軸承端蓋溫?cái)D壓成形工藝模具磨損研究

張 京，吳淑芳

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130022）

軸承端蓋是各類(lèi)機(jī)體中不可缺少的重要機(jī)械零件之一，主要起到密封保護(hù)和固定軸承的作用。近年來(lái)，端蓋的制造方法根據(jù)技術(shù)要求的不同采用切削加工、壓鑄、擠壓等方式。由于端蓋形狀較為簡(jiǎn)單，為了提高生產(chǎn)效率和適合大批量生產(chǎn)要求，采用擠壓成形技術(shù)明顯優(yōu)于另外兩種方式[1]。

許多學(xué)者采用數(shù)值模擬技術(shù)研究金屬成形工藝[2－4]。郭立剛[5]等利用procast軟件對(duì)鋁合金軸承端蓋低壓鑄造的過(guò)程進(jìn)行模擬分析，并對(duì)鑄件進(jìn)行缺陷預(yù)測(cè)。蔣曉英[6]等通過(guò)數(shù)值模擬研究了坯料結(jié)構(gòu)對(duì)擠壓凸模承受載荷的影響，確定了工藝方案的可行性。盧立偉[7]等針對(duì)軸承端蓋零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了其擠壓成形工藝，并利用數(shù)值模擬得到擠壓溫度、擠壓速度、摩擦系數(shù)對(duì)軸承端蓋成形的影響規(guī)律，對(duì)比分析了不同加工條件下的應(yīng)力、應(yīng)變，以及擠壓力分布情況，最終確定出較優(yōu)的擠壓工藝參數(shù)。姜炳春[1]等設(shè)計(jì)出軸承端蓋的擠壓生產(chǎn)模具，并利用數(shù)值模擬軟件分析了軸承端蓋成形時(shí)的損傷分布，從而獲得到尺寸精度高、質(zhì)量好的軸承端蓋，解決了材料利用率低、產(chǎn)品質(zhì)量低等問(wèn)題。

1 成形工藝方案分析

由于軸端緊固方式、軸伸直徑、密封圈種類(lèi)等不同，國(guó)內(nèi)軸承端蓋不屬于標(biāo)準(zhǔn)件。軸承端蓋固定在軸承座或軸承室上，種類(lèi)繁多，如果固定在軸上會(huì)使密封直徑加大，密封困難。如圖1所示為某型號(hào)軸承端蓋二維圖[1，7]，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行工藝分析，為其他類(lèi)型端蓋提供參考。零件材料選用20號(hào)鋼，擠壓工藝采用溫?cái)D壓成形，坯料經(jīng)計(jì)算確定圓柱棒料，正擠壓一次成形。

圖1 軸承端蓋二維圖

2 模擬參數(shù)設(shè)定

為了降低模擬時(shí)間和提高模擬精確程度，將模擬過(guò)程中采用整體坯料的1/8進(jìn)行模擬。利用SolidWorks三維畫(huà)圖軟件對(duì)坯料、凸模和凹模進(jìn)行實(shí)體建模并進(jìn)行裝配，把裝配體格式保存為STL格式，通過(guò)DEFORM—3D有限元軟件對(duì)溫?cái)D壓成形過(guò)程進(jìn)行模擬。

為了對(duì)比不同工藝參數(shù)對(duì)擠壓過(guò)程的影響規(guī)律，獲得較優(yōu)的參數(shù)組合，具體參數(shù)作如下設(shè)置：坯料選用20號(hào)鋼 (AISI-1020)，設(shè)置為塑性，溫度設(shè)置為 600、650、700、750℃，劃分網(wǎng)格數(shù)共 40000個(gè)；凸、凹模采用 Cr12MoV（AISI-D2），設(shè)置為剛性，模具初始溫度為 150、200、250、300℃，模具硬度設(shè)置為 54、56、58、60HRC，凸模網(wǎng)格數(shù)共 27000個(gè)，凹模網(wǎng)格數(shù)共34000個(gè)。擠壓成形速度設(shè)置為10mm/s，潤(rùn)滑系數(shù)設(shè)置為0.2。

