李雪原，雷良育，2，刘兵，董亮，胡烨

（1.浙江农林大学 工程学院，浙江 临安 311300；2.浙江兆丰机电股份有限公司，杭州 311232）

轮毂轴承单元作为汽车的关键零部件，不仅要承受整车的重量，还起到为轮毂转动提供精准的导向作用［1］。轮毂轴承单元发展迅速，目前主要使用的是第3代［2］。为了减轻轮毂轴承单元的质量，更加紧凑化，提高安全性和可靠性，第3代轮毂轴承单元改变了第2代使用连接螺母的方式，采用轴端的冷铆成形技术，使芯轴产生塑性变形，起到卡紧内圈的作用［3-4］。以轮毂轴承单元轴铆合过程的塑性变形为研究对象，分析芯轴在铆合过程中的变形和应力分布情况，研究倾角对轴铆合质量的影响规律。

1 轮毂轴承单元轴铆合工作原理

轴铆合工艺的工作原理如图1所示，内圈和芯轴装配在一起，铆头与芯轴之间存在倾角θ，铆头在旋铆机的带动下绕O点根据设定的轨迹做旋转运动，同时逐渐下压，最终将芯轴头部旋压成图中虚线形状［5-8］。轮毂轴承单元轴铆合过程分为3个阶段：1）铆头旋转下降，与芯轴接触；2）铆头在动力头的带动下沿芯轴内表面做摆动辗压运动，使芯轴的外表面开始与内圈接触；3）铆头动作使内圈所受卡紧力逐渐增大直至饱和。铆头运动轨迹主要分为直线轨迹、圆形轨迹、螺旋式轨迹等。由于轴铆合工艺属于金属塑性变形，且铆头结构及运动较为复杂，容易产生铆头磨损、工件表面擦伤甚至产生裂纹等缺陷［9］。

图1 轮毂轴承单元轴铆合工作原理Fig.1 Schematic diagram of shaft end riveting of hub bearing units

2 模型的建立

第3代轮毂轴承单元结构如图2所示。

图2 轮毂轴承单元结构Fig.2 Structure diagram of hub bearing unit

2.1 实体模型的建立

由于DEFORM-3D中无法建立实体模型，因此选择三维软件UG建模。为了轴铆合有限元模拟运算方便，只建立铆头、芯轴和内圈的模型，并将3D模型简化后导入DEFORM-3D中。轮毂轴承单元轴铆合装配体模型如图3所示。

图3 轮毂轴承单元轴铆合装配体模型Fig.3 Hub bearing unit shaft riveting assembly model

2.2 有限元模型的建立

DEFORM-3D致力于各种金属成形过程的三维流动分析，主要用于工艺过程的仿真，提供一个非常有价值的数据分析过程［10］，是一种模拟工艺仿真过程的理想工具。汽车轮毂轴承单元轴铆合的工艺参数见表1。

表1 轮毂轴承单元轴铆合工艺参数Tab.1 Process parameters of hub bearing unit riveting

2.2.1 材料的定义

铆头材料为Cr12MoV，芯轴材料为55＃钢，内圈材料为GCr15，主要材料的力学性能参数见表2。轮毂轴承单元轴铆合工艺为典型的塑性变形，因此芯轴选择为塑性体，铆头和内圈设为钢体。芯轴材料选择软件材料库中对应的AISI-1055，其力学性能与55＃钢基本一致。

表2 主要材料及其力学性能参数Tab.2 Main materials and their mechanical properties

2.2.2 网格划分

采用四面体网格，由于软件具有网格自适应功能，因此在仿真过程中出现形状畸变等问题时，软件可以自动进行网格的重新划分并继续计算，从而提高了模拟运行的效率。这里只对芯轴进行网格划分，经过试验，芯轴网格划分的单元数目为80 000，可以提高运算效率，同时保证模拟的精度。划分网格后的芯轴如图4所示。

图4 芯轴网格划分Fig.4 Meshing of core axis

2.2.3 约束条件

1）为保证芯轴和内圈固定不动，设置芯轴底面作为x，y和z速度方向的约束。

2）旋压铆头自转方向与主轴转动方向相反，取输入旋转速度ω1＝633 mm／s，旋转轴为铆头自身的中心轴线。铆头绕模型几何中心的旋转速度为663mm／s，回转轴选择 -x轴，即铆头的铆压方向。旋转运动参数设置实现了铆头在空间的旋转运动与实际相符。

