李振紅,黃英娜,孔凡新

(南京工程學(xué)院 材料工程學(xué)院，南京 211167)

輪轂軸承是汽車車軸承重及轉(zhuǎn)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(nèi)圈。由于輪轂軸承承受徑向和軸向載荷，對軸承內(nèi)圈和外圈的力學(xué)性能和組織流線等都有著較高的要求，在實際生產(chǎn)中一般采用鍛造成形輔以后續(xù)機(jī)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(fù)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(chǎn)生飛邊，飛邊需要在后續(xù)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(xù)機(jī)加工余量，降低能耗，采用閉式模鍛工藝生產(chǎn)輪轂軸承外圈具有更高的經(jīng)濟(jì)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(jìn)行仿真，以期對軸承外圈精鍛工藝設(shè)計和模具制造的優(yōu)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(tài)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(yīng)加熱至1 000 ℃，經(jīng)潤滑后送入鍛模內(nèi)進(jìn)行壓制。實際成形溫度控制在1 000 ℃左右的亞熱溫度，較傳統(tǒng)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(chǎn)生，易于實現(xiàn)精密鍛造[4]。根據(jù)實際經(jīng)驗，將模具預(yù)熱至300 ℃。

為進(jìn)一步提高成形精度，在亞熱精鍛完成后增加冷精整工序。經(jīng)冷精整后，外圈外表面只通過磨削即可達(dá)到要求[5]。內(nèi)表面形狀較復(fù)雜，尤其是雙溝道無法通過普通鍛造工藝獲得，需要機(jī)械加工完成。因此為了降低模具的復(fù)雜程度和加工制造成本，提高模具壽命，鍛件的內(nèi)表面在保證加工余量的基礎(chǔ)上直接以斜面連接至沖孔連皮。根據(jù)經(jīng)驗，連皮形式采用斜底連皮，其尺寸設(shè)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(shù)值模擬

2.1 模型參數(shù)

為了驗證鍛造工藝設(shè)計的可行性，分析鍛造過程中金屬的流動規(guī)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(shù)值模擬軟件對鍛造工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，以了解鍛造成形時可能出現(xiàn)的缺陷，進(jìn)行工藝優(yōu)化和指導(dǎo)模具設(shè)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(xù)數(shù)值模擬工作量，根據(jù)鍛件的對稱性采用1/4模型進(jìn)行分析。將建好的模型導(dǎo)出為.stl文件，然后導(dǎo)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(wǎng)格對模型進(jìn)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(shù)，溫-熱成形一般取0.2～0.5，該工藝成形溫度較傳統(tǒng)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(jù)經(jīng)驗取m=0.25；k為材料的剪切屈服強度。

數(shù)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(tǒng)中采用熱力耦合分析模式對外圈的亞熱精鍛過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

表1 數(shù)值模擬用參數(shù)

圖4 數(shù)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(fā)生少量的鐓粗變形，直至坯料鐓粗后的側(cè)面與凹模的內(nèi)側(cè)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(xù)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(fù)合擠壓，但坯料的側(cè)面有相當(dāng)一部分處于自由狀態(tài)，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(fā)生鐓擠變形，直至凸緣部位與凹模側(cè)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(cè)面的間隙中排出，形成毛刺，需要在后續(xù)機(jī)械加工階段去除。此階段載荷達(dá)到最大的4.38×106N，如果凸模繼續(xù)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(jié)束時坯料的形態(tài)如圖6所示，同時圖中還以節(jié)點的形式給出了發(fā)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(tài)

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(shè)備噸位的選擇，因此，對此階段進(jìn)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(nèi)應(yīng)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(yīng)變分布，大部分部位等效應(yīng)變數(shù)值為0.5～2.5，變形比較均勻，這有助于減少附加應(yīng)力和殘余應(yīng)力的產(chǎn)生。圖9為終鍛時等效應(yīng)力分布，大部分應(yīng)力值在200 MPa以下，分布較均勻，只有下杯部由于溫度稍低，導(dǎo)致其等效應(yīng)力稍大，約為270 MPa。應(yīng)力的大小與應(yīng)變、溫度和應(yīng)變速率有關(guān)，受材料本身流變行為的控制。分析結(jié)果表明，溫度、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力的分布都比較均勻，證明當(dāng)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(yīng)變場

圖9 終鍛時的等效應(yīng)力場

圖10為終鍛時坯料上法向應(yīng)力的分布，可以看出連皮部位應(yīng)力最大為2 270 MPa，鍛件的外表面上法向應(yīng)力基本分布在1 300～1 600 MPa，因此相應(yīng)部位的凹模承受了較大應(yīng)力。在進(jìn)行凹模設(shè)計時為了提高凹模強度、防止開裂，應(yīng)采用三層組合式凹模結(jié)構(gòu)。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(nèi)受到凹模的限制，可以不采用組合式結(jié)構(gòu)。

圖10 終鍛時的法向應(yīng)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)生，節(jié)約了能源。閉式鍛造提高了金屬的塑性，有助于復(fù)雜形狀鍛件的成形；同時避免了開式模鍛大量飛邊的產(chǎn)生，省去后續(xù)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(jìn)行分析，確定了亞熱精鍛成形的主要工藝參數(shù)，為實際生產(chǎn)中的工藝設(shè)計和模具制造提供了參考。