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年第十一届塑性成形技术国际会议



名古屋会议中心，名古屋，日本装配式轮毂轴承组件的有限元分析模型

作者：

摘要：

在本篇文章中，我们将会展现一个实现摆动辗压（利用一个绕中心迅速滚动的圆锥上模摆头对金属毛坯端面局部加压，使其逐步成形的一种回转成形工艺。）锻造装配的轮毂轴承组件的有限元分析（利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。）模型。分析模型是又两个对称的人工平面组成的，目的是以此减少模拟的过程中的计算所需的时间。摆动辗压的过程中我们将会模拟不同的°、°和°的模型来验证目前的有限元分析模型。同时在对称平面中的实验与预测比较得出，中间平面的预测的结果和所有情况下的与对称平面相反的实验结果都是吻合的。因此，度的分析模型，可以保证所有的计算效率和解决方案的可靠性。通过目前的有限元分析模型，一小时的计算机计算时间足够在摆动辗压的轮毂轴承装配的过程中获得对研究有价值的信息。

介绍

我们以前的轮毂（又叫轮圈、轱辘、胎铃，是轮胎内廓支撑轮胎的圆桶形的、中心装在轴上的金属部件。轮毂根据直径、宽度、成型方式、材料不同种类繁多。）轴承组件的组装要通过使用很复杂的方法来完成，而且这种方法是非常的依赖于操作人员的手工经验的。因此安装这种组件的组装公差（实际参数值的允许变动量。参数，既包括机械加工中的几何参数，也包括物理、化学、电学等学科的参数。所以说公差是一个使用范围很广的概念。对于机械制造来说，制定公差的目的就是为了确定产品的几何参数，使其变动量在一定的范围之内，以便达到互换或配合的要求。）为了适应操作的误差而一变再变。摆动辗压技术被运用到轮毂轴承组件的过程经历了相当长的时间。开发轴连接技术的目的就是满足客户对产品重量轻的技术要求和对轮毂轴承性能改进加强的质量要求。不同的是，与一般普通的锻造方法相比较，摆动辗压锻造的方法需要大量的机械结构装配时间。但同时，与普通锻造（锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压（锻造与冲压）的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。）相比，摆动辗压技术相先进的是，使用摆动辗压技术需要的成型载荷远远小于其他普通的锻压技术，摆动辗压技术的这一优点也使得精密装配成为可以实现的事情。理所当然的，由于使用摆动碾压锻造技术需要太长的装配时间，为了改变这个缺点，有另外一种可以节约时间的直接锻造的方法被研究出来，但是这种方法因为对控制的载荷精度要求太高和它的轮毂轴承频繁的断裂等问题所以失败了。

轮毂轴承组件的装配过程受多种因素的影响，特别是包括模具的几何形状、进给速度、材料的初始形状和材料的冶金状态这几种重要的因素，同时，我们所知道的是，这几种重要因素之间互相也有影响。因此为了去更加清楚的去了解这个装配过程，知道如何找到一个系统而科学的方法去判断它们之间的情况并揭示他们之间的关系是很有必要的，也是必须需要实现的。从一个工艺设计工程师的角度来看，一些重要的因素包括塑性变形发生过程中的中心位置、一些有关韧性断裂会发生在中心末端的可能性的地方的信息和推动力量的轮毂轴承单元，相互之间已然会存在着复杂的耦合关系。当然，金属成形模拟技术可能是按需要改变的，特别是为了用来满足工艺设计工程师的各种需要的时候。

我们收集了一些研究人员研究了摆动辗压成形过程的实验和预测，下面来举例说一下：等人年等人年等人年等人年年和年等人年等人年等人年等人年等人年。然而，其中的一些研究人员的研究技术（比如：等人年等人年等人年），应用了这项技术去预测和模拟轮毂轴承组件的摆动辗压锻造过程中发生的塑性变形。有的研究人员比如等人在年通过使用动态分析软件对车轮轮毂轴承组件施加给定的力进行了分析，成功预测了夹紧力，但是不足的是它们并没有提及摆动辗压锻造过程中材料本身的塑性变形这一因素。等人在年采用了他们设计的所谓的刚性超级单元方案，通过模拟类似的锻压轨道，在材料形成过程中，大大减少了计算的时间，但是这种预测方式看起来并没有完全匹配和考虑到所有的元素。

