小型推力关节轴承外圈反挤压锻造的受力分析

汤亚军

摘 要：本文基于ABAQUS-3D模型下的有限元仿真建模，分析和比较小型推力关节轴承仿行和普通结构的锻坯在反挤压锻造过程中的变形抗力，得出两者的变形抗力比值关系；通过仿真计算结果与理论校核，确定仿形反挤压锻坯在反挤压过程中的变形抗力值是否符合锻压冲床安全生产的受力要求，并以此指导锻加工工艺设计。

关键词：推力关节轴承；仿形结构；反挤压；仿真

中图分类号：TH133 文献标志码：A

0 引言

小型推力关节轴承的外圈的内孔小（小于35mm），壁厚大，锻件加工通常采用反挤压切底成型工艺。小型号产品的生产需求批量较大，采用仿形反挤压锻造成型可以较大程度地减少锻件重量，并提高机加工效率，降低材料成本和加工成本。仿形锻造即是参照成品结构特点，将原材料加热后通过压力机等设备锻造加工成接近成品结构的锻件。外圈的仿形反挤压加工面为内孔面，内圈为外圆面，主要区别为外圈结构由上模成型，内圈结构则由下模成型。受材料、封模深度、设备压力、模具强度、模具润滑等多方面因素的影响，外圈成型难度一般大于内圈，尤其体现在变形抗力上。仿形反挤压锻造的变形抗力大于普通型锻造的变形抗力，因设备本身的吨位和超载极限均可知，故需研究分析两种成型方式的变形抗力关系，量化比较结果。

在轴承套圈锻压的仿形反挤压工序中，一般上模为施力模，下模为成型模，成型结构则由下模型腔决定。因推力关节轴承外圈的内孔为锥形结构，成型过程中，上模须同时具备施力和成型的能力，为保证冲床载荷能够承受反挤压变形抗力并安全生产，通过有限元仿真和理论校核计算，研究分析小型号推力关节轴承反挤压锻造的受力情况，对于指导工艺设计和生产作业具有十分重要的意义。

1 小型推力关节轴承锻造工艺

本文以GX系列A型号轴承为研究对象，材料GCr15，锻造工艺流程如图1所示。

该型号轴承尺寸小，仿形反挤压为主成型工序，与普通结构锻件相比，结构上存在较大差异，如图2所示。仿形反挤压的锻压成型中，上模选用40°锥度的冲头，滑块下行后，冲头挤入锻坯的内孔中，保留5mm料芯，切底后形成10mm的直段夹位，制得锻件。因上模为成型模，故仿形反挤压的变形抗力大于普通型。

2 有限元仿真计算

2.1 普通型反挤压变形抗力计算

确定仿真参数和条件，分别计算普通型和仿形的反挤压变形抗力，得出两者的比值关系。查阅资料相关技术资料，得出热变形状态下的计算参数，见表1。

结合图2中普通型反挤压的制坯尺寸，基于ABAQUS-3D模型下的有限元仿真，得出锻件内部单元应力分布和反挤压上模承载的变形抗力，具体结果如图3所示。

仿真结果显示，左图中最小应力为13.9MPa，最大应力为194MPa。右图中最大承载变形抗力为672000N，即67.2t。

2.2 仿形反挤压变形抗力计算

结合图2中仿形反挤压的制坯尺寸，基于ABAQUS-3D模型下的有限元仿真，得出锻件内部单元应力分布和反挤压上模承载的变形抗力，结果如图4所示。

仿真结果显示，左图中最小应力为44.4MPa，最大应力为194MPa。右图中最大承载变形抗力为1080000N，即108t。

2.3 仿真结果比较

图4和图5结果显示，通过仿真计算得出，普通型和仿形反挤压变形抗力分别为672000N和1080000N，即仿形反挤压变形抗力是普通型的1.6倍。200kW中频感应加热锻造生产线的J21-160型挤压冲床是否满足仿形反挤压变形抗力要求，需校核仿真计算数值。

3 仿形反挤压变形抗力校核

3.1 校核计算

通过表1和普通型反挤压制坯尺寸，计算普通型反挤压变形抗力，由仿形与普通型变形抗力的比值关系，得出仿形变形抗力值。普通型反挤压制坯尺寸如图5所示。

反挤压变形抗力公式为：

（1）

其中，K为变形速度影响系数，σs为屈服强度，μ为摩擦系数，D为反挤压外径，d为反挤压上模直径，H为反挤压坯料高度，h为反挤压预留料芯厚度，S为上模接触面积。

将表1参数和图5尺寸，代入式（1）中，得：

P1=2.05×3.45×8×1.5×3.14×32.82/4=71650kg=71.65t

由2.3得知，仿形反挤压的变形抗力为普通型的1.6倍，故仿形反挤压的变形抗力为114.64t。与仿真计算值108t比较，误差为6%，结果比较准确。

3.2 冲头保险盖强度极限计算

冲床实际使用中的受力极限是通过安装在冲床上的保险盖限制的，保险盖实体外形如图6所示。保险盖破裂冲床则停止工作，计算冲床保险盖的承载极限，并比较反挤压制坯时的极限变形抗力，以此判断冲床在反挤压制坯时，抵抗变形抗力的能力，判断该型号反挤压工艺实施的可行性。保险盖结构尺寸如图7所示。

保险盖材料为45钢，剪切强度为355MPa，即35.5kg/mm2，其破裂失效是在冲床剪切力作用下发生的，其剪切力计算公式如下：

P3=σc×πd×h （2）

其中，σc为剪切强度，d为接触外径，h为剪切高度。将图7尺寸代入公式（2）中得：

P2=35.5×3.14×165×（35-28.1）=126908kg

保险盖剪切力为126908kg，即126.908t，而A型号仿形反挤压变形抗力为108t，故此型号的仿形反挤压受力在J21-160型沖床的安全使用范围内。

4 结果及其分析

（1）通过仿真计算，仿形反挤压变形抗力为普通型的1.6倍。

（2）通过校核，仿真参数选取和计算结果准确，GX系列A型号仿形反挤压变形抗力为108t。

（3）冲床的保险盖承载剪切力大于仿形反挤压变形抗力，200kW中频感应加热锻造生产线的J21-160型冲床可以满足A型号的变形抗力要求

结语

一般内孔直径小于35mm小型号推力关节轴承，无法利用辗环成型的方式得到锻件，通常是采用反挤压成型后切除料芯的方式成型。而反挤压的变形抗力比辗环成型大，且倒角、壁厚差，截面轮廓的精度均较差，因此对相比辗环成型，反挤压对设备压力的要求高，其中仿形反挤压要求最高，必须通过合理的参数选择和准确的计算，给予工艺设计和安全生产以参考。本文关于反挤压受力的计算和分析方法同样适用于其他系列轴承的反挤压锻造成型的研究和分析。

参考文献

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