钢球球坯成型工艺参数的优化

4
4
3
d = π4λV 。
2 试验分析设计
2. 1 模具的优化 要优化模具 [3 ] ,首先需考虑两极的尺寸有无减
小的可能 ,两极的直径可采用角度 α(见图 1中的 α 角 ) 进行调整 , 通过选择不同的 a角以得到不同的 极直径 ; 同时兼顾模具对塑性变形 、冷镦力以及材 料的体积的影响 。通过分析 , 一般极直径不会超过
(江南大学 机械工程学院 , 江苏无锡 214122)
摘 要 :针对采用钢球冷镦工艺生产的钢球环带 、两极尺寸较大 ,材料利用率不高 ,增加了后续工
艺的磨削时间 ,造成很大浪费的状况 ,为降低钢球磨削余量 ,节约材料 ,提高生产效率 ,通过改进钢
球冷镦工艺 ,建立了饱满度 、圆度 、冷镦力 、体积等评价指标 ,设计正交试验方案 。经 D EFORM 仿真
4) 圆度 :为了在后续光磨中更有利于磨削 ,要 求钢球毛坯三向的尺寸相近 , 因此提出一个圆度 (δ) 的概念 。表示为 :δ = D环带 /H,或 δ = H /D环带 。其 中 ,δ≥ 1,而且越接近 1越好 。
4 建模及仿真分析
将棒料网格 [628 ] 划分为 50 000个 , 见图 2。上模 的运动速度为 53 mm / s,最小步长为 0. 03 mm ,设置 停止距离为环带厚度 K。根据不同的试验条件计算 棒料直径 ,然后建模分析 。
318
江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 8卷
1 球坯的理论计算
1. 1 计算球坯体积 钢球球坯如图 1所示的形状 ,可以将半球球坯
的体积 [ 2 ] 分成 3 部分 : 球台 (除去环带和两极部 分 ) 、环带和两极 。分别对 3部分进行计算 :
钢球 [ 1 ] 作为球轴承的关键部件 ,其生产质量直 接影响到轴承的质量 , 因此提高钢球质量尤为重 要 。冷镦作为钢球生产的关键步骤 , 其冷镦球坯的 好与坏直接影响到后续加工的质量 。国内外对钢球 的球坯参数研究主要以生产试验为主 ,通过生产不
断地总结得出比较合理的球坯参数 ,而对塑性理论 方面研究较少 。作者设计了正交试验 , 通过 D efo rm 软件进行仿真 , 得到较为合理的球坯参数 , 通过实 际工程的应用 , 证明可以提高钢球冷镦质量 , 并节 约了材料 。
因素
a / ( °)
λ
A /mm
1 (26) 1 (1. 8) 3 (0. 2)
2 (18) 1 (1. 8) 1 (0. 6)
3 (10) 1 (1. 8) 2 (0. 4)
1 (26) 2 (2. 0) 2 (0. 4)
2 (18) 2 (2. 0) 3 (0. 2)
3 (10) 2 (2. 0) 1 (0. 6)
第20089卷年第6月3期
Journa l
of
江 南 大 学 学 报 (自 J ian gnan Un iver sity(
然 科 学 版) Na tura l Sc ien ce
Ed it ion )
Vo l. 8 No. 3 Jun. 2009
钢球球坯成型工艺参数的优化
王 贤 , 傅蔡安 3
冷镦球坯直径的
1 2
,
(
1 2
d)
/D
=
tanα =
1 2
,
由公式
可计算出 :α = 26. 6°。如果超过这个角度 ,对后续的
光磨以及材料的利用率将产生很大影响 ; 同时角度
过大 ,冷镦球坯的圆度也会受到很大影响 , 因此 , 规
定 α的角度在 10°～ 26°范围以内 。球形球坯的压缩
比一般选定范围为 :λ = 1. 8 ～ 2. 2, 设计取值方案
A b stra c t: The cu rren t co ld up se tting p roce ss fo r the p roduc tion of stee l ba ll, ow ing to its la rge size of annu lu s zone and two po le s, and its low m a te ria l u tiliza tion fo r the p roduc ts ra te, no t on ly inc rea se s the grind ing tim e of fo llow2up p roce ss, bu t a lso cau se s grea t wa ste. In o rde r to lowe r the ba lls’ grind ing m a rgin, save m a te ria ls and inc rea se p roduc tivity, the p ap e r in troduce s the eva lua tion indexs such a s p lump ne ss, roundne ss, co ld up se tting fo rce and vo lum e and de signed o rthogona l te st p rogram s by imp roving the p roce ss techno logy. A fte r p rim a ry se lec tion and sc reen ing, the p ap e r even tua lly com e s up w ith rea sonab le p roce ss p a ram e te rs by the sim u la tion and ana lysis of D EFORM. The exp e rim en ta l re su lts show tha t the stre ss of the ba ll b ille t can be reduced by 20 p e rcen t and the m a te ria l u tiliza tion can be inc rea sed by six p e rcen t. The refo re, the imp roved techno logy w ill ha s la rge app lica tion va lue in p roduc tion. Key word s: co ld up se tting, sim u la tion, o rthogona l te st, stee l ba ll, op tim iza tion
