汽車輪轂軸承單元軸端鉚合有限元分析

牛榮軍，李文灑，康乃正，鄧四二

(1.河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.浙江兆豐機(jī)電股份有限公司，杭州 311232)

隨著我國(guó)汽車制造業(yè)的不斷發(fā)展，汽車零部件的需求量隨之加大，特別是汽車輪轂軸承，其制造水平直接影響汽車輪轂的旋轉(zhuǎn)精度[1]。在傳統(tǒng)輪轂軸承單元的設(shè)計(jì)中，2個(gè)內(nèi)圈通過鎖緊螺母牢固地連接在一起，但是這種結(jié)構(gòu)存在裝配復(fù)雜、內(nèi)圈小、擋邊擠壓變形、預(yù)緊力下降或消失等缺陷。近年來，隨著前置前驅(qū)動(dòng)轎車的飛速發(fā)展，輪轂軸承發(fā)生了很大變化，新型輪轂軸承單元不斷涌現(xiàn)。第3代輪轂軸承現(xiàn)階段生產(chǎn)與使用量相對(duì)較多，它不同于傳統(tǒng)的鎖緊螺母結(jié)構(gòu)，而是采用翻邊鉚合結(jié)構(gòu)以克服上述不足。除此之外，第3代輪轂軸承還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

目前，我國(guó)大部分企業(yè)的第3代汽車輪轂軸承生產(chǎn)技術(shù)仍不成熟，一些比較核心的生產(chǎn)工藝仍處于探索階段。第3代汽車輪轂軸承的生產(chǎn)裝配是通過鉚合機(jī)將芯軸端部鉚合成形來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎖緊螺母。下文將以軸端鉚合的彈塑性成形為研究對(duì)象，基于擺動(dòng)輾壓理論，建立輪轂軸承鉚合成形的有限元模型，對(duì)第3代輪轂軸承鉚合過程中的變形特征、應(yīng)力、應(yīng)變以及鉚頭壓力進(jìn)行系統(tǒng)研究，并與實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而闡述輪轂軸承鉚合變形的機(jī)理。

1 擺動(dòng)輾壓及鉚合成形理論

輪轂軸承鉚合技術(shù)多采用回旋式鍛壓或搖擺模鍛技術(shù)[3-5]。鉚合原理為：鉚頭與輪轂軸圓柱形端頭之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使軸端形成規(guī)定的形狀，鉚頭圍繞中心O點(diǎn)在輪轂軸上方作軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)鉚頭壓入輪轂軸時(shí)，輪轂軸逐漸被旋壓成虛線形狀(圖1)。由于鉚頭的運(yùn)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜，芯軸塑性變形量大，在實(shí)際加工鉚合過程中容易出現(xiàn)翻邊結(jié)構(gòu)開裂、表面擦傷和鉚頭磨損等諸多問題。

圖1 輪轂軸承鉚合原理圖

為確保與輪轂芯軸接觸的瞬間鉚頭在芯軸上做純滾動(dòng)，鉚頭必須有2個(gè)方向的速度：繞自身對(duì)稱中心線旋轉(zhuǎn)的速度vd(即鉚頭轉(zhuǎn)速)和繞芯軸中心線旋轉(zhuǎn)的速度vw(即主軸轉(zhuǎn)速)，且兩者必須滿足[6]

(1)

式中：θ為鉚頭傾角。

2 鉚合有限元模型的建立

由于汽車輪轂軸承鉚合工藝涉及材料大變形的工藝過程，普通的靜力學(xué)分析軟件滿足不了要求，而DEFORM軟件是基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)[7]，專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過程中的三維流動(dòng)，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，如成形過程中的材料流動(dòng)和溫度變化。因此，采用DEFORM-3D研究汽車輪轂軸承鉚合時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變及流動(dòng)。為確保模型與實(shí)際生產(chǎn)的準(zhǔn)確聯(lián)系，模擬工藝參數(shù)見表1。

表1 汽車輪轂軸承鉚合工藝參數(shù)

