輪轂軸承鍛件成形工藝分析與改進(jìn)

文／楊益·錢潮森威股份公司

胡成亮，曹民業(yè)·上海交通大學(xué)材料科學(xué)和工程學(xué)院

袁海兵，施雷磊·錢潮森威股份公司

輪轂軸承是汽車底盤關(guān)鍵性零件，起到支撐車身和轉(zhuǎn)動(dòng)的作用。現(xiàn)有工藝生產(chǎn)輪轂軸承法蘭盤和外圈異形件，產(chǎn)品易出現(xiàn)充填不滿等缺陷且模具壽命低。針對(duì)該問題，提出了新的法蘭盤多工位鍛造成形工藝和外圈異形件飛邊設(shè)計(jì)方案，并利用有限元軟件DEFORM-3D 對(duì)法蘭盤和外圈成形過程中的金屬流動(dòng)規(guī)律、材料填充情況、成形力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，最后設(shè)計(jì)了相應(yīng)模具并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證：法蘭盤和外圈充填飽滿，尺寸符合圖紙要求，未出現(xiàn)鍛造缺陷。試驗(yàn)結(jié)果表明該工藝具有可行性。

輪轂軸承是汽車底盤關(guān)鍵性零件，主要承受通過懸架系統(tǒng)傳遞而來的汽車重量(即徑向載荷)和汽車轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的軸向載荷。輪轂軸承隨著汽車工業(yè)的發(fā)展不斷更新迭代，應(yīng)用較為廣泛的第三代輪轂軸承單元如圖1 所示，軸承單元主要由外圈和法蘭盤組成，外圈通過螺栓固定在驅(qū)動(dòng)軸上，法蘭盤將整個(gè)軸承安裝在一起。

圖1 三代輪轂軸承單元分解圖

蔣興奇等人從制造工藝、密封技術(shù)、使用性能等方面介紹了第三代輪轂軸承單元的研發(fā)成果和使用優(yōu)勢(shì)。詹俊勇利用有限元軟件模擬分析了汽車輪轂軸承內(nèi)外圈的鍛造過程，為鍛造工藝優(yōu)化和模具設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。劉楊提出了精密閉塞鍛造成形輪轂軸承單元，通過數(shù)值模擬分析優(yōu)化了成形工藝參數(shù)，提高了材料利用率和模具壽命。許佩宜等人研究了淬火工藝參數(shù)對(duì)輪轂軸承法蘭內(nèi)圈淬硬層和微觀組織的影響，確定了輪轂軸承法蘭內(nèi)圈合理的感應(yīng)熱處理工藝參數(shù)。

本文以輪轂軸承單元法蘭盤和外圈異形件為研究對(duì)象，分別分析了兩個(gè)零件結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)，對(duì)法蘭盤現(xiàn)有的成形工藝進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種多工位鍛造成形工藝；對(duì)外圈異形件飛邊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最佳的飛邊尺寸。利用有限元軟件對(duì)法蘭盤和外圈異形件的鍛造過程進(jìn)行模擬分析，最后根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)試制。本文研究對(duì)輪轂軸承單元鍛件的鍛造成形工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

成形工藝分析

輪轂軸承鍛件結(jié)構(gòu)特征

輪轂軸承通過外圈凸緣實(shí)現(xiàn)支撐車身的功能，同時(shí)通過內(nèi)圈法蘭盤和汽車輪轂相連接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，見圖2。其中，法蘭盤為圓盤形，外圈為三角狀異形件。法蘭盤為中空結(jié)構(gòu)，該零件內(nèi)孔不能直接鍛出，需設(shè)計(jì)合理連皮厚度后沖掉。外圈異形件采用開式鍛造，需要設(shè)計(jì)合理的飛邊結(jié)構(gòu)，保證鍛件充滿完整且提高材料利用率。

圖2 三代輪轂軸承單元鍛件

法蘭盤多工位鍛造工藝

輪轂軸承單元法蘭盤鍛件為適應(yīng)輕量化需求，產(chǎn)品形狀趨于復(fù)雜化，傳統(tǒng)制造工藝采用鐓粗+終鍛兩工序成形，然而采用此種設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品流線、填充效果以及模具壽命都相對(duì)較差。因此，提出了一種多工位成形工藝：鐓粗→正擠→預(yù)鍛→終鍛→沖孔，在熱模鍛壓力機(jī)上通過步進(jìn)梁夾持搬送實(shí)現(xiàn)5 工位同步鍛造成形，如圖3 所示。

圖3 法蘭盤鍛造工藝流程圖

外圈異形件飛邊設(shè)計(jì)

目前輪轂軸承外圈異形件鍛件飛邊尺寸大，材料利用率低，對(duì)于飛邊余量過大的區(qū)域，材料流速快和速度梯度大均可能導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)不同鍛件對(duì)各項(xiàng)工藝參數(shù)的不同要求，選擇合適的飛邊形狀。因此，設(shè)計(jì)了圖4 所示兩種形狀和尺寸的飛邊，分析金屬流動(dòng)和鍛件充填情況。方案二設(shè)計(jì)飛邊阻流槽結(jié)構(gòu)，其中飛邊厚度滿足b1＞b2＞b3，以阻止材料向飛邊流動(dòng)過多；方案三減小下模模腔直徑，對(duì)產(chǎn)品最難充填位置的飛邊溢出量進(jìn)行限制，同時(shí)保持飛邊完整及最小夾持所需寬度。