3 评价标准建立
通过研究球坯对后续工艺以及生产实践的影 响 ,文中提出以下的评价体系 [ 5 ] :
1) 饱满度 :冷镦球坯应该有明显的两极 ,主要 评价材料是否充满模具 ;
2) 体积 :减小体积 ,节省材料 ; 减小环带体积 , 减少后续光磨时间 ;
3) 冷镦力 :通过改变两极大小 、压缩比以及体 积的方法来减小冷镦力 ,从而提高模具寿命 ;
见表 1, M 的取值见表 2。
表 1 λ与 α的取值
Tab. 1 Va lues table ofλ andα
α/ ( °)
λ
26
1. 8
18
2. 0
10
2. 2
根据式 (8) 可以得出 M 的值 (见表 2) 。
第 3期
王 贤 :钢球球坯成型工艺参数的优化
319
表 2 M 的取值 Tab. 2 M va lue tab le
表 3 试验因素水平 Tab. 3 Test2leve l fa ctor s
水平
a / ( °)
因素
λ
A /mm
K /mm
1
26
1. 8
0. 6
0. 8
2
18
2.Baidu Nhomakorabea0
0. 4
0. 5
3
10
2. 2
0. 2
0. 3
试验号
1 2 3 4 5 6 7 8 9
表 4 试验条件 Tab. 4 Te st cond ition s
∫ ∫ Rcosα
R co sα
V球台 =
dV =
π ( R2 - x2 ) dx =
0
0
πR3 ( co sα - co s3α)
(1)
3
2V球台
= π4 DW3 ( co sα -
co s3α) 3
(2)
式中 : DW 为球坯直径 。 1. 1. 2 环带的体积 V环带 分析图 1中建立的 XO Y
通过 D efo rm软件仿真分析得出图 3中的结果 , 球坯外形见图 3所示 。
坐标 ,将环带近似视为由圆弧线 f2 ( x) 和 f1 ( x) 绕 X 轴旋转 1周后所形成的体积差 ,即
f1 ( x) = R2 - x2 ,
f2 ( x) =
体积元素为
( R + A ) 2 - x2 。
dV = [ f2 2 ( x) - f1 2 ( x) ]πdx
(3)
∫ ∫ K/2
K/2
图 1 钢球球坯体积计算图 F ig. 1 Ca lcula tion of ba ll b illet vo lum e
1. 1. 1 球台的体积 V球台 建立 XO Y坐标系 (如图 1) , 球台的体积可视为其母线绕 Y轴转 1圈 ,其母线 方程为
y = R2 - x2
体积元素为
dV =πy2 dx =π ( R2 - x2 ) dx,
分析 ,由初选 、筛选最终得出合理的球坯工艺参数 。试验结果表明 :球坯比原球坯的应力减小 20% ,
节约材料 6% ,改进后的工艺具有较好的经济价值 。
关键词 : 冷镦 ;仿真 ;正交试验 ;钢球 ;优化
中图分类号 : TH 133. 3
文献标识码 : A
文章编号 : 1671 - 7147 (2009) 03 - 0317 - 06
收稿日期 : 2009 - 03 - 09; 修订日期 : 2009 - 04 - 08。 作者简介 :王 贤 (1983 - ) ,男 ,山西晋中人 ,机械制造及自动化专业硕士研究生 。 3 通讯作者 :傅蔡安 (1954 - ) ,男 ,浙江绍兴人 ,副教授 ,硕士生导师 。主要从事先进制造工艺等研究 。 Em ail: an longge@ yahoo. com. cn
α/ ( °)
M
26
0. 546 4
18
0. 529 1
10
0. 524 1
2. 2 球坯体积计算 影响球坯外形的因素有 α,λ, A, K等 ,因此设计
试验 [4 ] 因素有 4个 ,其中水平 3个 。由于 A, K均以目 前工艺的指标为参考 , 分别取最大为 0. 8 mm 和 0. 6 mm。表 3 为试验的因素水平表 。试验条件见表 4,试验具体参数见表 5。
令
M = π ( co sα - co s3α) +
4
3
1πsin2α( 1 - co sα)
(8)
2
则
V = M DW3 +πKA (A + DW )
(9)
1. 2 材料直径的计算
设棒料直径为 d, 切料长度为 l, 则压缩比 λ =
l 。依据变形前后棒料体积不变的原理 ,可得
d
1πd2 l = 1πλd3 = V,
1 (26) 3 (2. 2) 1 (0. 6)
2 (18) 3 (2. 2) 2 (0. 4)
3 (10) 3 (2. 2) 3 (0. 2)
K /mm 2 (0. 5) 1 (0. 8) 3 (0. 3) 1 (0. 8) 3 (0. 3) 2 (0. 5) 3 (0. 3) 2 (0. 5) 1 (0. 8)
O p t im iza t ion of M o ld in g Proce ss Pa ram e ter s of Stee l Ba ll B ille t
WAN G X ian, FU Ca i2an3
( Schoo l of M echanical Engineering, J iangnan U n iversity, W uxi 214122, China )
V柱体 =πR2 h =πR2 sin2αR ( 1 - co sα) =
14πDW3 sin2α( 1 - co sα)
(6)
V = 2 V球台 + V环带 + 2 V柱体 =
π
[
(
co sα
-
4
co s3α) 3
+ 1πsin2α( 1 2
co sα) ]DW3
+
πKA (A + DW )
(7)
V环带 /2 = 0
dV = 0
[ f2 2 ( x) - f1 2 ( x) ]πdx =
1πKA (A + 2R ) 2
=
1πKA (A 2
+ DW )
(4)
V环带 =πKA (A + DW )
(5)
式中 : A 为环带的高度 ; K为环带厚度 。
1. 1. 3 两极体积 V柱体 两极体积 V柱体 的计算过程 如下 :