由于DEFORM-3D幾何建模功能的局限性，首先在三維繪圖軟件Inventor中建立分析的幾何模型，經(jīng)轉(zhuǎn)換為STL文件后導(dǎo)入DEFORM-3D軟件。為了運(yùn)算方便，只截取輪轂軸承芯軸的有效部分導(dǎo)入軟件進(jìn)行分析，劃分網(wǎng)格后，芯軸的單元數(shù)為188 000左右，芯軸有限元模型如圖2所示。假定鉚頭和內(nèi)圈為剛性體，裝配完成后的模型如圖3所示。其中，芯軸材料為55#鋼，由于輪轂軸承鉚合屬于冷擺輾，故其原始溫度為室溫，分析中采用材料數(shù)據(jù)庫中的DIN-C60[70F(20C)]材料進(jìn)行成形分析，其性能與芯軸材料55#鋼相近，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

圖2 輪轂芯軸有限元模型

圖3 汽車輪轂軸承鉚合塑性成形分析模型

圖4 DIN-C60材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3 鉚合變形特征與應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 變形特征

汽車輪轂軸承鉚合成形過程可以分為4個(gè)階段(圖5)。(1)啟動(dòng)階段。鉚頭與工件的運(yùn)動(dòng)和成形如圖1所示，為了使鉚頭與成形工件產(chǎn)生局部回轉(zhuǎn)成形，鉚合機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸與鉚頭軸線成5°夾角。在鉚合機(jī)啟動(dòng)階段，鉚頭繞其自身軸線的運(yùn)動(dòng)速度隨主軸的啟動(dòng)而逐漸增加，直至與主軸速度相等。(2)鉚合階段。由于鉚頭固定支承結(jié)構(gòu)的作用，當(dāng)鉚頭接觸工件時(shí)，兩者具有相對(duì)速度(產(chǎn)生摩擦)，隨著鉚頭的不斷下壓，相對(duì)速度很快趨近于零，即接觸一段時(shí)間后，鉚頭在與芯軸接觸的地方做相對(duì)純滾動(dòng)。鉚合階段，鉚頭繞其自身軸線的運(yùn)動(dòng)速度為零。(3)精整階段。在鉚頭行程到最低點(diǎn)位置處，維持鉚頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一定時(shí)間，平整鉚合區(qū)域，以使芯軸鉚合部位鉚合均勻。(4)分離階段。鉚頭與芯軸分離后，由于沒有工件與之接觸，鉚頭繞其自身軸線的運(yùn)動(dòng)速度又逐漸增加至與主軸速度相等。

圖5 汽車輪轂軸承鉚合成形過程

由圖5可知，隨著鉚頭不斷擺輾，芯軸突出段被逐漸輾壓直至將內(nèi)圈牢牢固定。由于鉚合階段是整個(gè)鉚合過程中金屬流動(dòng)最大的階段，也是鉚合過程最重要的階段，因此主要分析鉚合階段芯軸的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。

3.2 應(yīng)變場(chǎng)特征

輪轂軸承芯軸鉚合不同階段的等效應(yīng)變分布如圖6所示，芯軸受到鉚頭作用而產(chǎn)生變形，逐漸向內(nèi)圈貼合，最終達(dá)到要求形狀。

圖6 鉚合不同階段等效應(yīng)變分布

由于芯軸下段的變形量微小，故只對(duì)芯軸上段大變形部分進(jìn)行分析(圖7)，將大變形區(qū)劃分為如圖7所示的5個(gè)區(qū)域。通過等效應(yīng)變分布圖的不同階段可以得出：在鉚合過程中，與鉚頭接觸的只有A和B區(qū)，鉚頭首先接觸A區(qū)，然后逐漸與B區(qū)接觸，所以這2個(gè)區(qū)域壓應(yīng)變較大；C區(qū)主要受到拉應(yīng)變作用；最大應(yīng)變出現(xiàn)在內(nèi)部中心區(qū)，這是因?yàn)橹行膮^(qū)域不但受到很大的拉應(yīng)變，同時(shí)由于金屬流動(dòng)比較劇烈而受到大量的剪應(yīng)變；F區(qū)由于內(nèi)圈的擠壓并阻止其金屬流動(dòng)而受壓應(yīng)變；輪轂其他未鉚合區(qū)域應(yīng)變較小，在成形過程中鉚合未對(duì)其造成影響。

