基于Deform的轴承钢球冷镦工艺的优化设计

“塑性成形模拟技术”课程报告

- 1 - 基于DEFORM的长径比对热镦GCr15球坯质量影响的模拟研究

绪论

对于GCr15轴承钢的制造而言，直径在25mm以下时通常采用冷镦工艺，

当直径超过25~28mm时，由于变形抗力过大，模具损坏严重，通常采用热镦或

热轧工艺，以减小变形抗力，提高尺寸精度，保证机械性能。因此，本文中直径

为45mm的GCr15钢球制造采用热镦工艺。长径比，即圆棒料的长度和直径之

比（L/D），在轴承钢球热镦工艺设计中是一项重要的参数。长径比过大时，坯

料长而细，锻压时容易产生弯曲，造成局部应力过大，模具损坏严重，甚至有“闷

车”危险；长径比过小时，坯料粗而短，锻造完成后两极组织疏松，赤道组织致

密，造成整体致密度不均与，光球和研磨后圆度合格率不高。根据实际生产工艺

手册，对于热镦轴承钢球的制造，圆棒料段长径比一般取1.8~2.3，获得最好的

球坯质量。实际生产也别是热镦成型，如果把多个不同长径比的料段分别实验，

则耗资耗时。因此利用有限元模拟软件DEFORM-3D进行模拟仿真，结合实际

生产的钢球球坯，以及热镦Φ45mm GCr15 轴承钢球坯为例，综合了球坯成型情

况，温度场、应力场、最大主应力场分布、锻压力五个指标，探讨最佳的棒料段

长径比。

1. 模拟准备工作

本次模拟是对经验工艺手册的检测，验证根据经验制定的生产工艺是否真正

的是最合理的。此次模拟选用的例子是已经批量生产的一个零件———轴承滚

子，其是通过热模锻的方法加工成球坯，然后经过一系列工序完成成品的生产。

滚子直径为45mm，其球坯工艺图和三维图如图1、2所示，球坯选取的材料为

AI-SI-52100[1650~2200F(900-1200°C)](中国牌号GCr15），工艺为热锻工艺，模

具材料选用AI-H-13[1450~1850F（800-1000°C）]（中国牌号4Cr5MoSiV1），整

个热镦过程持续时间为1s。

“塑性成形模拟技术”课程报告

1 研究亮点为优化国产高铁使用的GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温淬火工艺，开展试验测试轴承钢的热物理参数以及过冷奥氏体等温转变曲线，基于试验测得的轴承钢材料参数，采用DEFORM-HT软件建立轴承套圈的热处理工艺全流程仿真模型。针对贝氏体等温淬火工艺中的加热温度、等温温度、等温时间和回火温度，采用正交试验法设计16种贝氏体等温淬火工艺仿真方案并进行仿真分析。基于仿真结果，以轴承套圈的贝氏体体积分数和硬度构建优化目标函数，结合蒙特卡洛法和复合形法对工艺参数进行线性回归分析及优化，在优化得出的工艺参数范围内开展3组验证性热处理试验。研究成果可为国内GCr18Mo轴承套圈的贝氏体等温热处理提供有效的工艺参考。

2 研究内容

1）仿真模型建立与准确性分析

基于DEFORM-HT软件，构建GCr18Mo套圈热处理全流程仿真模型，并通过金相组织、硬度以及残余奥氏体含量的仿真结果与测试结果对比分析，完成仿真模型准确性的校验。轴承外圈模型与有限元模型见图1。GCr18Mo钢的化学成分、不同温度下的热物理性能参数，以及GCr18Mo钢的相变温度及TTT曲线详见原文。基于所建立的热处理仿真模型，进行GCr18Mo轴承套圈的热处理仿真，仿真结果如图2所示。由图2可知，套圈热处理后组织主要为贝氏体以及少量的残余奥氏体，硬度分布比较均匀。将仿真结果与试验结果对比，见表1，误差均在1%以内，表明仿真模型具有准确性。

(a) 轴承外圈简化模型(单位：mm)；(b) 有限元模型图1 轴承外圈模型与有限元模型 (a)

贝氏体仿真结果；(b) 残余奥氏体仿真结果；(c) 硬度仿真结果图2 套圈的热处理仿真结果

表1 仿真与试验对比

2）热处理工艺参数仿真优化

针对高碳铬钢轴承贝氏体等温淬火工艺参数，依据国内某轴承厂提供的热处理工艺参数的控制范围，建立正交试验方案，并利用所构建的热处理仿真模型完成各方案的仿真分析。基于仿真分析结果，采用基于蒙特卡洛法和复合形优化方法开发的热处理参数优化设计软件Optimum Design，通过多元线性回归方法，优化热处理工艺参数范围。热处理关键参数及水平如表2所示。根据表2中的因素及水平划分，对照正交表L16(45)的排列组合，共组合成16种不同的热处理仿真方案，具体仿真方案的工艺参数如表3所示。对16种方案进行仿真计算，结果如表4所示。将回归方程、约束条件等初始条件输入优化设计软件Optimum