2.2.4 仿真环境设定

轮毂轴承单元轴铆合工艺为冷变形加工，摩擦因数用系统默认值0.12。工作温度取室温20℃。

3 结果与分析

有限元仿真工艺参数设置好后，通过模拟计算得到的有限元仿真模型如图5所示。

图5 仿真结果Fig.5 Simulation results

3.1 应力、应变特征

以5°倾角为例，计算得到芯轴的等效应力分布云图如图6所示。由图可知，芯轴在不同的位置所受应力大小差异明显，在铆头与芯轴接触较多的上表面边缘以及芯轴与内圈贴合的弯角处所受应力较大；而在其内部区域和芯轴下部受力以及变形较小。

图6 仿真后芯轴的应力分布情况Fig.6 Stress distribution of core shaft after simulation

3.2 铆头倾角对铆合的影响

汽车轮毂轴承单元轴铆合工艺的铆头倾角一般取3°～5°，旋铆机生产厂家设定铆接倾角为5°。为了验证倾角选择的合理性，根据具体的产品，在DEFORM-3D有限元仿真软件中，保持其他铆合条件一致，只改变铆头倾角（3°，4°，5°，6°）进行仿真，并将仿真结果进行对比分析，得出最佳铆头倾角。由轮毂单元铆合精整阶段等效应力分布云图可以得出，3°，4°，5°，6°所受到的最大应力分别为897，884，878，882 MPa，铆合应力变化较小，其中5°铆合倾角下芯轴所受的应力最小。

内圈卡紧力主要防止轴承在运转时发生轴向位移，卡紧力过小，内圈易发生晃动，其安全性降低；卡紧力过大，容易将内圈压变形，甚至影响到滚子及其他部件的质量。因此轮毂轴承单元的内圈卡紧力应该限制在一定范围内，保证轮毂轴承的质量和安全性。对于铆头所受轴向力，一般情况下应尽可能的小，以免铆头变形和磨损。

不同铆头倾角下得到铆头所受轴向力及内圈所受卡紧力曲线如图7所示。

图7 不同铆头倾角下铆头所受轴向力及内圈所受卡紧力Fig.7 Rivet head axial force and inner ring clamping force under different angle of the rivet head

由图7可知，铆头倾角越小，铆合初始阶段铆头受轴向力越大，这是因为铆头倾角越小，铆头开始接触工件时，接触面积越大，变形越大，受到的轴向力越大；铆合时铆头所受到的最大轴向力，即精整阶段受到的轴向力则随着铆头倾角的增大而逐渐减小。铆头倾角对内圈卡紧力的影响规律与对铆头轴向力的影响规律基本一致，随着铆头倾角的增加，内圈所受卡紧力逐渐减小。随着铆头倾角的增大，铆接应力随之减小，但是铆头所受的轴向力和内圈所受卡紧力平稳性较差，特别是在精铆合阶段容易产生磨损和裂纹等缺陷。反之，铆头倾角越小，芯轴所受的应力越小，轴铆合过程越稳定，有利于提高轮毂轴承的质量和安全性。5°铆合倾角下铆头所受的轴向力和芯轴所受的卡紧力较平稳，其他角度情况下，铆头所受轴向力和芯轴所受卡紧力波动更明显。

4 试验验证

为了验证仿真的可行性，应用工厂实际加工中产生的数据与有限元仿真结果进行对比。由于内圈所受卡紧力在实际生产中很难测得，所以试验以5°铆头倾角测试铆头所受轴向力。

采用自动化旋铆机（图8）（加工参数可以根据产品需要进行调节）进行轮毂轴承单元轴铆合工艺试验，试验数据经过转化处理，得出生产实际中铆头所受轴向力如图9所示。由图可知，实际生产中铆头所受轴向力和图7中铆头所受轴向力曲线基本一致，表明了有限元仿真的可行性。

图8 旋铆机Fig.8 Riveting machine

5 结束语

采用DEFORM-3D软件对汽车轮毂轴承单元轴铆合过程进行了模拟，得到了轮毂单元轴铆合过程的应力分布。综合应力、铆头所受轴向力及内圈卡紧力的影响规律，根据仿真产品型号要求，认为铆合倾角为5°时，芯轴所受应力较小，轴铆合过程中铆头所受轴向力和内圈所受卡紧力较稳定，不容易产生裂纹等缺陷。因此，在生产其他产品时，可以改变铆头倾角来提高轴铆合工艺的可靠性。