圖4 輪轂軸承外圈異形件飛邊設(shè)計(jì)方案

成形工藝數(shù)值模擬

數(shù)值模擬參數(shù)

為建立輪轂軸承鍛件成形工藝的有限元模型，在三維軟件中繪制出所需模具工作部分的三維模型，導(dǎo)入DEFORM-3D 中。法蘭盤和外圈材料都是SAE1055 碳素鋼，選用材料庫(kù)中模型。坯料溫度設(shè)置為1100℃，模具溫度設(shè)置為250℃，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，選用曲柄壓力機(jī)并設(shè)置其運(yùn)行參數(shù)，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為5N/(s·mm·℃)。基于體積不變?cè)瓌t，法蘭盤坯料設(shè)為直徑60mm、高度104mm 的圓柱棒料，網(wǎng)格數(shù)量劃分為100000；外圈異形件三種飛邊設(shè)計(jì)方案的坯料直徑為55mm，高度分別為79mm、76mm 和75mm，網(wǎng)格數(shù)量劃分為50000，模具設(shè)置為剛體。

法蘭盤成形模擬結(jié)果分析

在DEFORM-3D 后處理中觀察法蘭盤成形過程，如圖5 所示。鐓粗階段，圓柱坯料受到上模壓力產(chǎn)生塑性變形，坯料鐓粗出現(xiàn)鼓形。正擠階段，鼓形坯料在上模的壓力下發(fā)生正擠壓，在上端面成形定位孔。預(yù)鍛階段，坯料在上模壓力下中部產(chǎn)生鐓粗變形，坯料半徑逐漸增大到與模壁接觸，上沖頭將坯料擠壓出深孔，坯料下端擠入下凹模。終鍛階段，上模下壓，坯料快速充滿模腔，上沖頭在坯料上端成形出臺(tái)階深孔，法蘭盤完全成形。最終鍛件形狀充填飽滿，無鍛造缺陷，形狀和尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 法蘭盤多工步鍛造數(shù)值模擬結(jié)果

多工位連續(xù)鍛造過程的凸模載荷如圖6 所示，鐓粗階段成形力為25.6t，正擠階段成形力為89.6t，預(yù)鍛階段成形力為352t，終鍛階段成形力為761t，為成形設(shè)備選取提供參考。

圖6 法蘭盤多工步鍛造凸模載荷

外圈異形件成形模擬結(jié)果分析

輪轂軸承單元外圈異形件三種飛邊設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果如圖7 所示。原始設(shè)計(jì)方案上模運(yùn)行到指定行程時(shí)，鍛件三角處未充滿，繼續(xù)下行0.2mm，產(chǎn)品三角處充滿，成形力為769t。方案二上模運(yùn)行到指定行程時(shí)，鍛件三角處充填完整，成形力為694t。方案三上模到達(dá)指定行程，鍛件三角處充填完整，成形力為716t。

圖7 飛邊優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果

方案三與方案二相比，最大與最小處飛邊寬度均縮小，單件重量可降低60g 左右，所需成形力降低，三角難充滿處更易充滿。方案三與方案二相比最大與最小處飛邊寬度縮小，單件重量可降低90g，所需成形力降低，鍛件充填完整，無鍛造缺陷。對(duì)比結(jié)果如表1 所示，以實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)自動(dòng)化以及提升材料利用率的目的，選擇方案三進(jìn)行生產(chǎn)試制。

表1 飛邊優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)比

工藝試驗(yàn)

在圖8 所示2500t 多工位壓機(jī)上進(jìn)行法蘭盤和外圈異形件的生產(chǎn)試制，將坯料加熱至1100℃后經(jīng)傳送帶輸送到壓機(jī)上進(jìn)行多工位連續(xù)鍛造生產(chǎn)。

圖8 2500t 多工位壓機(jī)

圖9 所示為法蘭盤棒料及5 個(gè)工位的實(shí)物照片，坯料發(fā)生鐓粗、正擠、預(yù)鍛、終鍛和沖孔，從實(shí)物狀態(tài)來看，各工步充滿良好。

圖9 法蘭盤各工序鍛造實(shí)物

外圈鍛件實(shí)物及優(yōu)化設(shè)計(jì)前后飛邊重量對(duì)比見圖10，鍛件三角處充滿完整，無鍛造缺陷。現(xiàn)有設(shè)計(jì)飛邊重量為247g，優(yōu)化設(shè)計(jì)后飛邊重量為156g，降低了成形力，提高了材料利用率。

圖10 輪轂軸承外圈鍛件及優(yōu)化前后飛邊質(zhì)量

輪轂軸承鍛后溫度920 ～960℃，由輸送帶傳遞到網(wǎng)帶爐爐口，經(jīng)離心風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻至500 ～600℃，完成珠光體轉(zhuǎn)變。余溫正火后得到的組織為片狀珠光體和條狀鐵素體，基體硬度可達(dá)250 ～265HBW，晶粒度≥4 級(jí)。在鍛件上取樣進(jìn)行拉伸測(cè)試，屈服強(qiáng)度可達(dá)464MPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)847MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語(yǔ)

⑴通過有限元模擬，確定了輪轂軸承單元法蘭盤的多工位鍛造工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)了外圈異形件飛邊結(jié)構(gòu)。

⑵通過試驗(yàn)驗(yàn)證，建立了穩(wěn)定的成形工藝參數(shù)和可靠性較高的模具結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)鍛件充填飽滿，無鍛造缺陷。優(yōu)化后外圈飛邊質(zhì)量降低91g，提高了材料利用率。