輪轂軸承外圈亞熱閉式精鍛成形技術

李振紅,黃英娜,孔凡新

(南京工程學院 材料工程學院，南京 211167)

輪轂軸承是汽車車軸承重及轉動所用的主要零部件，組成輪轂軸承單元的主要支承零件為帶凸緣的軸承外圈和內圈。由于輪轂軸承承受徑向和軸向載荷，對軸承內圈和外圈的力學性能和組織流線等都有著較高的要求，在實際生產中一般采用鍛造成形輔以后續機械加工獲得合格的零件[1]。

由于輪轂軸承外圈一般帶有固定用的凸緣，零件形狀較復雜，具有一定的成形難度。目前外圈成形工藝主要為開式模鍛，容易產生飛邊，飛邊需要在后續的沖孔、切邊工序中去除，鍛件的材料利用率較低。因此，為了改善金屬的成形精度，提高金屬的材料利用率，減少后續機加工余量，降低能耗，采用閉式模鍛工藝生產輪轂軸承外圈具有更高的經濟效益[2-3]。為研究輪轂軸承外圈的閉式模鍛工藝，下文運用DEFORM-3D軟件對外圈的精鍛成形進行仿真，以期對軸承外圈精鍛工藝設計和模具制造的優化提供幫助。

1 外圈亞熱閉式精鍛成形工藝

以某型輪轂軸承外圈的成形工藝為例，外圈的3/4模型如圖1所示，成形工藝如圖2所示。

圖1 輪轂軸承外圈3/4模型

圖2 外圈成形工藝方案

精密鍛造對坯料的尺寸及狀態要求較高，采用鋸切下料以保證下料精度；同時需要保證坯料表面沒有氧化皮、夾雜物、裂紋、折疊及凹坑等缺陷。坯料尺寸為Φ90 mm×50.9 mm。中頻感應加熱至1 000 ℃，經潤滑后送入鍛模內進行壓制。實際成形溫度控制在1 000 ℃左右的亞熱溫度，較傳統熱鍛成形溫度稍低，有助于控制氧化、脫碳、過熱和過燒等缺陷的產生，易于實現精密鍛造[4]。根據實際經驗，將模具預熱至300 ℃。

為進一步提高成形精度，在亞熱精鍛完成后增加冷精整工序。經冷精整后，外圈外表面只通過磨削即可達到要求[5]。內表面形狀較復雜，尤其是雙溝道無法通過普通鍛造工藝獲得，需要機械加工完成。因此為了降低模具的復雜程度和加工制造成本，提高模具壽命，鍛件的內表面在保證加工余量的基礎上直接以斜面連接至沖孔連皮。根據經驗，連皮形式采用斜底連皮，其尺寸設計如圖3所示。連皮的位置對于鍛件的材料利用率稍有影響。分析計算連皮位置p為33.5，29.5和25.5 mm時，鍛件的體積分別為327.7，323.8和329.3 cm3，以材料利用率最高為首要原則，取連皮位置p為29.5 mm。

圖3 外圈鍛件圖

2 外圈的亞熱精鍛工藝數值模擬

2.1 模型參數

為了驗證鍛造工藝設計的可行性，分析鍛造過程中金屬的流動規律、坯料各部位的變形和受力情況以及模具和坯料的溫度變化，在模具制造之前通過有限元數值模擬軟件對鍛造工藝進行數值模擬，以了解鍛造成形時可能出現的缺陷，進行工藝優化和指導模具設計[6-7]。

運用UG軟件完成凸模、凹模和坯料的幾何模型。在建模時，為了減少后續數值模擬工作量，根據鍛件的對稱性采用1/4模型進行分析。將建好的模型導出為.stl文件，然后導入到DEFORM-3D軟件前處理界面中。為了保證分析精度，采用四面體網格對模型進行劃分，坯料劃分為50 000個，凸模和凹模均為30 000個。坯料與模具間摩擦采用剪切摩擦模型

τf=mk，

(1)

式中：τf為接觸邊界上的摩擦力；m為摩擦因數，溫-熱成形一般取0.2～0.5，該工藝成形溫度較傳統熱鍛低，潤滑方式為坯料和模具表面噴涂，可以獲得較好潤滑效果，根據經驗取m=0.25；k為材料的剪切屈服強度。

數值模擬條件見表1，坯料材料選用AISI-1055，模具材料選用AISI-H13。采用的模型如圖4所示。在DEFORM-3D軟件系統中采用熱力耦合分析模式對外圈的亞熱精鍛過程進行數值模擬分析。