模具磨損在鍛壓技術(shù)中是不可避免的，如何減小磨損，提高模具壽命成為能否符合生產(chǎn)技術(shù)要求的關(guān)鍵性問(wèn)題。Archard模型是擠壓成形中最常用的磨損計(jì)算方法[8，9]，其修正表達(dá)式如下∶

式中，ω為磨損深度；K為與材料特性相關(guān)的常數(shù)，K=2×10-6；P為模具表面正壓力；v為滑動(dòng)速度；a、b、c為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對(duì)鋼而言，a、b 取 1，c取2；H為模具初始硬度（HRC）。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 坯料始鍛溫度對(duì)模具磨損的影響

在溫?cái)D壓成形過(guò)程中，坯料始鍛溫度的高低對(duì)鍛件擠壓成形的難易程度具有關(guān)鍵性影響。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，所需擠壓變形力較大，材料變形困難。同時(shí)模具磨損量增大，減少模具壽命。隨著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度降低，變形抗力減小，所需擠壓力較小，從而提高鍛件的可成形性。但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，易于發(fā)生表面氧化和鍛件過(guò)燒現(xiàn)象，使鍛件表面質(zhì)量下降、體積形變，難以獲得理想的鍛件[10]。為了研究坯料始鍛溫度對(duì)凸、凹模磨損量的影響規(guī)律，本次模擬試驗(yàn)時(shí)選擇模具硬度為60HRC，模具初始溫度為200℃，坯料始鍛溫度為600、650、700、750℃。為了更直觀的看出在不同坯料始鍛溫度下凸、凹模磨損量的變化關(guān)系，利用Excel將模擬數(shù)據(jù)繪制成折線(xiàn)圖，如圖2所示。從圖2a可以看出，隨著坯料始鍛溫度的增加，凸模磨損量直線(xiàn)下降。當(dāng)坯料始鍛溫度為750℃時(shí)，凸模的磨損量最小，為3.46×10-6mm，相比于600℃時(shí)減小14.1%。從圖2b中可以看出，隨著坯料始鍛溫度的增加，凹模磨損量逐漸減小。當(dāng)坯料始鍛溫度為750℃時(shí)，凹模的磨損量最小，為3.26×10-6mm，相對(duì)于600℃時(shí)減小15.1%。

3.2 模具硬度對(duì)模具磨損的影響

在溫?cái)D壓成形過(guò)程中，模具的軟硬程度是影響加工過(guò)程模具磨損量大小的最重要因素。一般而言，模具硬度越高，磨損量越小。但模具硬度越高所需加工工藝越復(fù)雜，而加工成本的增加不利于生產(chǎn)儉約化標(biāo)準(zhǔn)。所以選擇合適的模具硬度將非常重要。為了研究坯料始鍛溫度對(duì)凸凹模磨損量的影響規(guī)律，本次模擬試驗(yàn)時(shí)選擇模具初始溫度為200℃，坯料始鍛溫度700℃，模具硬度為54、56、58、60HRC。為了更直觀的看出在不同模具硬度下凸、凹模磨損量的變化關(guān)系，利用Excel將模擬數(shù)據(jù)繪制成折線(xiàn)圖，如圖3所示。從圖3（a）中可以看出凸模模具硬度越大，模具磨損量越小。當(dāng)模具硬度為60HRC時(shí)，凸模的磨損量最小，值為3.25×10-6mm，相比于54HRC時(shí)減小18.1%。從圖3b中可以看出凹模模具硬度越大，模具磨損量越小。當(dāng)模具硬度為60HRC時(shí)凹模的磨損量最小，值為3.04×10-6mm，相比于54HRC時(shí)減小18.9%。

