輪轂軸承是汽車底盤關鍵性零件，起到支撐車身和轉動的作用?，F有工藝生產輪轂軸承法蘭盤和外圈異形件，產品易出現充填不滿等缺陷且模具壽命低。針對該問題，提出了新的法蘭盤多工位鍛造成形工藝和外圈異形件飛邊設計方案，并利用有限元軟件DEFORM-3D 對法蘭盤和外圈成形過程中的金屬流動規律、材料填充情況、成形力進行了數值模擬分析，最后設計了相應模具并進行試驗驗證：法蘭盤和外圈充填飽滿，尺寸符合圖紙要求，未出現鍛造缺陷。試驗結果表明該工藝具有可行性。

輪轂軸承是汽車底盤關鍵性零件，主要承受通過懸架系統傳遞而來的汽車重量(即徑向載荷)和汽車轉向產生的軸向載荷。輪轂軸承隨著汽車工業的發展不斷更新迭代，應用較為廣泛的第三代輪轂軸承單元如圖1 所示，軸承單元主要由外圈和法蘭盤組成，外圈通過螺栓固定在驅動軸上，法蘭盤將整個軸承安裝在一起。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

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圖1 三代輪轂軸承單元分解圖文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

蔣興奇等人從制造工藝、密封技術、使用性能等方面介紹了第三代輪轂軸承單元的研發成果和使用優勢。詹俊勇利用有限元軟件模擬分析了汽車輪轂軸承內外圈的鍛造過程，為鍛造工藝優化和模具設計提供了指導。劉楊提出了精密閉塞鍛造成形輪轂軸承單元，通過數值模擬分析優化了成形工藝參數，提高了材料利用率和模具壽命。許佩宜等人研究了淬火工藝參數對輪轂軸承法蘭內圈淬硬層和微觀組織的影響，確定了輪轂軸承法蘭內圈合理的感應熱處理工藝參數。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

本文以輪轂軸承單元法蘭盤和外圈異形件為研究對象，分別分析了兩個零件結構形狀特點，對法蘭盤現有的成形工藝進行改進，提出了一種多工位鍛造成形工藝；對外圈異形件飛邊進行了優化設計，確定了最佳的飛邊尺寸。利用有限元軟件對法蘭盤和外圈異形件的鍛造過程進行模擬分析，最后根據模擬結果進行模具設計和生產試制。本文研究對輪轂軸承單元鍛件的鍛造成形工藝具有一定的指導意義。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

成形工藝分析文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

輪轂軸承鍛件結構特征文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

輪轂軸承通過外圈凸緣實現支撐車身的功能，同時通過內圈法蘭盤和汽車輪轂相連接實現傳動，見圖2。其中，法蘭盤為圓盤形，外圈為三角狀異形件。法蘭盤為中空結構，該零件內孔不能直接鍛出，需設計合理連皮厚度后沖掉。外圈異形件采用開式鍛造，需要設計合理的飛邊結構，保證鍛件充滿完整且提高材料利用率。文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

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圖2 三代輪轂軸承單元鍛件文章源自好焊孫輝博客 http://www.4863x.com好焊孫輝-http://www.4863x.com/weldgyzb/autoyazhu2024111249.html

法蘭盤多工位鍛造工藝

輪轂軸承單元法蘭盤鍛件為適應輕量化需求，產品形狀趨于復雜化，傳統制造工藝采用鐓粗+終鍛兩工序成形，然而采用此種設計發現產品流線、填充效果以及模具壽命都相對較差。因此，提出了一種多工位成形工藝：鐓粗→正擠→預鍛→終鍛→沖孔，在熱模鍛壓力機上通過步進梁夾持搬送實現5 工位同步鍛造成形，如圖3 所示。

圖3 法蘭盤鍛造工藝流程圖

外圈異形件飛邊設計

目前輪轂軸承外圈異形件鍛件飛邊尺寸大，材料利用率低，對于飛邊余量過大的區域，材料流速快和速度梯度大均可能導致裂紋的產生。在實際生產中，應根據不同鍛件對各項工藝參數的不同要求，選擇合適的飛邊形狀。因此，設計了圖4 所示兩種形狀和尺寸的飛邊，分析金屬流動和鍛件充填情況。方案二設計飛邊阻流槽結構，其中飛邊厚度滿足b1 ＞b2 ＞b3，以阻止材料向飛邊流動過多；方案三減小下模模腔直徑，對產品最難充填位置的飛邊溢出量進行限制，同時保持飛邊完整及最小夾持所需寬度。