六角开槽螺母的冷镦工艺优化及数值模拟

张东民，盛育东，张金玉，刘子赢

（上海应用技术大学机械工程学院，上海200000）

来稿日期：2017-10-20基金项目：企业横向项目（J2015-272）作者简介：张东民，（1968-），男，江苏人，博士研究生，教授，主要研究方向：数字化制造技术；盛育东，（1991-），男，江苏人，硕士研究生，主要研究方向：制造过程数字仿真技术1引言

汽车工业在世界经济发展中有着至关重要的作用，而汽车紧固件是汽车上最重要的一环，直接影响车辆行驶的安全，六角开槽螺母就是汽车行业中常用的一类自锁螺母。六角开槽螺母的作用是与带孔螺栓和开口销配合使用，以防止螺栓和螺母相对转动，将车架和轮胎固定在一起。目前，绝大部分企业对该类六角螺母的加工都是采用热镦成型，然后通过机加工铣削成型螺母的凹槽，最后在攻丝机上攻螺纹，但是存在一系列问题，包括材料在加热过程中的氧化和脱碳，后续需要增加去氧化皮工序；材料利用率低；铣削凹槽容易切断材料纤维组织，降低零件的强度；零件表面质量和力学性能较差；生产效率低，不适合大批量生产等[1-2]。因此，企业要想在市场上具备竞争力就必须改进现有的生产工艺，保证产品质量的同时提高生产效率。冷挤压成型是一种少、无切削的先进加工工艺[3]，不仅生产效率高，产品质量也更能得到保证，已成为国内外关注的焦点，国内外的科研机构及企业陆续研制并开发了多种型号的多工位冷镦机来实现冷镦成型[4-5]，送料、切料、压角、冲孔各道工序一机完成，各工位同时成型。多工位冷镦成型是螺母、螺栓、螺钉等紧固件的主要成型技术[6]，节材、省时、机械性能好。为了缩短开发周期，节省现场试验成本，在初步确定工艺路线和完成相应的模具设计后，采用有限元技术Deform-3D对六角开槽螺母的成型工艺进行数值模拟仿真，分析比较最大应力应变、损伤值等信息，研究其变形规律，以验证成型方案的可行性，通过对比分析选择出最佳的成型工艺方案。摘要：传统的冷挤压工艺通常是根据经验反复的试模修模加以确定的，生产周期长，成本高。对六角开槽螺母进行了工

基于Deform的外轮成形工艺及结构优化

占亮;李霞

【摘 要】基于Deform软件对某厂生产的汽车外轮成形工艺进行模拟.针对成形过程中出现坯料充不满、锻件上产生折叠、下模冲头容易开裂等现象,分析了成形过程中的金属流动方向和锻造模具所受应力分布,通过减小应力集中、优化锻模倒角、改进锻造过程中金属流向及工艺参数,有效地避免了冲头开裂、锻件折叠和坯料充不满等问题.实践生产表明,对模具的改进和工艺的优化为产品量产提供了理论基础.

【期刊名称】《上海工程技术大学学报》

【年(卷),期】2014(028)003

【总页数】4页(P225-228)

【关键词】外轮;折叠;开裂;优化;充不满

【作 者】占亮;李霞

【作者单位】上海工程技术大学材料工程学院,上海201620;上海工程技术大学材料工程学院,上海201620

【正文语种】中 文

【中图分类】TG317

汽车外轮是与汽车轮毂轴装配使用的一种轴类锻件，产品类型众多，属于汽车安全部件，作用是承载较大的载荷和复杂的交变应力，因此外轮要求具有合理的金属流线、良好的组织性能和机械性能等，其坯件要求精密锻造成形，非机加工表面多[1].半封闭式成形技术的提出和发展[2]为复杂零件的精密成形提供了一种非常有意义的方法.采用精密成形的方法成形零部件，是当今成形行业缩短制造过程、提高工作效率的有效途径.在锻造中，精密成形可以得到尺寸和形状精确、内部和表面没有缺陷的产品[3].

为获得优质外轮锻件产品，本研究提出采用热模锻加工工艺，其成形工艺为：加热—镦粗—锻造—冲孔—切边.针对实际生产中，一道次模具锻造在试模后出现产品折叠、下模冲头开裂的现象.本研究采用Deform软件模拟成形工艺，找出冲头开裂、产品折叠的原因，并优化模具结构，改进锻造工艺.

1 模型建立

1.1 工件材料

外轮材料为S55C号钢，机械结构用钢，日本工业标准（JIS G 4051—1979）碳素结构钢钢号，其化学成分（质量分数）[4]如表1所示.