热镦粗

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。

图1 球坯镦后平面图

图 2 球坯镦后三维图

根据绪论中描述的实验方案，我们确定不同的料径比的坯料进行模拟，但是要保证所有坯料的体积基本上与已经实际生产的坯料体积相同，这样对比起来才能够更严谨，具体尺寸如下表1：

表1 不同料径对应的长径比/（mm）

D 30 31 32 33 34 35

L 77.67 72.74 68.26 64.19 60.47 57.06

L/D 2.59 2.35 2.13 1.95 1.78 1.63

因为整个模具和坯料都是对称的，因此我们只选取1/4的坯料和模具进行模拟，全部坯料初始模拟状态如下图3。

D30 D31 D32

D33 D34 D35

图3 不同长径比对应球坯的初始模拟状态

2. 球坯质量分析与讨论

2.1充型情况

图4所示为模拟后不同料径比的充型情况，通过测量1/4球坯两垂直平面的交线长度，并与预设球坯直径46.9mm比较，凡小于直径者为未充满，大于则充满，发现D35两极未完全充满，D30、D31、D32、D33和D34充满。初始体积相同情况下，热镦时产生的热量越多，同时损失的热量越少则体积膨胀大，越易充满，工件与模具内壁的摩擦力也会阻碍金属流动，镦压力越大则摩擦力越大，

D30 D31 D32

D33 D34 D35

图4 不同长径比对应球坯的充型情况

金属流动阻力越大，充满越困难。实际生产中，未充满的球坯被认为是废品，因此在以下的讨论中舍弃D35，只讨论D30、D31、D32、D33和D34的情况。经测量30D L ∆=（51.095-46.9）mm=4.195mm ，31D L ∆=（47.730-46.9）mm=0.830mm ，

32D L ∆=（47.396-46.9）mm=0.96mm ，33D L ∆=（49.014-46.9）mm=2.114mm ，34

D L ∆=

（48.743-46.9）mm=1.832mm ，可知D31和D32都可能造成两极的组织疏松，而赤道组织致密，造成整体的组织分布不均匀，因而也舍弃。只有D30、D33、D34满足。D33已经经过实际生产的验证，D34的L ∆与D33的很相近，D30两极材料流出太多，浪费材料。

2.2温度场

图 5 D30、D33、D34对应球坯温度场分布

因为第一步已经舍弃了一些试样，因而我们只需讨论剩下的三组试样的对比。图5所示为D30、D33、D34棒料对应镦后球坯截面的温度场分布。球坯的温度分布影响其内部的组织分布、热应力分布等，对于一个完整的球坯而言，温差越小则组织分布越均匀、热应力也越小，对于钢球的后续加工也越有利，越容易达到标准要求。利用球坯上最大和最小温差作为衡量温度均匀的标准，30

D T ∆（906-762）℃=144℃，33D T ∆=（909-762）℃=147℃，34D T ∆=（911-763）℃=148℃，

显然D30对应的球坯温差较小，比较理想，但是图示三个球坯的温差相差不是很大，因而造成的差别也应该不是很明显。

2.3等效应力场

图 6 D30、D33、D34对应球坯的等效应力场分布

图6所示为球坯的等效应力分布情况，等效应力反映的是三个主应力方向上的差值，体现了塑性变形程度的大小。现考察塑性变形的均匀程度，即m i n m a x σσσ-=∆，

经计算，30

D σ∆=（929-505）MPa=424MPa ，33D σ∆=（414-178）

MPa=236MPa ，34D σ∆=（469-183）MPa=286MPa ，三者中D30镦后球坯等效应力均匀度最差。

2.4最大主应力场

图 7 D30、D33、D34对应球坯的最大主应力场分布

图7所示为球坯的最大主应力场分布，它可以反映球坯上任何一点的拉伸或压缩应力，对于GCr15轴承钢，表面的拉应力或压应力将影响其接触疲劳寿命，拉应力越小，压应力越大越有利于钢球提高抗压强度，延长寿命。而在心部，拉应力大的地方往往是裂纹源，可能导致钢球过早开裂失效。表2所示为三个球坯的最大拉应力和最大压应力。

表2 球坯的最大拉应力和最大压应力比较/(MPa)

D30

D33 D34 σmax 拉

567 455 374 σ

max 压

1940

1280

1480

可以看出，D30对应的球坯局部拉应力过大达567.0MPa ，质量最差。