汽車輪轂軸承法蘭套圈輕量化設(shè)計(jì)成形工藝研究

文／徐國軍·浙江萬鼎精密科技股份有限公司

汽車輪轂軸承是應(yīng)用于汽車底盤系統(tǒng)用來承重和為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確引導(dǎo)的核心零部件，隨著新能源汽車的快速發(fā)展，以及環(huán)保和節(jié)能的需要，汽車的輕量化已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流，汽車輪轂軸承輕量化也是大勢所趨，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，這其中，輪轂軸承法蘭套圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕量化尤為重要。

圖1 是法蘭套圈輕量化設(shè)計(jì)的演變過程，最早的設(shè)計(jì)是純圓盤型法蘭套圈；在保證法蘭套圈與輪轂裝配強(qiáng)度前提下，設(shè)計(jì)演變?yōu)槎嗟确滞古_(tái)(保證螺栓裝配強(qiáng)度)法蘭套圈，重量降低約8.5%；在滿足旋轉(zhuǎn)離心力及動(dòng)靜載荷的要求下，設(shè)計(jì)多等分凸臺(tái)和多等分凹槽的法蘭套圈，重量降低約4%。以下主要對多等分凸臺(tái)多等分凹槽法蘭套圈成形工藝展開介紹。

圖1 法蘭套圈輕量化設(shè)計(jì)的演變過程

產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析

多等分凹槽的關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)在于凹槽處的料厚、凹槽距離邊緣的尺寸及過渡圓弧的大小。法蘭套圈與汽車輪轂裝配，承受汽車車身的靜載荷及行駛過程中的動(dòng)載荷，尤其是啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷最大。通過強(qiáng)度數(shù)值模擬分析，設(shè)計(jì)圖2 所示的產(chǎn)品尺寸，凹槽處的料厚為(1.5±0.5)mm，距離邊緣(4.5±0.5)mm，過渡圓弧為R(3±0.5)mm。

圖2 產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)

多凹槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大增加了產(chǎn)品鍛造成形難度，產(chǎn)品的多凹槽結(jié)構(gòu)對應(yīng)鍛造模具的多凸出結(jié)構(gòu)，增加了金屬流動(dòng)的阻流和對流風(fēng)險(xiǎn)。

鍛造工藝分析

基于對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析，結(jié)合對多等分凸臺(tái)法蘭套圈的模具設(shè)計(jì)和鍛造工藝經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)如圖3 所示的鍛造成形工藝圖。由于金屬流動(dòng)的阻流和對流風(fēng)險(xiǎn)增加，所以選擇開式有飛邊模鍛工藝。

圖3 鍛造成形工藝圖

汽車輪轂軸承法蘭套圈的原材料一般采用中碳軸承鋼，坯料的選擇依據(jù)鍛件盤面直徑大、軸徑較細(xì)的特點(diǎn)和開式鍛造工藝，坯料體積=鍛件本體體積(含連皮)+飛邊體積，飛邊體積按坯料充滿設(shè)計(jì)飛邊槽的50%計(jì)算。依據(jù)密度計(jì)算出坯料重量，再加上我司采用中頻感應(yīng)加熱爐加熱，需再加上1%的火耗。坯料一般選取長徑比為1.8 ～2.2，最大不超過2.5，再結(jié)合我司加熱爐爐膛尺寸，最終確認(rèn)坯料直徑。

原材料、產(chǎn)品的金相組織、硬度、機(jī)械性能要求與我司之前開發(fā)的法蘭套圈一樣，增加了多凹槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為使金屬有較好的塑性和較低的變形抗力，將加熱溫度設(shè)計(jì)為1130℃～1200℃。加熱節(jié)拍控制在10s 左右，出爐口設(shè)置雙探頭監(jiān)測出爐溫度，減少溫度變差，使過程穩(wěn)定。

鍛件盤面較大，鐓粗工步在去除坯料表面氧化皮的同時(shí)增加坯料的橫截面，提高盤面的成形充滿性。但是由于鍛件軸徑較細(xì)，鐓粗工步又要起到拔長的作用才能滿足軸徑的成形充滿性。我司設(shè)計(jì)錐形鐓粗模具(圖4)，通過調(diào)節(jié)設(shè)備行程，使坯料能往模具中流動(dòng)，達(dá)到拔長的作用。鐓粗完成后，鐓粗產(chǎn)品掉頭放入預(yù)鍛下模。

