張 京，吳淑芳

（長春理工大學(xué)，吉林長春 130022）

軸承端蓋是各類機(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，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軟件對鋁合金軸承端蓋低壓鑄造的過程進(jìn)行模擬分析，并對鑄件進(jìn)行缺陷預(yù)測。蔣曉英[6]等通過數(shù)值模擬研究了坯料結(jié)構(gòu)對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]等針對軸承端蓋零件的結(jié)構(gòu)特點，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)對軸承端蓋成形的影響規(guī)律，對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、密封圈種類等不同，國內(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，種類繁多，如果固定在軸上會使密封直徑加大，密封困難。如圖1所示為某型號軸承端蓋二維圖[1，7]，通過對其進(jìn)行工藝分析，為其他類型端蓋提供參考。零件材料選用20號鋼，擠壓工藝采用溫擠壓成形，坯料經(jīng)計算確定圓柱棒料，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

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

為了對比不同工藝參數(shù)對擠壓過程的影響規(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；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，凹模網(wǎng)格數(shù)共34000個。擠壓成形速度設(shè)置為10mm/s，潤滑系數(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)鍵性問題。Archard模型是擠壓成形中最常用的磨損計算方法[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為滑動速度；a、b、c為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)，對鋼而言，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 坯料始鍛溫度對模具磨損的影響

在溫擠壓成形過程中，坯料始鍛溫度的高低對鍛件擠壓成形的難易程度具有關(guān)鍵性影響。當(dāng)溫度過低時，所需擠壓變形力較大，材料變形困難。同時模具磨損量增大，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)溫度過高時，易于發(fā)生表面氧化和鍛件過燒現(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凸、凹模磨損量的影響規(guī)律，本次模擬試驗時選擇模具硬度為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，凸模磨損量直線下降。當(dāng)坯料始鍛溫度為750℃時，凸模的磨損量最小，為3.46×10-6mm，相比于600℃時減小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，凹模的磨損量最小，為3.26×10-6mm，相對于600℃時減小15.1%。

3.2 模具硬度對模具磨損的影響

在溫擠壓成形過程中，模具的軟硬程度是影響加工過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凸凹模磨損量的影響規(guī)律，本次模擬試驗時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，凸模的磨損量最小，值為3.25×10-6mm，相比于54HRC時減小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時凹模的磨損量最小，值為3.04×10-6mm，相比于54HRC時減小18.9%。

3.3 模具初始溫度對模具磨損的影響

在溫擠壓成形過程中，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減小模具磨損具有重要意義。為了研究模具初始溫度對凸凹模磨損量的影響規(guī)律，本次模擬試驗時選擇模具硬度為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，模具磨損量僅略微減小。從模具初始溫度為250℃開始，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，建議溫擠壓成形工藝過程中模具初始溫度采用250℃附近時較優(yōu)。

圖2 不同坯料始鍛溫度下磨損量趨勢云圖

圖3 不同模具硬度下磨損量趨勢云圖

圖4 不同模具初始溫度下磨損量趨勢云圖

4 最優(yōu)化參數(shù)分析

通過上述模擬結(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)來驗證溫擠壓過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)行軸向運動時，坯料受到凸凹模的擠壓只進(jìn)行徑向移動，加大了變形抗力，增大模具與坯料的摩擦，中心位置由于沒有金屬移動，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)域的金屬流動不均，流動性能差，所受力相對較大，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，會出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，模具將加劇磨損，此時模具需要進(jìn)行修補，不能繼續(xù)使用[11]。因此，按下式計算模具使用壽命∶

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。又因為模具進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，在不考慮修模情況下計算結(jié)果為磨損壽命的90%[12]，估計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

通過對軸承端蓋的數(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)域的金屬流動不均，流動性能差，所受力相對較大，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)過模具壽命計算估計凸模使用次數(shù)為22002次，凹模使用次數(shù)為23392次。