汽車輪轂軸承鍛造工藝有限元模擬

江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司 （揚(yáng)州 225127） 詹俊勇

輪轂軸承單元球軸承是在標(biāo)準(zhǔn)角接觸球軸承和圓錐滾子軸承基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其將兩套軸承作為一體（見圖1），具有組裝性能好、可省略游隙調(diào)整、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、載荷容量大，為密封軸承可事先裝入潤滑脂、省略外部輪轂密封及免于維修等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于轎車中，在載貨汽車中也有逐步擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢。

圖1 汽車輪轂軸承結(jié)構(gòu)

汽車輪轂軸承內(nèi)外圈是使用熱模鍛壓力機(jī)鍛造成形，其坯件非機(jī)加工表面較多，要求精密鍛造成形。將有限元分析方法運(yùn)用到輪轂軸承單元精密鍛造中，能很好提前發(fā)現(xiàn)實(shí)際鍛造過程中可能出現(xiàn)的缺陷和解決實(shí)際生產(chǎn)中的難題。利用有限元軟件能夠分析金屬成形過程中多個(gè)關(guān)聯(lián)對象耦合作用下大變形和熱特性，能夠在考慮變形熱效應(yīng)及工件與模具和周圍介質(zhì)熱交換的情況下，確定變形的應(yīng)力應(yīng)變和溫度分布，從而給輪轂軸承鍛造工藝優(yōu)化和模具設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，對實(shí)際生產(chǎn)提供了理論支持。

1.輪轂軸承內(nèi)外圈鍛件及工藝流程

汽車輪轂軸承（內(nèi)外圈）模型如圖2所示，采用25MN熱模鍛壓力機(jī)，搭配步進(jìn)式機(jī)械手、自動(dòng)噴霧裝置、自動(dòng)上下料裝置、中頻感應(yīng)加熱爐等輔機(jī)完成輪轂軸承鍛造成形。其中內(nèi)圈采用4工位鍛造，外圈采用4工位鍛造，其鍛造工藝流程如圖3所示。

圖2 輪轂軸承內(nèi)外圈鍛件三維模型

圖3 輪轂軸承內(nèi)/外圈成形工藝流程

2.有限元模擬參數(shù)

根據(jù)上述工藝，分別取輪轂軸承內(nèi)外圈實(shí)體1/5和1/4進(jìn)行熱—力耦合模擬，模擬參數(shù)如附表所示。

有限元模擬參數(shù)

3.模擬結(jié)果及分析

輪轂軸承內(nèi)圈模擬結(jié)果及分析（見圖4、圖5）。鐓粗、預(yù)鍛、終鍛和沖孔的成形載荷依次為1720kN、13420kN、19670kN和350kN，總成形載荷約為35160kN。鐓粗、預(yù)鍛、終鍛和沖孔的最大等效應(yīng)變分別為2.46、5.04、7.99和9.66。鐓粗、預(yù)鍛、終鍛和沖孔各工步流線分布良好（見圖6），未出現(xiàn)折疊等鍛造缺陷。

圖4 輪轂軸承內(nèi)圈各工步載荷-行程曲線

圖5 輪轂內(nèi)圈各工步等效應(yīng)變云圖

各工步的溫度場范圍為810～1100℃。符合GCr15理論鍛造溫度范圍800～1080℃（見圖7）。

圖6 輪轂內(nèi)圈各工步金屬流線分布

圖7 輪轂內(nèi)圈各工步（除沖孔）溫度場分布

輪轂內(nèi)圈預(yù)鍛和終鍛工步充滿情況見圖8，藍(lán)色部分表示金屬完全充滿，白色部分表示未充滿?？煽闯鲱A(yù)鍛和終鍛都有未充滿部分。實(shí)際生產(chǎn)中下料尺寸存在偏差，在工藝和模具設(shè)計(jì)時(shí)，故意留有未充滿部分，避免因材料填充過滿而造成壓力機(jī)“悶車”。為達(dá)到終尺寸要求，且有效降低閉式鍛成形載荷，在終鍛模具頂部和最大外徑處加大余量，使得金屬未充滿型腔時(shí)就達(dá)到鍛件尺寸要求。

圖8 輪轂內(nèi)圈預(yù)鍛和終鍛工步充滿情況

4.輪轂軸承外圈模擬結(jié)果及分析

鐓粗、預(yù)鍛、終鍛和切邊沖孔的成形載荷依次為1540kN、3190kN、20880kN和800kN，總成形載荷約為26410kN（見圖9）。鐓粗、預(yù)鍛、終鍛和切邊沖孔的最大等效應(yīng)變分別為2.66、2.79、4.55和5.16（見圖10）。鐓粗、預(yù)鍛、終鍛和沖孔各工步流線分布良好，未出現(xiàn)折疊等鍛造缺陷（見圖11）。各工步的溫度場范圍為807～1115℃。符合GCr15的理論鍛造溫度范圍800～1080℃（見圖12）。

輪轂外圈預(yù)鍛和終鍛工步充滿情況見圖13，藍(lán)色部分表示金屬完全充滿，白色部分表示未充滿。由此看出預(yù)鍛和終鍛都有未充滿部分。實(shí)際生產(chǎn)中下料尺寸存在偏差，預(yù)鍛過程是閉式鍛，在工藝和模具設(shè)計(jì)時(shí)，故意留有未充滿部分，避免因材料填充過滿而造成壓力機(jī)“悶車”。終鍛件的白色部分屬于飛邊，不予考慮，總體充滿效果良好。

圖9 輪轂軸承外圈各工步載荷-行程曲線

圖10 輪轂外圈各工步等效應(yīng)變云圖

圖11 輪轂外圈各工步金屬流線分布

圖12 輪轂外圈各工步（除切邊沖孔）溫度場分布

圖13 輪轂外圈預(yù)鍛和終鍛工步充滿情況

5.結(jié)語

（1）熱模鍛壓力機(jī)對下料要求準(zhǔn)確，尤其在閉式鍛造時(shí)下料過大會(huì)有“悶車”可能性，也會(huì)使成形力急劇上升，導(dǎo)致模具應(yīng)力過大，縮短模具壽命。

（2）對于四工位成形工藝，預(yù)鍛、終鍛最靠近壓機(jī)中心位置，工藝設(shè)計(jì)時(shí)盡可能平衡預(yù)鍛和終鍛成形載荷，避免相差過大，偏載運(yùn)行，對壓機(jī)造成損壞，也難以保證成形件精度。

（3）輪轂軸承內(nèi)外圈是深型腔零件，相對于扁平零件而言，模具應(yīng)力會(huì)偏大，在工藝和模具設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)化預(yù)鍛形狀和模具結(jié)構(gòu)是重點(diǎn)，目的是降低成形載荷，減小模具應(yīng)力。

（4）用熱模鍛壓力機(jī)參數(shù)進(jìn)行有限元模擬，總成形載荷都超過了25MN，鍛造工藝還需適當(dāng)優(yōu)化。