輪轂軸承是一個非常重要的汽車零部件，其主要作用是承重和為輪轂的傳動提供精確引導(dǎo)。乘用車輪轂軸承經(jīng)歷了一、二代的發(fā)展，現(xiàn)在主流車型全面使用三代輪轂軸承，三代輪轂軸承單元是由一個帶凸緣的內(nèi)圈和一個帶異形外盤的外圈組裝而成（圖1），強(qiáng)度要求較高。該系列產(chǎn)品內(nèi)、外圈采用精密模鍛工藝生產(chǎn)，具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、材料利用率高和自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1　三代輪轂軸承單元

　　隨著乘用車型不斷升級發(fā)展，三代輪轂軸承的品種日益增多，形狀與結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化，常規(guī)的三代輪轂軸承內(nèi)、外圈的精鍛工藝存在部分模具壽命低和工藝缺陷等問題。本文分析了某合資品牌新型三代輪轂軸承內(nèi)、外圈精鍛工藝中模具壽命及工藝缺陷問題，運(yùn)用DEFORM-3D對該輪轂軸承內(nèi)、外圈鍛造過程進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得鍛造成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布場和材料流動狀態(tài)及模具的受力狀態(tài)，分析出問題產(chǎn)生的原因及工藝改善的方向。通過工藝的改善實施，得到很好的效果，最終確定量產(chǎn)工藝的優(yōu)化方式。

　　三代輪轂軸承外圈精鍛成形模具壽命問題分析
　　問題描述
　　某型號輪轂軸承外圈（圖2）采用自動上料加熱中頻爐、步進(jìn)梁式機(jī)械手、在1000t多工位熱模鍛壓力機(jī)上精密熱鍛成形。
　　輪轂軸承外圈精鍛工序：下料→加熱→鐓坯→預(yù)制坯→終鍛成形→切邊→沖孔→控溫冷卻→等溫正火→拋丸→探傷→分檢打標(biāo)→清洗防銹→終檢→包裝入庫。該產(chǎn)品量產(chǎn)工藝生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，主要存在終鍛凹模凸耳根部開裂降低模具壽命的問題（圖3）。

圖2　某型號輪轂軸承外圈

 

圖3　終鍛凹模凸耳根部開裂

　　原因分析
　　運(yùn)用DEFORM-3D對輪轂軸承外圈精鍛成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，凹模材料采用常規(guī)的H13熱模鍛模具鋼材，模具使用時預(yù)熱到200～250℃，連續(xù)生產(chǎn)模具溫度400～500℃。得出在預(yù)鍛成形的基礎(chǔ)上，終鍛成形末期，模具型腔內(nèi)承受的壓力增大，凹模凸耳圓角根部承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力達(dá)到1980MPa（圖4）。
　　查閱H13模具鋼材高溫力學(xué)性能表（圖5），模具溫度在400～500℃范圍時，H13模具鋼抗拉強(qiáng)度在1380～1550MPa范圍內(nèi)，因凹模凸耳根部拉應(yīng)力1980MPa大于H13模具鋼抗拉強(qiáng)度1550MPa，可以判斷外圈終鍛成形凹模因此提前開裂失效。
　　終鍛成形凹模凸耳根部開裂原因如下：隨著模具型腔的閉合，金屬充滿型腔后，多余的金屬從橋部流出形成飛邊，此時成形力急劇增大，模具型腔內(nèi)壓同時增大，模具凸耳根部為弱處，拉應(yīng)力超過模具材料的強(qiáng)度極限值，出現(xiàn)開裂失效。

圖4　模具型腔應(yīng)力分布圖

 

圖5　H13模具鋼材高溫力學(xué)性能

　　解決思路
　　采用輪轂軸承外圈中空分流的鍛造成形工藝方案和預(yù)制坯優(yōu)化設(shè)計方法，增加預(yù)制坯上模芯的直徑尺寸φ1，使其大于成形上模芯直徑尺寸φ2，改變連皮厚度尺寸，同時在終鍛成形工序沖孔連皮上設(shè)置分流作用的容料槽（圖6）。

圖6　預(yù)制坯成形模具圖


 