表1 數值模擬用參數

圖4 數值模擬用模型

2.2 外圈亞熱成形變形過程分析

外圈亞熱閉式精鍛1/4凸模上的載荷-行程曲線如圖5所示，由圖可知，外圈的成形過程可以分為4個階段。第1階段為OA段，隨著凸模下行，凸模與坯料接觸面積越來越大，坯料發生少量的鐓粗變形，直至坯料鐓粗后的側面與凹模的內側面相接觸。這一階段由于變形量小，模具與坯料接觸面積小，因此載荷很小，僅為1.09×105N。第2階段為AB段，隨著凸模繼續下行，金屬在壓力作用下流入凹模形成下杯部，同時坯料上部由于凸模的壓入也形成杯狀，直至金屬與凸模下表面相接觸。此階段的成形基本上是一個杯-杯復合擠壓，但坯料的側面有相當一部分處于自由狀態，因此，金屬的流動比較自由，成形載荷上升為2.69×105N。第3階段為BC段，此階段金屬發生鐓擠變形，直至凸緣部位與凹模側面相接觸，載荷為6.38×105N。第4階段為CD段，凸緣部位逐漸充滿，金屬只能流入上下杯部，直至接觸到模具，形成一個密閉模腔，多余金屬從凸模與凹模側面的間隙中排出，形成毛刺，需要在后續機械加工階段去除。此階段載荷達到最大的4.38×106N，如果凸模繼續下壓，載荷會急劇增大，因此，閉式模鍛需要對壓制行程和坯料尺寸精確控制。各個階段結束時坯料的形態如圖6所示，同時圖中還以節點的形式給出了發生接觸的位置。

圖5 外圈亞熱閉式精鍛凸模載荷-行程曲線

圖6 外圈亞熱閉式精鍛各階段坯料形態

由上述分析可知，外圈的亞熱閉式成形最重要的是最終階段，決定了金屬能否流動充填完滿，同時凸模上載荷決定了鍛壓設備噸位的選擇，因此，對此階段進行具體分析。

圖7為終鍛時坯料上溫度分布，可以看出坯料上溫度分布比較均勻，這有助于消除溫度引起的膨脹不均和溫度內應力。坯料的絕大部分溫度都在950 ℃以上，局部溫度由于塑性變形熱上升至1 020 ℃，與模具接觸部位溫度下降較多。下杯部溫度較低約為800 ℃，但從成形過程上看，下杯部外表面先充填完，因此較低的溫度對其流動影響不大。圖8為終鍛時等效應變分布，大部分部位等效應變數值為0.5～2.5，變形比較均勻，這有助于減少附加應力和殘余應力的產生。圖9為終鍛時等效應力分布，大部分應力值在200 MPa以下，分布較均勻，只有下杯部由于溫度稍低，導致其等效應力稍大，約為270 MPa。應力的大小與應變、溫度和應變速率有關，受材料本身流變行為的控制。分析結果表明，溫度、等效應變和等效應力的分布都比較均勻，證明當始鍛溫度為1 000 ℃，模具壓下速度為20 mm/s時的外圈閉式精鍛合理可行。

圖7 終鍛時的溫度場

圖8 終鍛時的等效應變場

圖9 終鍛時的等效應力場

圖10為終鍛時坯料上法向應力的分布，可以看出連皮部位應力最大為2 270 MPa，鍛件的外表面上法向應力基本分布在1 300～1 600 MPa，因此相應部位的凹模承受了較大應力。在進行凹模設計時為了提高凹模強度、防止開裂，應采用三層組合式凹模結構。凸模對于鍛件上杯部的位置也承受較大壓力，但作用面較小，成形時處于凹模內受到凹模的限制，可以不采用組合式結構。

圖10 終鍛時的法向應力場

圖11為終鍛時坯料上的靜水壓力分布圖，從圖上可以看出，除毛刺部位外，鍛件都處于較大的靜水壓力下，有助于提高金屬的塑性，避免裂紋的產生。因此，對于塑性較差的軸承鋼如GCr15，GCr15SiMn等采用閉式亞熱鍛造可以提高塑性、改善金屬的流動從而獲得較好的精鍛件。

圖11 終鍛時的靜水壓力場

3 結束語

介紹的輪轂軸承外圈亞熱閉式精鍛工藝，金屬充填良好，材料變形阻力小，溫度及變形均勻。亞熱成形降低了加熱溫度，減少了氧化、過熱等缺陷的產生，節約了能源。閉式鍛造提高了金屬的塑性，有助于復雜形狀鍛件的成形；同時避免了開式模鍛大量飛邊的產生，省去后續切邊工序，提高了材料利用率。通過有限元模擬軟件對成形工藝進行分析，確定了亞熱精鍛成形的主要工藝參數，為實際生產中的工藝設計和模具制造提供了參考。