轮毂轴承套圈闭式锻造成形数值模拟分析

刘扬　毛华杰
（武汉理工大学材料学院，湖北武汉　430070）

　　摘　要：根据轮毂轴承套圈的产品特点，设计了闭式精锻成形工艺方案。并通过Deform-3D对成形过程进行了数值模拟，分析了闭式锻造过程中金属的变形规律。数值模拟结果为轴承套圈闭式锻造工艺与模具设计提供了有效参考。
　　关键词：机械制造；闭式锻造；套圈；数值模拟；轴承
　　1　前言
　　轮毂轴承是汽车上的重要基础件，它的作用主要是作为承重件和为轮毂的传动提供精确引导，既承受径向载荷又承受轴向载荷；零件形状复杂，尺寸精度和形位公差要求高，锻造工艺性差。目前，国内外各主要轴承企业主要采用开式模锻工艺进行生产，锻件成形质量较差，材料利用率较低^[1,2]。
　　闭式无飞边锻造工艺是一种先进的锻造工艺，如图1所示。与开式模锻相比，无飞边锻造工艺中锻件在封闭的模膛内成形，不产生飞边，材料利用率高，成形精度高，可实现锻件的近净成形或净成形^[3]。 　　本文运用Deform-3D对轮毂轴承套圈的闭式精锻成形过程进行了三维数值模拟，并对模拟结果进行了分析。为轮毂轴承套圈精锻成形工艺研究和模具设计提供了理论依据。
　　2　零件及工艺分析
　　2.1工艺方案
　　轮毂轴承的外圈带有反挤压结构和外法兰盘，其锻件（图2）形状比普通直接锻造成形的轴承锻件复杂^[4]。 　　通过对零件结构的技术工艺分析，采用闭式精锻成形工艺，工艺流程见图3所示。 　　2.2毛坯预锻造
　　由剪床精密下料，坯料尺寸准52mm×80mm。先对工件进行镦粗预成形，其作用主要有：①通过预成形，实现毛坯在精锻成形模具中有效定位；②通过镦粗变形去除毛坯表面氧化皮；③合理分配金属坯料的材料流动，确保产品终成形的质量^[5]。
　　锻件预成形形状为一回转体，通过自由镦粗变形能够满足预成形的要求，因此，预成形采用自由镦粗方式。镦粗过程中，零件将出现鼓形形状。考虑到工艺系统的不稳定性，取Z大直径为准70.4mm，由体积不变条件，镦粗高度为50mm，预镦粗尺寸为准70.4mm×50mm（图4），镦粗比为1.6。 　　3　终锻成形过程数值模拟分析
　　3.1建立刚粘塑性有限元模型
　　（1）轴承套圈材料GCr15，模拟中采用美国牌号AISI52100，加热温度1150℃，模具预热温度300℃。
　　（2）锻件结构对称，选形体1/4作为研究对象，采用四面体单元，划分初始网格30000个。
　　（3）边界条件：采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.3^[6]。
　　有限元模型如图5所示。 　　3.2数值模拟结果分析
　　运用Deform-3D对轮毂轴承套圈终锻成形过程进行了数值模拟，零件终成形时的等效应力如图6所示。等效应力的Z大值出现在零件的纵向飞刺处，飞刺越高，应力越大，因而阻止了材料的流动，促使金属充满模具型腔。 　　成形过程的负载曲线如图7所示。曲线大致分为两个阶段：阶段，鼓形坯料的镦粗，变形量较小，成形阻力较小，载荷变化不大。第二阶段，成形终了阶段，行程小，变形抗力增加迅速，此阶段形成零件的Z终形状和尺寸。 　　4　结论
　　本文对轮毂轴承套圈成形工艺进行了分析，设计了闭式精锻成形工艺方案。并采用刚粘塑性有限元理论，利用有限元分析软件Deform对轮毂轴承套圈的闭式锻造成形进行了数值模拟。模拟结果表明，在该工艺方案及成形参数设置下，能够实现轮毂轴承套圈的精锻成形，成形效果良好。可为实际生产过程工艺参数和模具设计提供理论指导。
　　参考文献
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