李雪原，雷良育，2，劉兵，董亮，胡燁

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 工程學(xué)院，浙江 臨安 311300；2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司，杭州 311232）

輪轂軸承單元作為汽車的關(guān)鍵零部件，不僅要承受整車的重量，還起到為輪轂轉(zhuǎn)動提供精準(zhǔn)的導(dǎo)向作用［1］。輪轂軸承單元發(fā)展迅速，目前主要使用的是第3代［2］。為了減輕輪轂軸承單元的質(zhì)量，更加緊湊化，提高安全性和可靠性，第3代輪轂軸承單元改變了第2代使用連接螺母的方式，采用軸端的冷鉚成形技術(shù)，使芯軸產(chǎn)生塑性變形，起到卡緊內(nèi)圈的作用［3-4］。以輪轂軸承單元軸鉚合過程的塑性變形為研究對象，分析芯軸在鉚合過程中的變形和應(yīng)力分布情況，研究傾角對軸鉚合質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 輪轂軸承單元軸鉚合工作原理

軸鉚合工藝的工作原理如圖1所示，內(nèi)圈和芯軸裝配在一起，鉚頭與芯軸之間存在傾角θ，鉚頭在旋鉚機(jī)的帶動下繞O點根據(jù)設(shè)定的軌跡做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，同時逐漸下壓，最終將芯軸頭部旋壓成圖中虛線形狀［5-8］。輪轂軸承單元軸鉚合過程分為3個階段：1）鉚頭旋轉(zhuǎn)下降，與芯軸接觸；2）鉚頭在動力頭的帶動下沿芯軸內(nèi)表面做擺動輾壓運(yùn)動，使芯軸的外表面開始與內(nèi)圈接觸；3）鉚頭動作使內(nèi)圈所受卡緊力逐漸增大直至飽和。鉚頭運(yùn)動軌跡主要分為直線軌跡、圓形軌跡、螺旋式軌跡等。由于軸鉚合工藝屬于金屬塑性變形，且鉚頭結(jié)構(gòu)及運(yùn)動較為復(fù)雜，容易產(chǎn)生鉚頭磨損、工件表面擦傷甚至產(chǎn)生裂紋等缺陷［9］。

圖1 輪轂軸承單元軸鉚合工作原理Fig.1 Schematic diagram of shaft end riveting of hub bearing units

2 模型的建立

第3代輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輪轂軸承單元結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of hub bearing unit

2.1 實體模型的建立

由于DEFORM-3D中無法建立實體模型，因此選擇三維軟件UG建模。為了軸鉚合有限元模擬運(yùn)算方便，只建立鉚頭、芯軸和內(nèi)圈的模型，并將3D模型簡化后導(dǎo)入DEFORM-3D中。輪轂軸承單元軸鉚合裝配體模型如圖3所示。

圖3 輪轂軸承單元軸鉚合裝配體模型Fig.3 Hub bearing unit shaft riveting assembly model

2.2 有限元模型的建立

DEFORM-3D致力于各種金屬成形過程的三維流動分析，主要用于工藝過程的仿真，提供一個非常有價值的數(shù)據(jù)分析過程［10］，是一種模擬工藝仿真過程的理想工具。汽車輪轂軸承單元軸鉚合的工藝參數(shù)見表1。

表1 輪轂軸承單元軸鉚合工藝參數(shù)Tab.1 Process parameters of hub bearing unit riveting

2.2.1 材料的定義

鉚頭材料為Cr12MoV，芯軸材料為55＃鋼，內(nèi)圈材料為GCr15，主要材料的力學(xué)性能參數(shù)見表2。輪轂軸承單元軸鉚合工藝為典型的塑性變形，因此芯軸選擇為塑性體，鉚頭和內(nèi)圈設(shè)為鋼體。芯軸材料選擇軟件材料庫中對應(yīng)的AISI-1055，其力學(xué)性能與55＃鋼基本一致。

表2 主要材料及其力學(xué)性能參數(shù)Tab.2 Main materials and their mechanical properties

2.2.2 網(wǎng)格劃分

采用四面體網(wǎng)格，由于軟件具有網(wǎng)格自適應(yīng)功能，因此在仿真過程中出現(xiàn)形狀畸變等問題時，軟件可以自動進(jìn)行網(wǎng)格的重新劃分并繼續(xù)計算，從而提高了模擬運(yùn)行的效率。這里只對芯軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過試驗，芯軸網(wǎng)格劃分的單元數(shù)目為80 000，可以提高運(yùn)算效率，同時保證模擬的精度。劃分網(wǎng)格后的芯軸如圖4所示。

圖4 芯軸網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of core axis

2.2.3 約束條件

1）為保證芯軸和內(nèi)圈固定不動，設(shè)置芯軸底面作為x，y和z速度方向的約束。

2）旋壓鉚頭自轉(zhuǎn)方向與主軸轉(zhuǎn)動方向相反，取輸入旋轉(zhuǎn)速度ω1＝633 mm／s，旋轉(zhuǎn)軸為鉚頭自身的中心軸線。鉚頭繞模型幾何中心的旋轉(zhuǎn)速度為663mm／s，回轉(zhuǎn)軸選擇 -x軸，即鉚頭的鉚壓方向。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動參數(shù)設(shè)置實現(xiàn)了鉚頭在空間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與實際相符。

