轿车轮毂轴承内圈热辗扩塑性变形有限元分析

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1、墨Q=!轴承2009年12期Bearing2009，No．1230—34CN41—1148／TH轿车轮毂轴承内圈热辗扩塑性变形有限元分析马国华，樊静波(1．兰州理工大学机电工程学院，兰州730050；2．宁夏大学机械工程学院，银川750021)摘要：对GCrl5钢制轮毂轴承内圈锻件毛坯在立式辗环机上热辗扩成形中的应力应变分布进行了刚粘塑性有限元计算，得到了在真实径向辗扩压力和进给速度下该内圈材料的应力、应变、流动速度分布等宏观物理参量，设计了具有优良成形性能的内锥孔内圈锻件毛坯；并深入研究了内圈锻件在热辗扩中的塑性变形规律及其成形特点

2、，对锻造毛坯优化设计及热辗扩工艺的稳定性控制具有借鉴意义。关键词：轮毂轴承；内圈；热辗扩；刚粘塑性变形；有限元中图分类号：TH133．33’2；TG376．2文献标志码：A文章编号：1000—3762(2009)12—0030—05轿车工业的发展，对其轮毂轴承单元提出了辗扩成形工艺进行了数值模拟并研究了成形性能。高的寿命、可靠性、刚度及智能化、轻量化的技术1内圈锻造成形工艺要求与发展趋势⋯。作为后续制造工艺的基础，影响整套单元强度及刚度的套圈锻造技术及其工如图1所示为轿车轮毂轴承单元产品图。该艺控制水平就显得尤为重要。不同于其他无缝环

3、轮毂轴承为单外圈、双内圈大接触角的双列角接类零件，目前，滚动轴承套圈的锻造成形几乎都是触球轴承。该轴承内圈具有壁薄、几何精度高的利用辗环机在热态下辗扩完成的，显然它是多场技术特点，对冷、热加工技术要求高，属典型的外多因素相互耦合作用下复杂的非均匀塑性成形，台阶截面无缝环件。其锻造成形工艺为：下料，加认识掌握金属材料、几何与工艺参数等多因素耦热(1050—1110℃)，镦粗(始锻温度l050℃)，合作用对套圈等异形截面环件热辗扩成形的影响冲孔，胀孔制坯，整形平端面，辗扩成形(终锻温度规律并实现精确塑性成形是当前锻造技术的关键800℃)。

4、基础性研究课题J。基于计算机建模仿真技术，建立套圈锻件的虚拟热辗扩成形工艺和金属材料真实的应力应变场与流动速率的宏观模型，并结合理论与试验研究，将能够真正实现辗扩过程的稳定性与锻件的精确塑性成形，优化锻造毛坯工艺参数并掌握接触界面的摩擦特性及其行为表征，并且能够根本解决目前国内套圈锻造质量差、后续工序加工余量大、费时耗材、产品工序能力指数低的问题J。目前国内学者较多集中于轴承套圈冷辗扩的模拟分析，而对轴承的热辗扩数值模拟分析较少。文献[4]建立了轴承套圈热辗扩过程的热、力耦合有限元计算模型，主要模拟计算了温度场的分布问题。文献[5]从

5、理论上建立了符合实际的基于不完全变分原理的刚粘塑性材料的1一外圈；2一钢球；3一组合密封圈；4一内圈；5—保持架能量泛函并给出了显式计算方法。本文以轿车轮图1轿车轮毂轴承单元毂轴承内圈为对象，以锻造温度下GCrl5轴承钢材料模型为基础，建立了刚粘塑性有限元模型，对其热2刚粘塑性材料流动的基本方程及不完全广义变分原理收稿日期：2009—09—26；修回日期：2009—11—17基金项目：宁夏自然科学基金资助项目(NZ0723)从金属塑性流动及力能参数演变分析，环件马国华等：轿车轮毂轴承内圈热辗扩塑性变形有限元分析热辗扩具有三维变形、连续

6、渐变、非对称、非线性、E(毒)上杏d上d否(3)非稳态等特点。除材料的粘塑性非线性特性外，(3)式代人(2)式并取一阶变分后求驻值得变形区及几何边界呈现强烈的大变形几何非线性和接触状态非线性而且相互耦合。由此决定了环8H=J8E(言)8毒dv一O8l’idJr1件热辗扩工艺过程及系统的菲自治性。因而应考』虑计人材料的塑性流动应变速率与温度效应以准=J8否d”一Jp78vd厂J确表征其本构关系和强化特性。=0(4)在热塑性体积成形加工中，因为相比于塑性(4)式即为屈服准则与硬化规律服从的刚粘塑性应变，弹性应变是更高阶的小量，同时又因弹性

7、是材料动态变形场的能量泛函的完全广义变分。变与时间无关的，故采用忽略弹性小变形的刚粘塑分方程的解即为满足几何条件、边界条件的真实性材料模型。这种处理不仅可使问题有效简化，速度场。采用拉格朗日乘子法或罚函数法将体积而且又因计入了高温(蠕变现象)与高应变速率效不可压缩条件引入泛函(2)式，以构造基于不完全应所产生的材料粘性阻尼，所以能够真实描述热变分原理的新泛函，对新泛函变分取其驻值就得辗扩金属材料的本构规律及其应力应变场分布。到～组以节点速度分量为未知数的非线性方程粘塑性是与时间相关的一种材料非线性性能，其组，从而建立基于(2)式的刚粘

8、塑性有限元计算介质总应力为对应的塑性应力与粘性阻尼所产生式。采用Newton—Raphson迭代法对方程组进行的应力组合。与该模型相对应的有限元解法便称迭代求解，就可得到材料变形的速度场，根据此速为刚粘塑性有限元法。该计