空調離合器皮帶輪的整形工藝分析與模具設計

文／趙士杰，王榮勝·安徽昊方機電股份有限公司

皮帶輪是汽車離合器常用的一種結構形式，該產品外側帶有V 形凹槽，因此造成模鍛成形工序后切削加工余量大的問題。鑒于此筆者在熱模鍛成形沖孔后，增加了一道精密整形工序。本文中設計了浮動對分凹模分體結構實現該零件的精整，數值模擬分析表明整形工序可以有效提高形狀精度，工藝方案合理可行，可以進一步提高材料的利用率，對此類零件的精密成形具有實際指導意義。

汽車空調離合器是汽車空調的傳動部件，離合器皮帶輪是一種具有良好導磁性能的零件，其加工制造方法有熱鍛造法、旋壓成形和沖壓成形等，其中熱鍛成形是主要制造方法。圖1 為一種機加工后的皮帶輪零件圖，其幾何特點是雙環形盤結構，且在外側有凹形面。目前的產品制造工藝流程是：下料→感應加熱→熱鍛→數控車鉆。由于外側要加工V 形皮帶輪槽的凹面，只有通過精車方法完成。該道工序存在加工余量大，材料利用率低等問題，同時在切削過程中易割斷材料的纖維流線，降低零件的疲勞強度，從而影響產品質量。為此在熱鍛加工中增設一道整形工序，在模鍛成形后進行精整，使外側的凹面尺寸和形狀接近皮帶輪的外形尺寸，以減少加工余量，改善產品質量。

精整工藝分析

空調離合器皮帶輪在經過熱模鍛成形后，其外形尺寸和形狀如圖2 所示。外側形狀基本呈圓柱形(脫模角度1.5°)，與圖1 所示產品的外側形狀存在較大差別，為此需要增設一道整形工序。整形后的零件外形尺寸已經接近產品的外形尺寸(圖3)和幾何形狀特征。下面就整形工藝的金屬流動規律進行數值模擬分析，了解工件成形規律，為整形模具的設計提供理論支持。

數值模擬分析與模具設計

模擬分析

凸模采用整體結構，凹模采用垂直可分式模具結構。在整形完成后，凹模能雙向對分拆開，以便于工件的抓取。圖4 為工件整形初始狀態下的有限元分析模型。

本文采用有限元分析軟件來模擬皮帶輪閉塞熱整形過程，分析工件的成形效果和流動規律，為模具設計提供理論依據。模擬參數擬設定：凸模運行速度50mm/s，材料選用10#碳鋼，工件熱鍛溫度1000℃。

模擬分析結果表明，在成形過程中的等效應變變化較小，工件最大等效應力為84.9MPa。應力應變分布見圖5，應力變化較大的區間集中在工件的上、下兩端，可以說明3 點：⑴由于金屬流動量較小，對中間部分的金屬影響有限；⑵利用上端和底槽的金屬有利于補償皮帶輪外側的環形凸臺；⑶該工藝方案可行，且易于實現精整。根據分析數據結果，凸模的成形載荷分別是12kN[圖6(a)]，凹模橫向合模載荷是565kN[圖6(b)]。

模具設計

整形模具的結構特點是凹模采用分體結構。在整形時，工件被放入模具型腔內；在上模板下行運動時，先通過彈簧預壓凹模底座，使分體凹模在滑塊導向作用下能完成閉合；在凸模繼續下行時，對零件進行成形，至下死點時完成零件的整形；待凸模回程時，通過拉桿帶動浮動凹模上行并在彈簧的作用下分離，便于取出工件和完成皮帶輪的整形精鍛工序。精整模具局部示意圖如圖7 所示。

結束語

通過工藝分析與數值模擬結果，充分說明整形可以有效解決零件外形凹面的問題，不僅能使工件的形狀接近產品的外形尺寸，而且為減少加工余量，為節約加工時間提供了有效方法。并根據整形原理要求設計了相應的整形模具。實踐證明該方法可行有效，顯著減少了后道車加工時間，節約了材料，提高了生產效率，降低了制造成本，實現了綠色精密制造。