圖7　主應(yīng)力分布圖

　　終鍛成形時凸模向下作用，分流面部位的金屬逐漸鐓粗壓縮成形，分流面以外的金屬向外沿凸耳方向充滿異形盤面及外部型腔，分流面以內(nèi)的金屬向內(nèi)側(cè)流動，使內(nèi)孔縮小連皮增厚，達(dá)到分流的效果。在有利于金屬充填質(zhì)量的前提下，降低成形力大小，降低凸耳根部的拉應(yīng)力值。
　　運(yùn)用DEFORM-3D對修改方案進(jìn)行數(shù)值模擬，從成形力量變化圖、流動速度對比圖、主應(yīng)力分布圖（圖7）可以得出，外圈終鍛凹模凸耳根部圓角處承受的拉應(yīng)力降至1160MPa，處于H13模具材料相同條件許用范圍。
　　三代輪轂軸承內(nèi)圈精鍛成形工藝問題分析
　　問題描述
　　某型號輪轂軸承內(nèi)圈，采用自動上料中頻加熱爐、步進(jìn)梁式機(jī)械手、1600t多工位熱模鍛壓力機(jī)精密熱鍛成形。精鍛工藝流程：下料→加熱→鐓坯→預(yù)制坯→終鍛成形→切邊→控溫冷卻→等溫正火→拋丸→探傷→分檢打標(biāo)→清洗防銹→終檢→包裝入庫。該量產(chǎn)工藝生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)過程質(zhì)量穩(wěn)定。經(jīng)大批量生產(chǎn)驗證，前期終鍛成形工序間斷出現(xiàn)上模沖孔中心縮孔現(xiàn)象（圖8）。
　　原因分析
　　運(yùn)用DEFPRM-3D對輪轂軸承內(nèi)圈精鍛成形工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，在現(xiàn)行預(yù)制坯形狀下，終鍛成形時，由于B區(qū)金屬的軸向壓應(yīng)力小，當(dāng)A區(qū)金屬往凹模孔流動時便拉著B區(qū)金屬一起流動，使其與上模芯端面分離并呈凹形，在徑向力的作用下形成縮孔（圖9）。
　　預(yù)制坯的方式導(dǎo)致制坯的形狀呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)制坯桿部的充填長度與終鍛溫度變化、模具潤滑、模具表面粗糙度等狀況密切相關(guān)。多次試驗得出，當(dāng)預(yù)制坯桿部長度低于一定值時，終鍛成形將出現(xiàn)中心縮孔風(fēng)險。

圖8　某型號輪轂軸承內(nèi)圈

 

圖9　預(yù)制坯圖

 

圖10　復(fù)合擠壓制坯方式

 

圖11　預(yù)鍛合模高度的選擇

　　解決思路
　　改變預(yù)制坯方式，控制預(yù)制坯桿部長度尺寸，增大終鍛成形時中心金屬的軸向壓應(yīng)力。
　　采用復(fù)合擠壓制坯方式（圖10），既能保證金屬沿軸向流動，達(dá)到控制預(yù)制坯桿部長度的目的，又可避免出現(xiàn)縱向毛刺，利于終鍛成形。
　　對改進(jìn)的預(yù)制坯進(jìn)行終鍛成形模擬分析，通過模擬可知終鍛時，金屬先充滿上模型腔，再逐漸充填凹模底部型腔和花瓣部分，最后凹模底部和花瓣部分幾乎同時填滿，整個過程未出現(xiàn)中心縮孔、折疊等缺陷，成形力可控。
　　對改進(jìn)的預(yù)制坯選擇合理的預(yù)鍛合模高度，在不同的預(yù)鍛合模高度下，模擬預(yù)鍛、終鍛充填情況及成形力，結(jié)果見圖11。從表1中可以看出，的行程L為166～169mm。
　　結(jié)論
　?、湃嗇炤S承外圈成形模具異常開裂問題，采用輪轂軸承外圈中空分流的鍛造成形工藝方案和預(yù)制坯優(yōu)化設(shè)計方法。增加預(yù)制坯上下模芯的直徑尺寸及改變連皮厚度尺寸，同時在終鍛成形工序沖孔連皮上設(shè)置分流作用的容料槽，達(dá)到終鍛成形分流，減小成形力的作用。凹模凸耳的拉應(yīng)力由1980MPa降到1160MPa，達(dá)到H13模具材料許用范圍，可以解決模具異常失效問題。
　　⑵三代輪轂軸承內(nèi)圈終鍛成形工序間斷出現(xiàn)上模中心縮孔現(xiàn)象，通過改變預(yù)制坯方式，控制預(yù)制坯桿部長度尺寸，增大終鍛成形時中心金屬的軸向壓應(yīng)力。采用復(fù)合擠壓制坯方式，達(dá)到控制預(yù)制坯桿部長度的目的，整個生產(chǎn)驗證過程未出現(xiàn)中心縮孔、折疊等缺陷。
　　作者簡介
　　蘇濤，技術(shù)副總，高級工程師，主要從事熱、溫、冷復(fù)合精鍛技術(shù)研究及管理工作，牽頭建成了“重慶市齒形零件精密成形工程技術(shù)研究中心”、“重慶大學(xué)創(chuàng)精溫鍛聯(lián)合研發(fā)中心”、“重慶市級企業(yè)技術(shù)中心”等多個研發(fā)平臺。負(fù)責(zé)組織研發(fā)30余項新品項目，完成了三百余個新產(chǎn)品的開發(fā)與量產(chǎn)，申報15項（發(fā)明5項）。主持完成《汽車變速器結(jié)合齒整體精密成形關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化》項目，獲得重慶市科技進(jìn)步三等獎。牽頭獲得重慶市科技技術(shù)成果4項、重慶市產(chǎn)品15項。

來源：《鍛造與沖壓》2019年第17期