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 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.浙江兆豐機電股份有限公司，杭州 311232)

隨著我國汽車制造業的不斷發展，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精度[1]。在傳統輪轂軸承單元的設計中，2個內圈通過鎖緊螺母牢固地連接在一起，但是這種結構存在裝配復雜、內圈小、擋邊擠壓變形、預緊力下降或消失等缺陷。近年來，隨著前置前驅動轎車的飛速發展，輪轂軸承發生了很大變化，新型輪轂軸承單元不斷涌現。第3代輪轂軸承現階段生產與使用量相對較多，它不同于傳統的鎖緊螺母結構，而是采用翻邊鉚合結構以克服上述不足。除此之外，第3代輪轂軸承還具有結構簡單、質量輕、成本低等優點[2]。

目前，我國大部分企業的第3代汽車輪轂軸承生產技術仍不成熟，一些比較核心的生產工藝仍處于探索階段。第3代汽車輪轂軸承的生產裝配是通過鉚合機將芯軸端部鉚合成形來代替傳統的鎖緊螺母。下文將以軸端鉚合的彈塑性成形為研究對象，基于擺動輾壓理論，建立輪轂軸承鉚合成形的有限元模型，對第3代輪轂軸承鉚合過程中的變形特征、應力、應變以及鉚頭壓力進行系統研究，并與實際生產進行對比，進而闡述輪轂軸承鉚合變形的機理。

1 擺動輾壓及鉚合成形理論

輪轂軸承鉚合技術多采用回旋式鍛壓或搖擺模鍛技術[3-5]。鉚合原理為：鉚頭與輪轂軸圓柱形端頭之間的相對旋轉運動使軸端形成規定的形狀，鉚頭圍繞中心O點在輪轂軸上方作軌跡運動，當鉚頭壓入輪轂軸時，輪轂軸逐漸被旋壓成虛線形狀(圖1)。由于鉚頭的運動相對復雜，芯軸塑性變形量大，在實際加工鉚合過程中容易出現翻邊結構開裂、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，鉚頭必須有2個方向的速度：繞自身對稱中心線旋轉的速度vd(即鉚頭轉速)和繞芯軸中心線旋轉的速度vw(即主軸轉速)，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，普通的靜力學分析軟件滿足不了要求，而DEFORM軟件是基于工藝模擬系統的有限元系統[7]，專門設計用于分析各種金屬成形過程中的三維流動，提供極有價值的工藝分析數據，如成形過程中的材料流動和溫度變化。因此，采用DEFORM-3D研究汽車輪轂軸承鉚合時內部的應力應變及流動。為確保模型與實際生產的準確聯系，模擬工藝參數見表1。

表1 汽車輪轂軸承鉚合工藝參數

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，經轉換為STL文件后導入DEFORM-3D軟件。為了運算方便，只截取輪轂軸承芯軸的有效部分導入軟件進行分析，劃分網格后，芯軸的單元數為188 000左右，芯軸有限元模型如圖2所示。假定鉚頭和內圈為剛性體，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，分析中采用材料數據庫中的DIN-C60[70F(20C)]材料進行成形分析，其性能與芯軸材料55#鋼相近，應力-應變曲線如圖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材料應力-應變曲線

3 鉚合變形特征與應力應變分析

3.1 變形特征

汽車輪轂軸承鉚合成形過程可以分為4個階段(圖5)。(1)啟動階段。鉚頭與工件的運動和成形如圖1所示，為了使鉚頭與成形工件產生局部回轉成形，鉚合機旋轉主軸與鉚頭軸線成5°夾角。在鉚合機啟動階段，鉚頭繞其自身軸線的運動速度隨主軸的啟動而逐漸增加，直至與主軸速度相等。(2)鉚合階段。由于鉚頭固定支承結構的作用，當鉚頭接觸工件時，兩者具有相對速度(產生摩擦)，隨著鉚頭的不斷下壓，相對速度很快趨近于零，即接觸一段時間后，鉚頭在與芯軸接觸的地方做相對純滾動。鉚合階段，鉚頭繞其自身軸線的運動速度為零。(3)精整階段。在鉚頭行程到最低點位置處，維持鉚頭運動狀態一定時間，平整鉚合區域，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動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圈牢牢固定。由于鉚合階段是整個鉚合過程中金屬流動最大的階段，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力應變規律。

3.2 應變場特征

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

圖6 鉚合不同階段等效應變分布

由于芯軸下段的變形量微小，故只對芯軸上段大變形部分進行分析(圖7)，將大變形區劃分為如圖7所示的5個區域。通過等效應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，鉚頭首先接觸A區，然后逐漸與B區接觸，所以這2個區域壓應變較大；C區主要受到拉應變作用；最大應變出現在內部中心區，這是因為中心區域不但受到很大的拉應變，同時由于金屬流動比較劇烈而受到大量的剪應變；F區由于內圈的擠壓并阻止其金屬流動而受壓應變；輪轂其他未鉚合區域應變較小，在成形過程中鉚合未對其造成影響。

圖7 大變形分區圖

3.3 應力場特征

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

圖8 鉚合不同階段等效應力分布

3.4 芯軸特征區域點的應力應變

實際生產中發現，芯軸的大變形區域(5個)容易發生鉚合裂紋甚至開裂，因此，在5個區域內各自選取特征點(圖9)進行分析。

圖9 特征點的選取

P1～P5各點在鉚合過程中的等效應變隨時間的變化趨勢如圖10所示。由圖可知，在變形初期，P2點的變形趨勢最明顯，這是因為鉚頭此時始終接觸鉚合B區的緣故，而其他各點的變形相對較難，這與冷擺輾的特征相吻合。變形后期，P5點受到擠壓變形加快，P1和P2點已充分與鉚頭接觸，所以變形趨勢不明顯，而P3與P4點在鉚合過程中一直處于不利變形區。

圖10 鉚合特征點的等效應變曲線

各鉚合特征點的等效應力曲線如圖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圈的作用，所以應力變化趨勢平緩；鉚合精整階段受到內圈的軸向反力，應力變化較大，與內圈貼合的P5點應力發生急劇變化；成形結束后，各個點的等效應力又恢復到前期水平。其中，P5點是該過程中最危險的點，即F區在鉚合變形中最易開裂。

圖11 鉚合特征點的等效應力曲線

4 試驗驗證

為了驗證仿真的適用性，將實際鉚合加工數據與仿真結果進行對比。實際加工采用自動化鉚合設備，測試鉚合過程鉚頭所受軸向力的數據,擬合曲線與DEFORM-3D仿真得到鉚頭所受軸向力曲線對比如圖12所示，產品切樣和仿真切樣對比如圖13所示。仿真曲線趨勢與實際試驗較為吻合，區別是仿真開始時鉚頭的速度沒有從633 r/min降低為0的過程，而是直接從0開始，仿真結束時鉚頭沒有快速遠離芯軸端部的過程。結合切樣觀察，用仿真分析的方法來預測鉚合形狀及預判鉚合失效點的位置是可行的。

圖12 鉚頭受軸向力曲線對比

圖13 鉚合區仿真與實際切樣對比

5 結論

(1)可以將鉚合過程分為4個階段：啟動階段、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生裂紋及開裂的高發階段。

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

(3)對鉚合變形處5個重要區域內的5個特征點進行了對比，F區在鉚合變形中開裂性最大。

(4)由鉚合區域切樣與仿真結果對比可知，用仿真分析方法來預測鉚合形狀及預判鉚合失效點的位置是可行的。