模拟结果很成功，端面很平整没有出现宽展、 毛刺。而且型槽填充也很饱满，模拟成功后就可以进行实物试验了。用模拟 来辅助试验，可以避免许多重复性的工作。尤其是在毛坯的优化设计时更能 显出模拟的优势，最初用矩形截面的毛坯进行模拟，模拟结果出现了很不规 则的宽展，端面质量很差。说明矩形截面的毛坯不适合进行锥形套圈的辗扩， 在试验中也得到了证实。用矩形截面辗扩端面出现了很明显的宽展，而用锥 形毛坯进行辗扩试验得到了理想结果，端面质量很光滑，没有宽展。 通过模拟环件冷辗扩过程，可以很直观的检验试验方案的可行性，模拟 不需要实物试验所必须的准备工作，既节约了时间也避免了许多因方案错误 而导致的大量浪费，无论是从经济上还是从工作效率上都显示了模拟的很大 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 优势。模拟是实物试验最好的辅助工具，但它并不能代替实物试验，如果一 味的脱离试验纯粹的模拟是没有现实意义的。清华大学的曾攀教授来我校做 模拟报告时说过，模拟能做出来的试验不一定能成功，但是模拟做不出来的 试验肯定是不会成功的。这也就是说，模拟只是对试验具有指导意义，但不 能代替实物试验。 正确利用有限元模拟对环件冷辗扩进行指导，能达到事半功倍的效果。 可以节约大量的宝贵时间和经费，避免试验过程可能走的弯路。d e f o r m 一3 d 软件是个功能很强大的有限元软件，不仅可以模拟冷辗扩还可以模拟许多其 他塑性加工过程。通过认真学习d e f o r m 一3 d 软件，掌握有限元模拟方法， 充分发挥它的强大功能，为环件冷辗扩工艺开发取得成功提供了重要的支持。 1 6 冷辗扩技术的发展前景 我国轴承套圈冷辗扩技术从原理研究开始起步，相继获得国家发明专利 和实用新型专利，已进入实用化。国产冷辗机的技术水平与日本c r f 型和德 国u p w a 型冷辗机相当，除兼有后二者的一些主要优点之外，原理更合理、 结构更简单、制造成本更低廉，但在机床的稳定性、系列化、应用范围和自 动化程度方面存在较大的差距。国内也曾有企业仿制进口冷辗机，但半途而 废。目前，国内外冷辗技术仍处在成长期，边应用边完善。德国投入百万马 克制造专门用于试验的冷辗机，配鬻数台计算机和几十个传感器，对冷辗机 进行全面测试。 冷辗扩加工按其工作原理，可以加工与轴承套圈类似的所有封闭环件， 包括像矩形截面的简单环件和复杂的异形截面环件。据测算，外径中3 0 1 8 0 m m 的轴承约占轴承总量的6 5 ，超过l o 亿套。考虑到我国现有的多种 制坯形式在一个较长的时期内还会共同存在，仅按3 0 的套圈采用冷辗扩工 艺制造，而冷辗机每台每年生产1 2 0 万件计算，适合辗扩中3 0 1 8 0 m m 轴承 套圈的冷辗机在国内的市场容量达2 5 0 台。除轴承外，在机械工业其它环形 零件制造中也有着广泛的用途，冷辗市场前景广阔。 今后主要研究内容是开发以扩大应用范围为目的的冷辗扩工艺、高效优 质长寿成套模具制造技术和经济合理的冷辗用坯制各技术；以提高辗扩精度 和机床可靠性为目标，对现有机型进行完善和定型：成系列开发适合中3 0 2 5 0 m m 尺寸段的轴承套圈冷辗机和冷辗扩生产线联线技术。预计在今后十年 内，国产冷辗机达到日本、德国同类机床的技术水平。 武汉理工大学硕士学位论文 由于冷辗扩加工工艺在我国应用较晚，人们对它的认识还比较少，理论 及实践还很不足。特别是过去国内没有成熟的冷辗扩加工设备，进口国外的 冷辗扩机价格太贵。目前，我国只有有少数轴承厂用冷辗扩技术加 ：球轴承 套圈，和一些简单截面形状的环件。但是，1 7 1 前随着汽车行业的发展，各种 高质量轴承的需求量越来越大，不能把冷辗扩技术只停留在生产简单截面的 环件上，还应该加快异形环件冷辗扩技术的研究开发。特别是对异截面形环 件冷辗扩技术的研究，锥形环件作为异形截面环件的一种具有很高的研究价 值，它与球轴承一样是锥形轴承的重要部件，对轴承的性能起重要作用。 