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        汽車輪轂軸承鍛造工藝有限元模擬

        2014-08-29 01:15:38江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司揚(yáng)州225127詹俊勇
        金屬加工(熱加工) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:工步沖孔內(nèi)圈

        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(lái)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(rùn)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(shì)。

        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(duì)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(duì)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?cè)茍D

        各工步的溫度場(chǎng)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(chǎng)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。可看出預(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,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(chǎng)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?cè)茍D

        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(chǎng)分布

        圖13 輪轂外圈預(yù)鍛和終鍛工步充滿情況

        5.結(jié)語(yǔ)

        (1)熱模鍛壓力機(jī)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。

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