2.2.4 仿真環(huán)境設(shè)定

輪轂軸承單元軸鉚合工藝為冷變形加工，摩擦因數(shù)用系統(tǒng)默認(rèn)值0.12。工作溫度取室溫20℃。

3 結(jié)果與分析

有限元仿真工藝參數(shù)設(shè)置好后，通過模擬計算得到的有限元仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

3.1 應(yīng)力、應(yīng)變特征

以5°傾角為例，計算得到芯軸的等效應(yīng)力分布云圖如圖6所示。由圖可知，芯軸在不同的位置所受應(yīng)力大小差異明顯，在鉚頭與芯軸接觸較多的上表面邊緣以及芯軸與內(nèi)圈貼合的彎角處所受應(yīng)力較大；而在其內(nèi)部區(qū)域和芯軸下部受力以及變形較小。

圖6 仿真后芯軸的應(yīng)力分布情況Fig.6 Stress distribution of core shaft after simulation

3.2 鉚頭傾角對鉚合的影響

汽車輪轂軸承單元軸鉚合工藝的鉚頭傾角一般取3°～5°，旋鉚機(jī)生產(chǎn)廠家設(shè)定鉚接傾角為5°。為了驗證傾角選擇的合理性，根據(jù)具體的產(chǎn)品，在DEFORM-3D有限元仿真軟件中，保持其他鉚合條件一致，只改變鉚頭傾角（3°，4°，5°，6°）進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，得出最佳鉚頭傾角。由輪轂單元鉚合精整階段等效應(yīng)力分布云圖可以得出，3°，4°，5°，6°所受到的最大應(yīng)力分別為897，884，878，882 MPa，鉚合應(yīng)力變化較小，其中5°鉚合傾角下芯軸所受的應(yīng)力最小。

內(nèi)圈卡緊力主要防止軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)生軸向位移，卡緊力過小，內(nèi)圈易發(fā)生晃動，其安全性降低；卡緊力過大，容易將內(nèi)圈壓變形，甚至影響到滾子及其他部件的質(zhì)量。因此輪轂軸承單元的內(nèi)圈卡緊力應(yīng)該限制在一定范圍內(nèi)，保證輪轂軸承的質(zhì)量和安全性。對于鉚頭所受軸向力，一般情況下應(yīng)盡可能的小，以免鉚頭變形和磨損。

不同鉚頭傾角下得到鉚頭所受軸向力及內(nèi)圈所受卡緊力曲線如圖7所示。

圖7 不同鉚頭傾角下鉚頭所受軸向力及內(nèi)圈所受卡緊力Fig.7 Rivet head axial force and inner ring clamping force under different angle of the rivet head

由圖7可知，鉚頭傾角越小，鉚合初始階段鉚頭受軸向力越大，這是因為鉚頭傾角越小，鉚頭開始接觸工件時，接觸面積越大，變形越大，受到的軸向力越大；鉚合時鉚頭所受到的最大軸向力，即精整階段受到的軸向力則隨著鉚頭傾角的增大而逐漸減小。鉚頭傾角對內(nèi)圈卡緊力的影響規(guī)律與對鉚頭軸向力的影響規(guī)律基本一致，隨著鉚頭傾角的增加，內(nèi)圈所受卡緊力逐漸減小。隨著鉚頭傾角的增大，鉚接應(yīng)力隨之減小，但是鉚頭所受的軸向力和內(nèi)圈所受卡緊力平穩(wěn)性較差，特別是在精鉚合階段容易產(chǎn)生磨損和裂紋等缺陷。反之，鉚頭傾角越小，芯軸所受的應(yīng)力越小，軸鉚合過程越穩(wěn)定，有利于提高輪轂軸承的質(zhì)量和安全性。5°鉚合傾角下鉚頭所受的軸向力和芯軸所受的卡緊力較平穩(wěn)，其他角度情況下，鉚頭所受軸向力和芯軸所受卡緊力波動更明顯。

4 試驗驗證

為了驗證仿真的可行性，應(yīng)用工廠實際加工中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對比。由于內(nèi)圈所受卡緊力在實際生產(chǎn)中很難測得，所以試驗以5°鉚頭傾角測試鉚頭所受軸向力。

采用自動化旋鉚機(jī)（圖8）（加工參數(shù)可以根據(jù)產(chǎn)品需要進(jìn)行調(diào)節(jié)）進(jìn)行輪轂軸承單元軸鉚合工藝試驗，試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化處理，得出生產(chǎn)實際中鉚頭所受軸向力如圖9所示。由圖可知，實際生產(chǎn)中鉚頭所受軸向力和圖7中鉚頭所受軸向力曲線基本一致，表明了有限元仿真的可行性。

圖8 旋鉚機(jī)Fig.8 Riveting machine

5 結(jié)束語

采用DEFORM-3D軟件對汽車輪轂軸承單元軸鉚合過程進(jìn)行了模擬，得到了輪轂單元軸鉚合過程的應(yīng)力分布。綜合應(yīng)力、鉚頭所受軸向力及內(nèi)圈卡緊力的影響規(guī)律，根據(jù)仿真產(chǎn)品型號要求，認(rèn)為鉚合傾角為5°時，芯軸所受應(yīng)力較小，軸鉚合過程中鉚頭所受軸向力和內(nèi)圈所受卡緊力較穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生裂紋等缺陷。因此，在生產(chǎn)其他產(chǎn)品時，可以改變鉚頭傾角來提高軸鉚合工藝的可靠性。