圆锥滚子轴承，在汽车上起着重要的作用，尤其是较高级轿车和重型车 用量较大，他的高承载能力及其可靠性决定了他的重要地位。由于其良好的 性能及其生产工艺较复杂决定了其市场价格较商，圆锥轴承套圈的冷辗扩工 艺研究开发具有良好的市场前景。目前，圆锥套圈辗扩生产中存在的问题还 很多，由于其外形特性决定在辗扩过程中对芯辊产生较大轴向力，产生应力 集中降低了芯辊寿命。由于锥形套圈辗扩变形不均匀，还会出现翘曲、拉凹、 端面宽展剧烈等缺路。 随着计算机技术的发展，计算机技术在辅助工艺设计中的优势显的越来 越明显。把计算机技术应用到环件冷辗扩技术开发中，可以更加有效合理的 设计辗扩工艺从而提高工作效率。本论文利用了计算机有限元模拟技术对工 艺进行优化设计，避免了许多不必要的试验，提高了试验效率。通过用计算 机有限元模拟软件模拟环件辗扩变形过程，选择合理的成形工艺进行试验， 通过对毛坯的优化得到了最适合辗扩成形的毛坯形状参数。计算机有限元模 拟技术是工艺试验的有效工具，在参数优化、工艺选择方面起来重要的作用， 节约了大量真实材料，用有限的试验得到了最佳的效果。 通过对锥形套圈冷辗扩工艺的研究开发，借助计算机辅助工具，建立一 套适合锥形套圈的冷辗扩工艺，进而推广到其他异形截面复杂环件的冷辗扩 加工。用冷辗扩技术加工各种截面的环件，满足各种高性能环件的需求。随 着冷辗扩技术的不断发展，将来这种技术定会发挥它的巨大潜力。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章圆锥滚子轴承套圈冷辗扩理论工艺研究 2 1 引言 圆锥滚子轴承，在汽车上起着重要的作用，尤其是较高级轿车和重型车 用量较大，他的高承载能力及其可靠性决定了他的重要地位，圆锥滚子轴承 的失效率相对较低，同时由于其良好的性能及其生产上的工艺决定了其市场 价格较高，有良好的市场前景。圆锥滚子轴承套圈是决定轴承性能的重要部 件，目前，圆锥滚子轴承外圈冷辗扩生产中存在的问题是还很多【2 】，由于其 几何特性决定在辗扩过程中对芯辊产生较大轴向力，影响了生产精度。由于 锥角影响在芯辊的锐角处容易产生应力集中使得芯辊寿命降低，目前冷辗扩 技术在圆锥套圈的辗扩生产中应用还不是很广，下面以( i s 0 3 5 5 系列2 b d ) 外圈为例进行锥形套圈冷辗扩工艺的理论研究。 2 2 实例选取 2 2 1 实验设备 试验设备是d 5 6 g 9 0 型精密冷辗环机，设备参数如表2 1 。 表2 1 试验设备参数 参数名称 机床指标 最大外径( i n n l )9 0 加工范围 最大宽度( m m )2 3 。 公称辗压力( k n )1 0 0 主轴转速( r m i n )1 4 6 主滑块最大行程( r a m )1 3 7 主滑块进给速度( m m s ) o 一1 6 辗轮与芯昆最小闭合中心距( m m ) u 6 辗轮与芯昆最大闭合中心距( m m ) 1 2 8 工作节拍( s ) 7 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 试样的选取 针对设备最大加工宽度2 3 m m ，选择圆锥滚子轴承( i s 0 3 5 5 系列2 b d ) 外圈为例设计冷辗扩试验工艺，套圈参数如下图2 1 所示： l 歹i髦。： 图2 1 轴承套圈尺寸 传统的辗扩工艺是单件生产，由于零件的几何特征决定，辗扩生产过程 中要对芯辊产生较大的轴向力，对芯辊寿命及其加工精度有影响【1 1 。图2 - - 2 是传统辗扩生产1 2 1 , 2 2 】中环件及轧辊受力示意图。图中p1 是芯轴产生的平衡 力，p 为辗压力。由力的平衡方程，得：p 1 _ - p s i n ，p = p c o s 在径向力p 的 作用下，坯料产生塑性变形。