轴承套圈锻造数值模拟_余挺
工艺与装备
轴承套圈锻造数值模拟
余 挺1,王俊发1,顾力强2
(1.上海通用轴承有限公司,上海 200240;2.上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200030)
摘要:运用MSC-Marc软件对轴承套圈锻造加工进行了数值模拟分析,以金属成形理论和有限元方法基本原理为基础,建立了热力偶合刚粘塑性锻造模型。以第二代轮毂轴承外圈锻造为例进行模拟分析,对预成形模型的实验和模拟结果作了对比,提出产生过大锻造力的一个原因是最终成形阶段工件在模腔内分布不均使变形速率急剧增加,提出了预成形坯的设计优化准则,依此设计的第二代轮毂轴承外圈的优化预成形结构、锻造力比传统设计下降了一半以上。
关键词:轮毂轴承;套圈;锻造;数值模拟;有限元分析
中图分类号:TH133.33;TG315.2 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2005)07-0010-04 Numerical Simulation for Forging Process of Bearing Rings
YU Ting1,W ANG Jun-fa1,GU Li-qiang2
(1.Shanghai General Bearing Compan y Ltd.,Shanghai200240,China;2.School of Mechanical and Dynamical Engineering,
Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200030,China)
A bstract:Using MSC-Marc soft ware,the nu merical si mulation alaysis of forging process of bearing rings is presented.On
the base of principles of metal forming theory and FE M,the rigid-viscoplastic model of forging with thermal mechanics cou-ple is setup.Taking outer ring forging of the second-age hub bearin g as an example,the simulation analysis is made.The comparing analysis on test and simulation results for pre-forming is made,the cause to produce extra forging force is sharp increase of deformation rate which is created by uneven material distribution in model cavity at final forming stage.And the optimizing criterion of pre-formed work-piece is put forward,based on which,an optimized pre-formed work-piece is designed with a punch force no more than half of the traditional design.
Key words:hub bearin g;outer rin g;forgin g;numerical s imulation;FEA
数值模拟方法能够在计算机中虚拟实现轴承
锻造的过程,揭示工件和模具的应力、应变和温度
分布等的变化规律,使设计人员在模具未制造出
来之前就能对工艺状态进行把握。数据模拟方法
发展了以经验和直觉为依据进行实物试错的落后
传统的轴承锻造工艺设计方法,使锻件的模具开
发时间大为缩短,进一步扩大了传统锻造工艺设
计的内涵。
1 套圈锻造的热力偶合刚粘塑性模
型
套圈锻造加工是一种金属材料在高温状态
收稿日期:2005-01-
06;修回日期:2005-04-06下,通过模具的限定作用挤压变形成为所需形状的过程。这个过程可用刚粘塑性有限元法进行分析。塑性变形的边值问题可以描述如下[1-2]:设一刚塑性体体积为V,表面积为S,在表面力p i 作用下整个变形体处于塑性状态,表面积S分为S p和S u两部分,S p上给定表面力p i,S u上给定速度u i。
有限元方法求解借助于拉格朗日乘子法的不完全广义变分原理[3]:对一切满足几何方程和位移速度边界条件的容许速度场,其精确解使下式取驻值。
∏=∫Vσ﹒εd V+∫Vλ﹒εv d V-∫Sp p i u i d S(1)
(2)
ISSN1000-3762 CN41-1148/TH
轴承
Bearin g
2005年第7期
2005,No.7
10-13
·
ε=2
3(﹒εij ﹒εi j
)(3)﹒εv =﹒εkk
(4)
式中: σ为等效应力;·
ε为等效应变率;λ为拉格朗日乘子。
对刚粘塑性材料模型 σ=( ε,
ε,T )以上泛函及其变分形式不变。该模型表述为
[4]
σ=σ0exp (a 1T +a 2)(﹒ε10)a 3T +a 4[a 6(ε0.4
)a 5
-(a 6-1)ε
0.4
](5)
T =
t +2731000
式中:σ0为其准真实应力,即t =1000℃、ε=0.4和﹒ε=10s -1
时的变形阻力(MPa );t 为变形温度(℃);σ0、a 1～a 6为回归系数。