圖4 輪轂軸承外圈異形件飛邊設計方案

成形工藝數值模擬

數值模擬參數

為建立輪轂軸承鍛件成形工藝的有限元模型，在三維軟件中繪制出所需模具工作部分的三維模型，導入DEFORM-3D 中。法蘭盤和外圈材料都是SAE1055 碳素鋼，選用材料庫中模型。坯料溫度設置為1100℃，模具溫度設置為250℃，根據實際生產條件，選用曲柄壓力機并設置其運行參數，摩擦系數設為0.3，熱傳導系數設為5N/(s·mm·℃)?；隗w積不變原則，法蘭盤坯料設為直徑60mm、高度104mm 的圓柱棒料，網格數量劃分為100000；外圈異形件三種飛邊設計方案的坯料直徑為55mm，高度分別為79mm、76mm 和75mm，網格數量劃分為50000，模具設置為剛體。

法蘭盤成形模擬結果分析

在DEFORM-3D 后處理中觀察法蘭盤成形過程，如圖5 所示。鐓粗階段，圓柱坯料受到上模壓力產生塑性變形，坯料鐓粗出現鼓形。正擠階段，鼓形坯料在上模的壓力下發生正擠壓，在上端面成形定位孔。預鍛階段，坯料在上模壓力下中部產生鐓粗變形，坯料半徑逐漸增大到與模壁接觸，上沖頭將坯料擠壓出深孔，坯料下端擠入下凹模。終鍛階段，上模下壓，坯料快速充滿模腔，上沖頭在坯料上端成形出臺階深孔，法蘭盤完全成形。最終鍛件形狀充填飽滿，無鍛造缺陷，形狀和尺寸滿足設計要求。

圖5 法蘭盤多工步鍛造數值模擬結果

多工位連續鍛造過程的凸模載荷如圖6 所示，鐓粗階段成形力為25.6t，正擠階段成形力為89.6t，預鍛階段成形力為352t，終鍛階段成形力為761t，為成形設備選取提供參考。

圖6 法蘭盤多工步鍛造凸模載荷

外圈異形件成形模擬結果分析

輪轂軸承單元外圈異形件三種飛邊設計方案模擬結果如圖7 所示。原始設計方案上模運行到指定行程時，鍛件三角處未充滿，繼續下行0.2mm，產品三角處充滿，成形力為769t。方案二上模運行到指定行程時，鍛件三角處充填完整，成形力為694t。方案三上模到達指定行程，鍛件三角處充填完整，成形力為716t。

圖7 飛邊優化設計方案模擬結果

方案三與方案二相比，最大與最小處飛邊寬度均縮小，單件重量可降低60g 左右，所需成形力降低，三角難充滿處更易充滿。方案三與方案二相比最大與最小處飛邊寬度縮小，單件重量可降低90g，所需成形力降低，鍛件充填完整，無鍛造缺陷。對比結果如表1 所示，以實現搬運自動化以及提升材料利用率的目的，選擇方案三進行生產試制。

表1 飛邊優化設計方案對比

工藝試驗

在圖8 所示2500t 多工位壓機上進行法蘭盤和外圈異形件的生產試制，將坯料加熱至1100℃后經傳送帶輸送到壓機上進行多工位連續鍛造生產。

圖8 2500t 多工位壓機

圖9 所示為法蘭盤棒料及5 個工位的實物照片，坯料發生鐓粗、正擠、預鍛、終鍛和沖孔，從實物狀態來看，各工步充滿良好。

圖9 法蘭盤各工序鍛造實物

外圈鍛件實物及優化設計前后飛邊重量對比見圖10，鍛件三角處充滿完整，無鍛造缺陷。現有設計飛邊重量為247g，優化設計后飛邊重量為156g，降低了成形力，提高了材料利用率。

圖10 輪轂軸承外圈鍛件及優化前后飛邊質量

輪轂軸承鍛后溫度920 ～960℃，由輸送帶傳遞到網帶爐爐口，經離心風機強制冷卻至500 ～600℃，完成珠光體轉變。余溫正火后得到的組織為片狀珠光體和條狀鐵素體，基體硬度可達250 ～265HBW，晶粒度≥4 級。在鍛件上取樣進行拉伸測試，屈服強度可達464MPa，抗拉強度可達847MPa，滿足設計要求。

結束語

⑴通過有限元模擬，確定了輪轂軸承單元法蘭盤的多工位鍛造工藝，優化設計了外圈異形件飛邊結構。

⑵通過試驗驗證，建立了穩定的成形工藝參數和可靠性較高的模具結構，試驗鍛件充填飽滿，無鍛造缺陷。優化后外圈飛邊質量降低91g，提高了材料利用率。