轴向力p l 反作用于芯轴，对芯轴产生较大的轴 向推力，辗扩力的计算公式如下： 毛坯每转主动辊进给量： 接触弧长 变形力 舳=最f业n址业1(2-1)ntd 4h2 ，ll p 一1 5 g r b b l 1 4 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 式中 do 一一辗扩前毛坯外径； d 、d 1 辗扩前后毛坯内径； ho 、h 辗扩前后毛坯的宽度 t 一一辗扩工作时间； r ，一一心轴名义半径： n 工作转速； 0n 变形材料的强度极限； b 变形区宽度； o2 、3 毛坯内、外半径； r4 一一凹模半径。 图2 2 辗扩时毛坯的受力简图 1 一辗扩模圈；2 一卸料套：3 一毛坯；4 一心轴 对于本工艺研究，采用特殊的模具结构同时辗扩两个套圈，使两个锥形 套圈对称辗扩从而抵消不必要的轴向力。这就大大改善了芯辊的受力状态， 提高了制造精度。其辗扩示意图如图2 3 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 力能计算 ，主动辊 p o 。2 p l 、 p 1 l p t ，芯辊 1 、详下 ( r ，z 型逭。) i p e 5 he 。址 基旁辩 图2 3 圆锥滚予轴承对称辗扩示意图 2 3 1 咬入条件 要使环件能顺利轧制首先必须满足咬入条件，由环件轧制区受力平衡方 程得： 解方程得到咬入条件 荟只2 瓦+ 吃+ p z z o ( 2 - - 4 ) i ；o + 置，+ p ：，t o 其中：l 、82 近似取1 2 ，芦；t a n 卢。 接触弧长 工= ( 2 5 ) ( 2 6 ) j 岛 + 蚋 叩l 宝“v l 地他 滗 武汉理工大学硕士学位论文 其中 r ：= 委+ ) r ：昙( + 巧) 。- 4 i | l 口4 一 。 旯， 满足咬入条件的近似进给量： 舳虮雨2 , 8 2 丽r 1 ( + 惫+ 鲁一r ，_ i ) ( 2 - - 7 ) 2 3 2 锻透条件 环件辗扩变形是一个壁厚不断减小孔径不断变大的过程，由环件局部变 形引起宏观尺寸的变化，环件变形区的金属受到芯辊与主动辊的压力作用壁 厚减小，相当与镦粗变形，要求变形均匀且能能够贯穿整个变形区壁厚，这 就是辗扩要满足的锻透条件。变形区的受力分析如图2 - - 4 所示。 l么 厶 v ?菩暴2 n 。e 6 5 5 x 1 0 - 3 ( r - r ，) 2 隆i 1 + _ _ 1 爿( 2 - - 1 2 ) 2 3 3 导向辊压力 环件受力平衡方程： 解得 1 8 ( 2 1 3 ) 0 o 暑 群 岛 + 囊易 + 瓦 + + 已q 拦 _ c 0 ，【 武汉理工大学硕士学位论文 其中 2 3 4 环件轧制力 只；只瓦忑1 + 蕊r 2 r 1 r ：昙+ 硝) l = ( 2 1 4 ) p t2 k ( 1 + 鲁+ ；州砉，孔型开式 p 。2 k ( 1 + 生+ 一3j ，l 旦+ 三m 量) 孔型闭式1 4l8h 。4b 一 ” ( 2 1 5 ) p 。p b l m 。p b r a a h 幽ms j ls 曲。 本试验按闭式计算轧制力，因此满足闭式轧制必然满足开式轧制对轧制 力的要求，其中： m 摩擦因孑； b 环件宽度； ho 终轧壁厚。 r ：z 揪峨”) ，一去( ，+ r ”) ( 2 1 6 ) 公式( 2 - - 1 6 ) 中的r 、，”是环件毛坯内圈的小径、大径。要加以说明的 是，由于环件为锥形环件，有最小壁厚hom i 。也有最大壁厚ho m 。；，因此在 确定ho 的值对要分别把两个壁厚带入公式，为保险起见建议取最大值。另 外也可以取壁厚的平均值ho = ( hom j n + h0 m a x ) 2 。这要根据情况而定。 则对称辗扩时的轧制力为： 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 模具设计 p = 2 p b l ( 2 1 7 ) 环件辗扩过程中既要咬八又曼锻透，由于最小进给量与最大进给量是根 据不同条件得到的，所以要求最小进给量必须小于最大进给量： a h “。e m 。 将公式( 2 7 ) 和( 2 1 2 ) 分别带入上式整理得到： 主动辊最小