尽管许多研究人员对这个摆动辗压技术有着显著的研究贡献，但是仍然有一些很强大的障碍，使金属成形工艺设计工程师很难以去模拟用摆动辗压锻造工艺去装配的轮毂轴承组件这种过程。同时，有一点需要强调的是，这个过程必须需要很长的计算的时间去控制和引导在整个摆动辗压锻造的循序渐进的成形过程中的模拟和求解（等人，年）。最近不久，等人在年开发研究了一种可以运用某种设计好了的对称的人工平面的方法来模拟摆动辗压的渐进的成形过程，并利用其显示了，这种预测解决的方案在定义的人工平面的对称性中，可以充分的使塑性变形（塑性变形是物质包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。）只发生在中间平面（垂直于蜗轮轴线并包含蜗杆副连心线的平面。当蜗杆与蜗轮的轴线呈直角交错时，蜗杆轴线在中间平面内。）上发生接触的局部区域，同时说明这种方案是可行的。

在本篇文章中，提出了一种用于制造轮毂轴承组件的摆动辗压锻造的分析模型，提出了一种基于对称的人工平面的方法和另一种预测的方法相比较的实验。

装配轮毂轴承总成的有限元分析模型

如下图，这幅图展示的是制造的轮毂轴承组件的方法的示意图。在本文的研究中，该装配形成的组件是由一个经过普通锻造和轮毂轴承加工的轮毂组件装配而成的冷辗压机组。而下图所展示的是摆动辗压锻造工艺在组装过程中的轮毂作用机理和轮毂轴承单元。在实施装配的过程中，如果操作时过度的施加负载，轴承单元就有可能会断裂导致失败。同时，除此之外，在装配过程中应该赋予的轮毂轴承的可以预载（在施加“使用”载荷（外部载荷）前，通过相对于另一轴承的轴向调整而作用在轴承上的力，或由轴承内滚道与滚动体的尺寸形成“负游隙”（内部预载荷）而产生的力。）很强的压载力的性能，因为这种组件的性能可以影响的装配的磨损特性（磨损是零部件失效的一种基本类型。通常意义上来讲，磨损是指零部件几何尺寸（体积）变小。零部件失去原有设计所规定的功能称为失效。失效包括完全丧失原定功能；功能降低和有严重损伤或隐患，继续使用会失去可靠性及安全性和安全性。）。因此在装配过程中，我们应适当控制成形载荷，以使装配更好的进行。除此此外，装配过程中，因为在所需组件的圆周方向上末端的中心是细长的，会由于累积的损伤，这个末端有时会应为暴露在外而产生韧性断裂（构件经过大量变形后发生的断裂。主要条件是超过工作压力，主要特征是发生了明显的宏观塑性变形（不包括压缩失稳），且产生延性断裂。如杆件的过量伸长或弯曲、容器的过量鼓胀。断口的尺寸（如直径、厚度）比原始尺寸也明显变化。）。所以因为这个原因，要最好的控制轮毂与轮毂轴承内圈之间的联系条件，使其不会断裂，从而优化轮毂材料的初始形状和它的最佳工艺参数（工艺参数是指在完成某项工作的工艺的一系列基础数据或者指标，也就是说这些基础参数构成了工艺操作或者设计的内容。），使装配的过程成功而有效的完成。

