汽車發(fā)動(dòng)機(jī)齒圈飛輪盤板沖鍛制作新技術(shù)

文/金俊松，夏巨諶·華中科技大學(xué)周孟祥，湯桃紅·湖北天輪機(jī)械有限公司

齒圈飛輪盤是自動(dòng)擋汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)重要功能部件，筆者在成功地實(shí)現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)輕量化的同時(shí)，還研發(fā)出實(shí)現(xiàn)輕量化飛輪盤整體閉式溫沖鍛成形和旋壓增厚成形新技術(shù)，應(yīng)用于生產(chǎn)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

功能及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

齒圈飛輪盤總成是自動(dòng)擋汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要零部件，自動(dòng)變速箱的飛輪相對(duì)手動(dòng)變速箱的飛輪較輕較薄，安裝在曲軸后面，外緣上的齒圈用來與起動(dòng)機(jī)嚙合。飛輪用來平順做功行程之間的脈沖振動(dòng)，并提供慣性以便發(fā)動(dòng)機(jī)怠速平穩(wěn)。

齒圈飛輪盤的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)由飛輪盤、飛輪齒圈、三角支撐墊、變矩器緊固墊及曲軸法蘭襯墊所組成，如圖1所示，飛輪盤有信號(hào)齒，用于傳遞轉(zhuǎn)速信號(hào)，墊片與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸聯(lián)接，將力矩傳遞到三角支撐墊上，進(jìn)而傳遞到液力變矩器。部件總體上屬于盤狀回轉(zhuǎn)體形狀，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度要求高，制造難度大。

改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

柔性飛輪總成由齒圈（盤）、柔性托盤組成，如圖2所示，齒圈（盤）與柔性托盤鉚接在一起，具有更好的柔性，零件形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精度高，可靠性強(qiáng)。齒盤需要采用半閉式旋壓增厚特種成形工藝。

圖1 齒圈飛輪盤零件

圖2 改進(jìn)后的齒圈飛輪盤零件

整體閉式溫沖鍛成形

工藝方案的確定

該飛輪盤屬于高度尺寸不大且壁厚比底厚大1mm的盤形件，經(jīng)初步分析，可以采用如下兩種工藝方案：

⑴溫?zé)岱磾D壓成形。其工藝流程是下料→加熱→端面整平→反擠壓→底部沖孔→盤形口部車平。

⑵板鍛溫成形。以板料為原始毛坯，通過沖壓和鍛造復(fù)合成形方法得到所需精化毛坯或成品零件，其工藝流程是落料→加熱→拉深→鐓鍛成形，如圖3所示。其中，鐓鍛的作用是使飛輪盤筒形壁厚由10mm增加至11mm，同時(shí)將內(nèi)圓角R20mm減小至R5mm，外圓角由R30mm減小至R2.5mm。

圖3 板鍛溫成形工序圖

模具設(shè)計(jì)

⑴拉深模。拉深模結(jié)構(gòu)如圖4所示，該模采用導(dǎo)柱34和導(dǎo)套35導(dǎo)向，凹模采用預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)（凹模16、預(yù)應(yīng)力圈15），凹模下面設(shè)置有頂出機(jī)構(gòu)（小圓柱1、頂桿2、托板3、頂板13），凸模17為橫向分層結(jié)構(gòu)，凸模外圍設(shè)有環(huán)形頂出器18，環(huán)形頂出器上端通過頂桿30同橫板31接觸，下環(huán)形面通過螺栓25、彈簧24與上模板22相連的托板19限位。該模具也是安裝在Y34KJII-800型液壓機(jī)上使用，下模安裝在壓力機(jī)工作臺(tái)上，上模安裝在壓力機(jī)滑塊下面，橫板31與安裝在滑塊內(nèi)的油缸活塞桿相連。工作時(shí)，將加熱至850℃左右的坯料（φ338mm×10mm）放置在凹模口上，通過定位銷33定位，開動(dòng)壓力機(jī)，滑塊下行帶動(dòng)凸模使坯料拉深成形，成形結(jié)束后，滑塊帶動(dòng)凸模回程，滑塊內(nèi)頂出油缸通過環(huán)形頂出器，將套在凸模上的拉深工件從凸模上退下。

⑵鐓鍛整形模。該模具結(jié)構(gòu)與圖4所示拉深模幾乎相同，其不同之處：一是凸模17的端部做成倒角或做成大于飛輪盤零件內(nèi)圓角R5mm的圓角；二是凸、凹模的間隙為11mm，而拉深模具凸、凹模的間隙為10mm；三是環(huán)形頂出器在這副模具中是先作為環(huán)形鐓鍛與整形的凸模，然后作為頂出器使用。

圖4 拉深模結(jié)構(gòu)

旋壓增厚成形原理

旋壓增厚以閉式溫沖鍛成形得到的精密盤形工件為毛坯（圖5）。旋壓增厚成形原理如圖6所示，圓形板坯3置于托盤4上，壓盤2被油缸柱塞1壓緊，板坯和壓盤快速旋轉(zhuǎn)，四個(gè)旋壓輪依次動(dòng)作，首先旋壓輪6沿徑向?qū)Π迮魇┘訅毫Γ拱逋馊υ龊瘢_(dá)到徑向進(jìn)給量后沿原路徑退回，然后，旋壓輪7、8及9依次執(zhí)行與旋壓輪6相同的動(dòng)作，直至板坯外圓形成與板坯垂直的輪緣且厚度達(dá)到所設(shè)計(jì)的厚度為止。

圖5 厚輪緣薄輻板旋壓毛坯

圖6 旋壓增厚成形原理

旋壓設(shè)備的研制

旋壓機(jī)由上主軸、下主軸、下頂出和旋輪進(jìn)給系統(tǒng)組成，工作時(shí)先將環(huán)形坯料置于下主軸上，然后上主軸下行與下主軸一同將坯料夾緊并隨下主軸一同旋轉(zhuǎn)，接著各旋輪依次進(jìn)給，將環(huán)形毛坯輪緣增厚至所要求的厚度。圖7所示為華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與黃石華力鍛壓機(jī)床有限公司聯(lián)合開發(fā)的專用旋壓增厚機(jī)，由該機(jī)所生產(chǎn)出的齒圈飛輪盤精化毛坯如圖8所示。

增厚輪緣外表面上的小模數(shù)直齒可采用兩種方法加工：一是旋壓成形，即將旋壓增厚的旋輪換成模數(shù)相等的旋輪，因模數(shù)一般為m=1mm，所以工件旋轉(zhuǎn)一圈即可；二是利用滾齒機(jī)加工。

圖7 數(shù)控旋壓機(jī)

圖8 齒圈飛輪盤精化毛坯

應(yīng)用效果

采用所研究的齒圈飛輪盤閉式?jīng)_鍛成形和旋壓增厚成形技術(shù)成功生產(chǎn)出輕量化、一體化的齒圈飛輪盤零件（圖5、圖8），與原有生產(chǎn)技術(shù)比較：

⑴實(shí)現(xiàn)齒圈和連接盤整體制造后，材料用量由4.6kg降至1.9kg，材料利用率由27%提高到75%。

⑵加工工序由11道減少至3道，提高生產(chǎn)效率近4倍。

⑶所研制的齒圈飛輪盤旋壓成形專用機(jī)床及工裝模具滿足工藝試驗(yàn)要求，所加工的汽車齒圈飛輪盤樣件達(dá)到神龍公司EW10A型主要技術(shù)指標(biāo)要求。

⑷單件生產(chǎn)成本降低到原有成本的70%。