文／趙蘭磊，李江國(guó)，張清林，司大強(qiáng)·江蘇興鍛智能裝備科技有限公司

滕曉林，王榮勝·安徽昊方機(jī)電股份有限公司

隨著我國(guó)工業(yè)化的不斷深入，人們對(duì)零件的精密化、輕量化，以及對(duì)材料利用率、能源消耗、金屬流線、成本、生產(chǎn)周期的要求越來(lái)越高。冷鍛作為一種近凈成形或凈成形工藝得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文介紹了汽車(chē)電磁空調(diào)離合器帶輪采用板材冷擠壓成形工藝，其節(jié)能、節(jié)材的效果更加顯著、金屬流線更加符合零件的受力特點(diǎn)。

冷擠壓技術(shù)是精密塑性成形技術(shù)家族中的一員，是一種近凈成形或凈成形工藝，具有高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的工藝特性，具備切削加工無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，與熱鍛相比，可以節(jié)材30%～50%，節(jié)能40%～80%，而且能夠提高鍛件質(zhì)量，改善作業(yè)環(huán)境。汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，為冷鍛這一傳統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展提供了原動(dòng)力。冷鍛技術(shù)在我國(guó)的起步雖然不算太晚，但發(fā)展速度卻與發(fā)達(dá)國(guó)家有很大的差距。目前雖然國(guó)內(nèi)已擁有用于小型冷鍛件生產(chǎn)的專用成形壓力機(jī)定型產(chǎn)品，但是對(duì)于冷鍛精密成形設(shè)備還是主要依賴于從德國(guó)、日本進(jìn)口。而大噸位肘桿式冷鍛精密壓力機(jī)，由于其技術(shù)門(mén)檻高，造價(jià)昂貴，更是一個(gè)空白，因此冷鍛精密壓力機(jī)的開(kāi)發(fā)與推廣應(yīng)用是我們目前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)?；谀壳皣?guó)內(nèi)冷鍛精密壓力機(jī)的實(shí)際現(xiàn)狀，以及客戶方產(chǎn)品工藝升級(jí)和提高生產(chǎn)效率的需求，我司進(jìn)行了大噸位肘桿式冷鍛精密壓力機(jī)及其自動(dòng)線的研發(fā)。

汽車(chē)空調(diào)電磁離合器皮帶輪板鍛成形自動(dòng)化線

汽車(chē)電磁空調(diào)離合器皮帶輪的材質(zhì)為10#鋼，其原有的生產(chǎn)方式是熱鍛成形。此皮帶輪的熱鍛自動(dòng)化線主要是由自動(dòng)上料機(jī)、中頻加熱爐、機(jī)械壓力機(jī)、鍛造設(shè)備、關(guān)節(jié)機(jī)器人等設(shè)備組成，其工藝過(guò)程如圖1 所示。

通過(guò)觀察終鍛工位的熱鍛皮帶輪坯(圖2)表面不難看出：鍛件表面質(zhì)量差，尺寸精度低，加工余量大，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察發(fā)現(xiàn)鍛件質(zhì)量控制難度比較大，電耗嚴(yán)重，平均每公斤約耗電1 度，并且材料的利用率也不足50%，模具壽命較低，車(chē)間生產(chǎn)環(huán)境惡劣，設(shè)備及維護(hù)費(fèi)用較高。

針對(duì)以上問(wèn)題點(diǎn)，需要采取何種鍛造工藝能改善現(xiàn)狀，并能滿足客戶方提出的節(jié)省原材料、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短加工流程、提高生產(chǎn)效率以及改善金屬組織的力學(xué)性能的要求呢？由此我司開(kāi)發(fā)了汽車(chē)電磁空調(diào)離合器皮帶輪的板鍛成形工藝(圖3)。