下面就是上述的示意图：

图所研究的轮毂轴承的总示意图

实验过程粗加工的产品（预制件）

图制造轮毂轴承组件的工艺和预制件示意图



不走运的是，这种摆动辗压锻造过程需要太多的的加算时间来模拟和实现，相比于普通的锻造技术，这种锻造过程有很大的难度去人为的实现。如上所说，一个全方位的锻造分析模型，和一般传统的锻造相比较，他们有着更长时间的锻压过程。从这个锻造模型可以注意到，塑性变形发生的早期阶段时期，由于成型模具的材料有着相当小的局部接触，这意味着塑性变形对局部接触的范围有限制。这一个事实和现象可以从图三中明显的观察到，这同时也表明了在摆动辗压锻造过程中，装配轮毂轴承组件的接触区域是相当小的。

因此，如图四所表达的一样，由两个具对称性的人工平面形成的部分分析模型，就是本文所提到的工程分析模型，这已经成功的应用于模拟一个流动形成的过程（等人年）。理所当然的，它也指出了，这个模型的分析结果与实际现象有或多或少的误差，特别是在这个对称的平面上。然而，可以预测到的是，因为塑性变形发生接触的面积在相反的一侧，所以可以得到相当可靠的预测和分析，如图三所示，一旦重视并分析了有效应变集中发生在塑性变形过程中的接触面积区域内，就可以是这个实验的预测和分析更加可靠。

为了检查所提出方法的有效可行性，我们对一个如图（）的摆辗锻造工艺进行了分析，这是对以前的六面体单元的研究（等人）。预制件（现在流行的制造业的生产流程，一件商业制成品，并非由一地一工厂由头到尾完全生产出品。）的形状及其尺寸如图（）所示。预制件的下部节点是远离的塑性变形和位移的约束框中的节点。所使用的材料的流动应力（是从英文翻译过来的，实质上就是变形过程的应力。在定义流动应力的过程中，多少也借用了一些液态成形金属流动的概念，所以称为流动应力。流动应力和真应力应变曲线上的应力含义一样，是和应变对应的应力，屈服应力在某一个温度，应变速率下是一个固定的值，表示材料产生屈服的时候的应力。）为兆帕。上模的旋转不受任何功率施加，因此忽略了上模与材料之间的摩擦。如果被认为是有摩擦的，旋转速度就是一个未知的，这很可能会大大提高计算时间，所以这是可以忽略不计的，也满足解决方案的精度。

接触区域有效应变速率

图摆动辗压时的局部接触区域

俯视图侧视图

图度分析模型的有限元分析模型

图对度分析模型的预测

图度分析模型的变形过程

图度、度、度分析模型以及中间面的对比

图度分析模型最终形状的预测

图展示的是一个度的分析模型，它是由两个对称的人工平面组成的，一部分是由它们定义的材料，一部分是约束框和工具模具。首先，为了研究了对称性，对比了度、度、度的不同分析模型对分析区域的影响。

图显示了选定度分析模型后，变形的材料与轮毂轴承内圈的预测结构。如图所示，中间平面和对称平面之间的材料变形的形状存在一些不可忽略的差异。从度和度分析模拟模型平面的的中间平面中可以看出，材料形状的变化是固定的，这意味着中间平面的效果没有想象中的好，也就是说中间平面的分析结果就是最终的结果。

图显示了六种不同分析模型的变形和他们截面变形的过程。从中可以很容易看出来，一个截面和另一个截面的变形过程几乎是一模一样的。但是，在最后一个过程中，可以明显的观察到两个平面之间的接触区域有明显的差异。值得注意的是，对轮毂轴承的轮毂和内圈之间形成空腔的大小具有较强影响力的成形载荷时的位移（等人，）因为在最后一次大变形，在变形区域的自由表面变得非常小。

图（）到（）分别是度、度、度的分析模型在中间平面上的变形的形状的比较，这表明了所有的预测都是相同的。图（）（）和（）与图（）的实验相比较，说明了这结果是可以被接受的。度的分析模型的计算时间不到一个小时。图显示了对最后一次锻压过程中度分析模型的有限元网格系统的预测。

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