圖7 大變形分區(qū)圖

3.3 應(yīng)力場(chǎng)特征

鉚合不同階段的等效應(yīng)力分布如圖8所示。與等效應(yīng)變分布區(qū)域大致相同，只關(guān)心芯軸上段部分的等效應(yīng)力分布，下段在變形中應(yīng)力分布比較均勻而且變化不大，最大達(dá)到600 MPa。在t=0～8 s時(shí)間段內(nèi)，芯軸的最大等效應(yīng)力總是位于與鉚頭直接接觸處，最大等效應(yīng)力值為861 MPa。在t=8～10 s時(shí)間段內(nèi)，即鉚合的精整成形階段，可以明顯看出，芯軸端部發(fā)生劇烈塑性變形，中心區(qū)域等效應(yīng)力值達(dá)到最大904 MPa；同時(shí)內(nèi)圈也由于鉚合區(qū)域的下壓而產(chǎn)生應(yīng)力的增加，對(duì)軸承內(nèi)圈產(chǎn)生預(yù)緊作用。

圖8 鉚合不同階段等效應(yīng)力分布

3.4 芯軸特征區(qū)域點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變

實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，芯軸的大變形區(qū)域(5個(gè))容易發(fā)生鉚合裂紋甚至開裂，因此，在5個(gè)區(qū)域內(nèi)各自選取特征點(diǎn)(圖9)進(jìn)行分析。

圖9 特征點(diǎn)的選取

P1～P5各點(diǎn)在鉚合過程中的等效應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖10所示。由圖可知，在變形初期，P2點(diǎn)的變形趨勢(shì)最明顯，這是因?yàn)殂T頭此時(shí)始終接觸鉚合B區(qū)的緣故，而其他各點(diǎn)的變形相對(duì)較難，這與冷擺輾的特征相吻合。變形后期，P5點(diǎn)受到擠壓變形加快，P1和P2點(diǎn)已充分與鉚頭接觸，所以變形趨勢(shì)不明顯，而P3與P4點(diǎn)在鉚合過程中一直處于不利變形區(qū)。

圖10 鉚合特征點(diǎn)的等效應(yīng)變曲線

各鉚合特征點(diǎn)的等效應(yīng)力曲線如圖11所示。由圖可知，鉚合前期階段由于芯軸上段在軸向沒有受到內(nèi)圈的作用，所以應(yīng)力變化趨勢(shì)平緩；鉚合精整階段受到內(nèi)圈的軸向反力，應(yīng)力變化較大，與內(nèi)圈貼合的P5點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生急劇變化；成形結(jié)束后，各個(gè)點(diǎn)的等效應(yīng)力又恢復(fù)到前期水平。其中，P5點(diǎn)是該過程中最危險(xiǎn)的點(diǎn)，即F區(qū)在鉚合變形中最易開裂。

圖11 鉚合特征點(diǎn)的等效應(yīng)力曲線

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真的適用性，將實(shí)際鉚合加工數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)際加工采用自動(dòng)化鉚合設(shè)備，測(cè)試鉚合過程鉚頭所受軸向力的數(shù)據(jù),擬合曲線與DEFORM-3D仿真得到鉚頭所受軸向力曲線對(duì)比如圖12所示，產(chǎn)品切樣和仿真切樣對(duì)比如圖13所示。仿真曲線趨勢(shì)與實(shí)際試驗(yàn)較為吻合，區(qū)別是仿真開始時(shí)鉚頭的速度沒有從633 r/min降低為0的過程，而是直接從0開始，仿真結(jié)束時(shí)鉚頭沒有快速遠(yuǎn)離芯軸端部的過程。結(jié)合切樣觀察，用仿真分析的方法來預(yù)測(cè)鉚合形狀及預(yù)判鉚合失效點(diǎn)的位置是可行的。

圖12 鉚頭受軸向力曲線對(duì)比

圖13 鉚合區(qū)仿真與實(shí)際切樣對(duì)比

5 結(jié)論

(1)可以將鉚合過程分為4個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段、鉚合階段、精整階段和分離階段，其中鉚合階段與精整階段是產(chǎn)生裂紋及開裂的高發(fā)階段。

(2)采用DEFORM塑性成形分析軟件對(duì)鉚合過程進(jìn)行了仿真分析，得出了鉚合過程等效應(yīng)力應(yīng)變分布情況。

(3)對(duì)鉚合變形處5個(gè)重要區(qū)域內(nèi)的5個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，F(xiàn)區(qū)在鉚合變形中開裂性最大。

(4)由鉚合區(qū)域切樣與仿真結(jié)果對(duì)比可知，用仿真分析方法來預(yù)測(cè)鉚合形狀及預(yù)判鉚合失效點(diǎn)的位置是可行的。