現(xiàn)對(duì)在熱態(tài)和室溫下的皮帶輪進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算后的應(yīng)力云圖如圖4 所示，從應(yīng)力云圖中可以看出：熱態(tài)下終鍛工位，皮帶輪的最大成形應(yīng)力約為239MPa；室溫下終冷擠工位，皮帶輪的最大成形應(yīng)力約為2090MPa；由兩種狀態(tài)下應(yīng)力的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，室溫下終擠工位的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱態(tài)下終鍛工位的應(yīng)力，可推斷出熱鍛皮帶輪在鍛造過(guò)程中的變形抗力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于板鍛皮帶輪的變形抗力，即熱態(tài)下鍛件的變形抗力比較小。

圖1 熱鍛工藝過(guò)程

圖2 熱鍛皮帶輪坯

其本質(zhì)原因：熱鍛是在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行鍛造，在熱態(tài)下，金屬發(fā)生了再結(jié)晶，使得各種強(qiáng)度指標(biāo)降低，變形金屬得到一定軟化；金屬原子熱振動(dòng)的振幅增加，原子間結(jié)合力減弱；金屬組織結(jié)構(gòu)由多相組織轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嘟M織；塑性變形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榛谱冃魏蛿U(kuò)散型變形結(jié)構(gòu)。

圖3 板鍛工藝過(guò)程

圖4 皮帶輪模擬計(jì)算后的應(yīng)力云圖

圖5 汽車(chē)電磁空調(diào)離合器皮帶輪的板鍛成形自動(dòng)化線

而對(duì)于冷鍛而言，其是在室溫下進(jìn)行的鍛造工藝，可以避免金屬加熱出現(xiàn)的缺陷，從而獲得較高的精度和表面質(zhì)量，并能提高工件的強(qiáng)度和硬度。

為滿足客戶鍛造線升級(jí)的需要及適應(yīng)離合器皮帶輪的板鍛成形工藝所需，我司在總結(jié)前期冷鍛壓力機(jī)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)1600 噸大噸位肘桿式冷鍛精密壓力機(jī)，并同時(shí)結(jié)合客戶對(duì)自動(dòng)化的需要，提出了汽車(chē)電磁空調(diào)離合器皮帶輪的板鍛成形自動(dòng)化線(圖5)，該自動(dòng)化線主要是由上料部分、輸送部分、搬運(yùn)部分、1600 噸冷鍛壓力機(jī)、400 噸冷鍛壓力機(jī)及下料部分組成。

現(xiàn)此皮帶輪的板鍛成形線已在客戶車(chē)間投產(chǎn)使用，并達(dá)到了預(yù)期效果。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的跟蹤發(fā)現(xiàn)，自板鍛成形工藝引入以來(lái)，不僅減少了能量消耗、提高了材料利用率，同時(shí)還改善了生產(chǎn)環(huán)境，降低了對(duì)模具材料的熱硬性和耐熱疲勞性的要求，并且還有效的提高了模具使用壽命，方便了對(duì)設(shè)備、操作和現(xiàn)場(chǎng)的管理。采用板鍛工藝的終擠成形皮帶輪實(shí)物見(jiàn)圖6。

熱鍛與板鍛皮帶輪的金相和金屬流線

對(duì)熱鍛和板鍛兩種工藝生產(chǎn)的電磁空調(diào)離合器皮帶輪分別在對(duì)應(yīng)位置取樣，進(jìn)行金相分析，并沿相同的方向，將皮帶輪切開(kāi)進(jìn)行腐蝕，用于金屬流線觀察。金相圖及金屬流線分別如圖7 所示。

由熱鍛和板鍛皮帶輪金相組織分析可以看出：熱鍛皮帶輪金相組織主要為鐵素體和少量珠光體，組織晶粒度較粗大，硬度檢驗(yàn)為63 ～66HRB；而板鍛皮帶輪金相組織主要為鐵素體和少量珠光體，組織在冷變形形變強(qiáng)化過(guò)程中發(fā)生了細(xì)晶強(qiáng)化，細(xì)晶粒金屬中的裂紋不易產(chǎn)生也不易擴(kuò)展，表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能，硬度檢驗(yàn)為85 ～95HRB。從熱鍛和板鍛皮帶輪金屬流線可以看出：熱鍛皮帶輪外圈的金屬流線流向不一，流量不均，并且在內(nèi)圈出現(xiàn)渦流，而板鍛皮帶輪的金屬流線沿鍛件方向連續(xù)均勻分布。