对于GCr15轴承钢σ0=153.4,a 1=-3.685,a 2=4.691,a 3=0.4489,a 4=-0.4121,a 5=0.3888,a 6=1.589。
为实现体积不可压缩条件﹒εv =0,在Marc 中应选择采用引入拉格郎日乘子的Herr mann
[5]
单元
作为锻造成形的单元。轴承锻造属接触分析应使用低阶单元,而轴对称问题常采用的是四节点等参元,从而有较高的单元自由度[1]
。Marc 采用准静状态(Quasi -static )进行热力偶合分析。
2 第二代轮毂轴承外圈的锻造模拟分析
运用MSC -Marc 热力偶合刚粘塑性模型对第二代轮毂轴承的外圈锻造进行了模拟。第二代轮毂轴承的外圈形状较普通的直接锻造成形的轴承锻件要复杂并且带有反挤压结构,重量也较大,见图1。坯料2.606kg 、 65mm ×100mm ,被加热到1100℃,先在前一工位锻造成预成形坯,然后放入凹模,由凸模冲压锻造成所需形状。
对第二代轮毂轴承外圈的锻造,原采用传统方法进行了多次锻造模具预成形坯试验,模具开发时间很长。现用数值模拟对其中一个预成形坯模型A 情况进行分析。
图2、图3为预成形坯模型A 和模拟成形结果。图4是凸模的锻造力与工件承受冲压时间的
关系(力:N
;时间:s ;曲线上数字为模拟时间步编号
)。图中显示出锻造力和时间的关系经历两个
图1
第二代轮毂轴承外圈锻件
图2 预成形坯A
图3 预成形坯A 成形结果
图4 预成形坯A 锻造力与时间的关系
阶段:一个是锻造力增加幅度小的平稳阶段,经历短暂过渡后,在最后阶段,锻造力在极短的时间内迅速增加,结束时的锻造力可达平稳阶段的数倍,
·
11·余 挺等:轴承套圈锻造数值模拟
甚至超过机床的额定吨位。
从后处理分析知道,最终阶段前最大等效应变速率为14.46s -1
,最后的上升段平均应变速率
为80.44s -1
,有较大区域是高应变速率区域。图5是整个成形过程中应变速率和时间步的关系
。
图5 最大应变速率与时间步的关系
3 预成形坯的优化方法
3.1 实例模型的对比
对第二代轮毂轴承外圈锻造预成形坯试验成功的模型B 与模型A 的模拟结果进行比较。模型B 坯料的最大锻造力要比模型A 小,后者为5373t ,前者为4134t 。
现分析成形锻造力差异的原因。图6和图7是成形时凸模与工件接触情况。模型A 坯
料成
图6 坯料A
的凸模接触工件情况
图7 坯料B 的凸模接触工件情况
形变化中过早地、以与凸模相对运动方向基本垂直的方式与凸模在C 点处第二次接触。这时,相
对运动速度直接对变形速率的增加产生效果,变
形的抗力大,并且产生较大的材料分配力使材料向目标形状散布。尤其是在最后阶段,材料无接触情况下的自由变形的空间狭小,要在短时间内散布到模具约束的产品形状只能依靠速度的提高来实现。这样就会大大提高变形速率也就是变形抗力大幅提高。
模型B 坯料成形时,工件以斜向与凸模在D 点接触,避免正面垂直碰撞,而且工件的形状分布相对较开,需要的分配力小。另外由于具有反挤压结构,锻件所需的锻压力明显地将比一般锻件的锻压力大,坯料让材料较自如地进入反挤压结构,也明显优于模型A 坯料。因此,模型B 坯料的总体工件变形抗力就小些。
3.2 预成形优化准则
由以上应力分析和两个坯料的成形力对比可以得到预成形优化准则,即:预成形坯应能使成形过程最后阶段工件材料在模腔内的分布均匀,并且能使材料突起部分同时接触模具。
图8说明了材料在模腔内均匀性与应变速率
的关系。图中显示当工件突起不均匀接触模具时,材料填补空间不均匀,有些空隙较大,
短时间
图8 工件不同触模情况导致不同的应变速率
·
12·《轴承》2005.№.7
内需要更多的材料去填补,导致应变速率较大。当工件接触模具时在模腔内分布较均匀,则应变速率较小。
预成形优化准则只有在工件成形变化过程是“可见的”情况下才能实现。计算机模拟则为创造这种条件提供了强有力的工具。轴承锻造工艺设计的其他方面也将从中得到启发,使计算机模拟方法得到应用,大大提高设计质量和经济效益。3.3 预成形优化的例子
按以上预成形优化准则对预成形坯进行了优化改进。图9～11是优化改进后模拟的基本情况,模拟的凸模最大成形力仅为1998t ,分别是模型A 和模型B 的37.2%和48.33%,改善非常明显
。
图9
优化改进坯料模型
图10
改进坯料凸模接触工件情况
图11 优化改进坯料模型锻造力与时间的关系
具体的改进是:首先,像模型B 坯料那样让材料分开,从而使材料均匀分布;其次,使工件在变形中如图10所示同时实现在A 、B 两处第二次
接触凸模,使材料分布更均匀;第三,图10在C 处除去模型B 坯料的突起,避免该处过早接触模具使材料不均匀,在模具中硬挤产生过大的力。
4 结束语
(1)采用Marc 软件可对轴承锻造进行数值模拟。针对轴承锻造的特点,建立的轴承锻造热力
偶合条件下刚塑性模型,能够满足模拟分析的要求。
(2)对第二代轮毂轴承外圈的模拟实例研究能够反映实际的试验情况。(3)提出的预成形坯优化设计准则考虑了成形过程的工件材料分布变化规律。相对于传统的以预成形坯的最初形态按经验推断最终成形特性的设计方法,是一个进步。
参考文献:
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通大学出版社,1999.
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工业出版社,1989.
[5] MSC .Soft ware Corporation .MSC .Marc Volume A [Z ].
2001.
(编辑:杜迎辉)
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13·余 挺等:轴承套圈锻造数值模拟