3.3 模具初始溫度對(duì)模具磨損的影響

在溫?cái)D壓成形過(guò)程中，鍛件與模具之間溫差越大，促使模具溫升越快，越容易加快模具磨損，從而降低模具壽命，所以選擇合適的模具溫度對(duì)減小模具磨損具有重要意義。為了研究模具初始溫度對(duì)凸凹模磨損量的影響規(guī)律，本次模擬試驗(yàn)時(shí)選擇模具硬度為60HRC，坯料始鍛溫度為700℃，模具初始溫度為 150、200、250、300℃。為了更直觀的看出在不同模具初始溫度下凸、凹模磨損量的變化關(guān)系，利用Excel將模擬數(shù)據(jù)繪制成折線(xiàn)圖，如圖4所示。從圖4a中可以看出模具初始溫度的增加，模具磨損量?jī)H略微減小。從模具初始溫度為250℃開(kāi)始，凸模磨損量基本不變。從圖4b中可以看出，隨著模具初始溫度的增加，模具磨損量先增加后減小。從模具初始溫度為250℃開(kāi)始，凹模磨損量基本穩(wěn)定。分析認(rèn)為溫度越高所消耗能量越大，建議溫?cái)D壓成形工藝過(guò)程中模具初始溫度采用250℃附近時(shí)較優(yōu)。

圖2 不同坯料始鍛溫度下磨損量趨勢(shì)云圖

圖3 不同模具硬度下磨損量趨勢(shì)云圖

圖4 不同模具初始溫度下磨損量趨勢(shì)云圖

4 最優(yōu)化參數(shù)分析

通過(guò)上述模擬結(jié)果分析得出只改變某一變量條件下獲得較優(yōu)參數(shù)組合：坯料始鍛溫度為750℃，模具硬度為60HRC，模具初始溫度為250℃。利用最優(yōu)參數(shù)來(lái)驗(yàn)證溫?cái)D壓過(guò)程的模具磨損和成形載荷，模擬結(jié)果如圖5所示。

分析模擬結(jié)果：從圖5a中看出，磨損量呈環(huán)狀分布，從外向內(nèi)的磨損量先增大后減小。在接近凸模中部位置是磨損最嚴(yán)重部位，分析認(rèn)為凸模在進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，坯料受到凸凹模的擠壓只進(jìn)行徑向移動(dòng)，加大了變形抗力，增大模具與坯料的摩擦，中心位置由于沒(méi)有金屬移動(dòng)，座椅磨損量非常小。從圖5b中看出，磨損量呈環(huán)狀分布，從外向內(nèi)的磨損量先增大后減小。在凹模圓角（拐角）處是磨損最嚴(yán)重區(qū)域。分析認(rèn)為在該區(qū)域的金屬流動(dòng)不均，流動(dòng)性能差，所受力相對(duì)較大，易于加劇模具磨損，所以建議采用組合模具，增加模具的使用壽命。凸模磨損量為3.03×10-6mm，凹模磨損量為2.85×10-6mm，均降低6%～7%，提高了模具使用壽命。

圖5 模擬結(jié)果云圖

當(dāng)模具磨損深度達(dá)到0.06mm時(shí)，會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，模具將加劇磨損，此時(shí)模具需要進(jìn)行修補(bǔ)，不能繼續(xù)使用[11]。因此，按下式計(jì)算模具使用壽命∶

式中，N為模具磨損壽命;W為制件成形一次模具磨損深度。

依據(jù)上式計(jì)算可知，凸模使用次數(shù)為19802次，凹模使用次數(shù)為21053次。又因?yàn)槟＞哌M(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，在不考慮修模情況下計(jì)算結(jié)果為磨損壽命的90%[12]，估計(jì)此鍛件凸模使用次數(shù)為22002次，凹模使用次數(shù)為23392次。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)軸承端蓋的數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)，凸模磨損量最嚴(yán)重部位出現(xiàn)在中部位置，凹模磨損量較嚴(yán)重部位出現(xiàn)在凹模圓角（拐角）區(qū)域，在這些區(qū)域的金屬流動(dòng)不均，流動(dòng)性能差，所受力相對(duì)較大，加劇模具磨損。在只改變某一變量條件下獲得較優(yōu)參數(shù)組合：坯料始鍛溫度為750℃，模具初始硬度為60HRC，模具初始溫度為250℃。利用DEFORM-3D有限元軟件對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行二次模擬，分析結(jié)果可知凸、凹模磨損量最小。經(jīng)過(guò)模具壽命計(jì)算估計(jì)凸模使用次數(shù)為22002次，凹模使用次數(shù)為23392次。