皮帶輪的板鍛成形更接近最終產(chǎn)品形狀和零件的尺寸，避免了在切削加工時(shí)形成的大量金屬?gòu)U料，大大節(jié)約了金屬材料，并且在提高材料利用率的同時(shí)，還提升了零件的力學(xué)性能。板鍛成形時(shí)金屬材料在低于再結(jié)晶溫度下流動(dòng)，金屬流線沿著擠壓件輪廓連續(xù)均勻分布，由于機(jī)加工余量較小，從而減少了金屬流線被切斷的可能，最大程度上避免了纖維尖銳間斷情況的發(fā)生，而且晶粒組織更加致密，伴隨著金屬材料的加工硬化，金屬得到強(qiáng)化，硬度提高，使零件的強(qiáng)度大為提高。綜上，可以看出皮帶輪的板鍛成形相對(duì)于熱鍛成形在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都有明顯的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 冷擠皮帶輪坯

圖7 熱鍛和板鍛生產(chǎn)的鍛件金相圖及金屬流線

圖8 板鍛皮帶輪試驗(yàn)結(jié)果

圖9 熱鍛皮帶輪試驗(yàn)結(jié)果

皮帶輪的高張力試驗(yàn)

汽車(chē)空調(diào)電磁離合器的功能是控制發(fā)動(dòng)機(jī)與壓縮機(jī)之間的動(dòng)力聯(lián)系，是一個(gè)動(dòng)力傳遞裝置，其采用通電結(jié)合的方式，力矩從主動(dòng)側(cè)傳到被動(dòng)側(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的功能傳遞，是汽車(chē)關(guān)鍵零部件之一。其工作原理是：電磁線圈固定在壓縮機(jī)外殼上，驅(qū)動(dòng)盤(pán)與壓縮機(jī)的主軸相連接，皮帶輪通過(guò)軸承安裝在壓縮機(jī)的外殼上，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電源接通時(shí)，電磁離合器將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給壓縮機(jī)主軸，使壓縮機(jī)處于工作狀態(tài)；當(dāng)電源斷開(kāi)時(shí)，電磁離合器便切斷壓縮機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)系，使壓縮機(jī)停止工作。從汽車(chē)空調(diào)電磁離合器的工作原理中可以看出，皮帶輪主要是受轉(zhuǎn)速和摩擦力的影響。因此為充分驗(yàn)證熱鍛皮帶輪和板鍛皮帶輪的強(qiáng)度，現(xiàn)將熱鍛皮帶輪和板鍛皮帶輪在同一工況下進(jìn)行張力試驗(yàn)。

試驗(yàn)工況：加載載荷3578N，轉(zhuǎn)速6000rpm，運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)1000 萬(wàn)次，測(cè)試件數(shù)量為熱鍛皮帶輪2 件，板鍛皮帶輪2 件。

經(jīng)張力試驗(yàn)后的板鍛皮帶輪和熱鍛皮帶輪如圖8、圖9 所示，經(jīng)過(guò)1000 萬(wàn)次運(yùn)轉(zhuǎn)后，在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)2 件熱鍛皮帶輪(3#和4#) 的橋部出現(xiàn)微小的細(xì)微裂紋，而在對(duì)2件板鍛皮帶輪(1#和2#)的橋部進(jìn)行觀察時(shí)未發(fā)現(xiàn)任何裂紋。由板鍛皮帶輪和熱鍛皮帶輪的張力試驗(yàn)可知：板鍛皮帶輪橋部的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)要高于熱鍛皮帶輪橋部的強(qiáng)度，因此可以斷定板鍛皮帶輪的強(qiáng)度要高于熱鍛皮帶輪的強(qiáng)度。

結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)客戶產(chǎn)品工藝升級(jí)以及提高生產(chǎn)效率的需求，我司將冷鍛技術(shù)作為汽車(chē)電磁空調(diào)離合器帶輪生產(chǎn)的首選，并實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)電磁空調(diào)離合器帶輪的自動(dòng)化生產(chǎn)，取得了良好的效果。