圖4 錐形鐓粗模設(shè)計(jì)

多凹槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，造成金屬對流主要在邊緣與槽之間的位置，不僅距離短而且深度較深。在精鍛成形過程中，隨著精鍛上模往下動(dòng)作，凹槽位置受到由中心往邊緣的橫向金屬流動(dòng)和從上到下的縱向金屬流動(dòng)，極易形成對流，造成產(chǎn)品折疊失效。從上到下的縱向金屬流動(dòng)是成形必須的，所以能改善的是減少或避免中心往邊緣的橫向金屬流動(dòng)。在設(shè)計(jì)預(yù)鍛下模結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮與常規(guī)等分多凸臺(tái)法蘭套圈的不同，在凹槽內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)足夠多的空間存料(圖5)，使其與凹槽外側(cè)達(dá)到同時(shí)充滿的效果，這樣就不會(huì)有凹槽內(nèi)側(cè)往外側(cè)的金屬流動(dòng)，不會(huì)形成金屬對流。

圖5 預(yù)鍛下模關(guān)鍵位置設(shè)計(jì)

仿真模擬分析

利用Deform 3D 軟件進(jìn)行模擬，材料選用AISI-1055[1450-2200F(800 ～1200℃)]，模擬溫度選取1150℃，為了能更清楚地模擬凹槽兩側(cè)的成形和金屬流動(dòng)情況，材料網(wǎng)格劃分為100000，同時(shí)設(shè)定網(wǎng)格的變形性質(zhì)(體積補(bǔ)償)為FEM+網(wǎng)格主動(dòng)。根據(jù)之前其他法蘭套圈的試做經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)定摩擦系數(shù)為0.5，導(dǎo)入模具模擬，建立如圖6 所示的模擬過程模型。

圖6 模擬過程模型

金屬流動(dòng)分析

圖7 左側(cè)視圖是速度-全速度模塊模擬的結(jié)果，可以看出在成形充滿前一步凹槽內(nèi)外側(cè)都只有從上到下的縱向金屬流動(dòng)方向，從箭頭方向可以看出，沒有從凹槽內(nèi)側(cè)往外側(cè)的金屬流動(dòng)，沒有形成對流現(xiàn)象，滿足工藝設(shè)計(jì)要求。從圖7 右上角視圖可以看出，凹槽內(nèi)外側(cè)在成形充滿前一步都處于缺料狀態(tài)，下一步同時(shí)達(dá)到充滿效果。

圖7 凹槽內(nèi)外側(cè)金屬流動(dòng)模擬

金屬流線分析

通過圖8 流線模擬可以看出法蘭套圈鍛件滾道處流線與滾道輪廓相近平行一致，符合設(shè)計(jì)要求，其他各處無紊流、渦流、穿流等缺陷。

圖8 金屬流線模擬

應(yīng)力分析

通過圖9應(yīng)力分析圖可以看出，最大壓應(yīng)力為1370MPa，最大壓應(yīng)力部位為精鍛最終成形部位。模具材料為H13 熱作模具鋼，熱處理硬度為48 ～52HRC，該模具鋼許用壓應(yīng)力為1250～1875MPa，模具受到的最大壓應(yīng)力不大于許用壓應(yīng)力，模具滿足設(shè)計(jì)要求。

圖9 應(yīng)力分析

試做驗(yàn)證

模具加工完成后進(jìn)行現(xiàn)場試做，完成下料→加熱→鐓粗→預(yù)鍛→精鍛→沖孔→切邊→冷卻等工藝，最終獲得如圖10 所示的法蘭套圈鍛件，外觀充滿良好，經(jīng)過全尺寸檢測，滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過酸洗檢測，凹槽處無折疊不良，驗(yàn)證工藝設(shè)計(jì)方案可行。

圖10 試做鍛件

結(jié)束語

⑴通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，在保證強(qiáng)度的同時(shí)滿足輕量化要求。

⑵通過仿真模擬分析，有效驗(yàn)證了鍛造工藝方案的可行性。

⑶通過試做驗(yàn)證，得到滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，對類似法蘭套圈的開發(fā)生產(chǎn)具有參考指導(dǎo)意義。