冷挤压技术在汽车燃油泵泵壳上的运用

冀荣礼

（南京金城三国机械电子有限公司，江苏南京210000）

0 引言

作为汽车燃油泵的重要组成部件，泵壳一直是影响供油系统功能的关键。在泵壳的制造过程中，原有的工艺方法是压铸成型，直接导致了原材料的浪费以及能耗的增加。冷挤压技术由于具有节约材料、降低能耗、致密性高等优点而得以广泛应用。

某款汽车燃油泵冷挤压泵壳的研制，由于之前无任何实际经验积累，仅有顾客图纸要求，所以存在很大的风险及不确定性。基于此，我们在集合各方资源的基础上，确定冷挤压的工艺方案及各过程的关键点，以满足图纸要求。

1 零件分析

某款泵壳外形尺寸直径为41.5 mm，厚度为14.3 mm，内腔深度为4.2 mm。其中涵盖两个通孔及部分环槽、凹槽等。该结构为非对称回转体，对加工装配定位同轴度、圆度等有较高的要求。

2 确定初坯料

2.1 原料制造

由于某款泵壳为回转体结构，因此原料只能为圆柱形状。目前市场上没有类似形状的原料可直接购买，因此需要采购坯料并进行加工。现行坯料加工工艺通常采用两种方式：切制和冲压。冲压的优点是下料效率高，重量控制精确，缺点是板料厚度、精度要求高，材料利用率低（材料有效利用率在60%～70%之间）。而切制的优点是重量控制精确，材料使用率高，缺点是下料效率低。从成本角度及采购市场角度出发，我们最终确定采用切制的方式加工原料。

在明确原料切制方式后，就需要确定圆棒料直径的大小。直径过大，会给后道挤压模具设计及制造带来很大难度；直径过小，后续挤压产品无法成型。因此，必须选择直径合适的圆棒料。根据该款产品的大小选择直径为20 mm的棒料。每次切制长度的选择由产品所需的重量决定。由于冷挤压工艺去除的余量较少，因此可以根据成品图中的产品重量乘以系数1.2作为参考。根据该款泵壳的重量，选择每次下料长度为30 mm，同时切削10根圆棒料，自动控制进给量，既提高了工作效率，又使重量得到了有效控制。保证长度公差在±0.05 mm以内，从而控制重量范围在±0.10%（具体公差需求由模具精度决定）。需要特别注意的是，切制后原料的重量一定要控制在一个极小的范围内，范围越小后续冷挤压的尺寸一致性就会越高。对于切制后的原料所产生的毛刺飞边需要清理彻底，不能带入到下道工序（后续挤压时会产生表面缺陷），可采用振动去毛刺方式去除毛刺及飞边。

2.2 切片制造

2.2.1 初坯料制造

将切制后的原料在冲床上进行冲压处理。该工序需要制作一个模具定置在冲床上放置原料。具体结构为在一金属块上铣一个圆柱，将原料放置在其中进行冲压，得到一个初坯料（形状为圆饼状）。铣削的圆柱直径由后续冷挤压模具的进料口直径决定（通常比挤压模具的进料口直径小1～2 mm），并参照所选用坯料的材质。铝及铝合金的许用变形程度一般在75%～99%，该款油泵泵壳需要制作φ40 mm左右的圆柱，其变形程度为：ε=（40-22）÷40×100%=45%，小于75%，因此从理论上可以实现。

2.2.2 退火处理

粗坯料的硬度大约在HB45，为了后续冷挤压能够顺利进行，需要对粗坯料进行退火处理。目的是降低硬度，以利于切削加工；细化晶粒，改善组织，提高机械性能；消除内应力，并为后续的热处理工序做准备；提高材料的塑性和韧性，便于进行冷挤压。

该款燃油泵泵壳材料牌号为6082，接近纯铝，因此在退火时需要将温度控制在380～420℃，时间控制在4 h，退火后的硬度范围为HB32～38。

2.2.3 表面处理

粗坯料在退火之后的工序就是表面处理。和大多数冷挤压产品一样，该款泵壳也需要进行磷化皂化处理。

在进行磷化皂化处理前必须要进行表面清洗，主要是去除表面氧化层及表面污渍、异物。表面清洗可以采用第一道酸洗，第二道第三道水洗的方式进行。所谓“磷化皂化”，是指磷化后再皂化的一种工艺，磷化的主要成分是磷酸盐，皂化的主要成分是硬脂酸锌（粉状）。首先对粗坯料进行磷化处理，其目的是在产品表面形成片状晶格组织的“网格”，磷化膜膜厚一般为8～12 μm。然后再将粗坯料放入到皂化液中，这些网格可以使皂化粉更加深入到这些网格内。皂化的目的是进一步增加润滑性能。产品一旦受挤压，那些在网格中的皂化粉就会被挤出，使得润滑效果进一步提高。

综上，切片一般按挤压产品毛坯形状和重量（体积）制造，原则上需遵守：（1）方便制作；（2）长度L/直径D≥1。切片可以制成圆柱形、方型、圆筒形等，也可以采用多次预成型（一次成型无法实现或合格率不高）。

切片尺寸、重量（体积）计算的原则为等体积法计算。即：切片体积Vq=产品毛坯体积Vm+飞边（溢料槽）体积Vf。首先，初步确认切片的直径，原则上同毛坯的直径一致（考虑到切片需要放入模腔内，切片直径应比模腔直径小1～2 mm）。其次，按设置的切片的直径和预估的毛坯重量计算出切片的长度并进行重量校正。最后再根据校正得到的最大、最小重量确定切片尺寸的公差。

3 模具设计

冷挤压模具主要分为模框、凹模、凸模、导柱、顶杆等几大部分。具体可以从以下几点进行剖析。

3.1 冷挤压模具的分类

（1）按成型工艺一般可分为：正挤压模、反挤压模和复合挤压模三类。

正挤压：挤压时金属的流动方向与凸模运动方向一致。

反挤压：挤压时金属的流动方向与凸模运动方向相反。

复合挤压：挤压时一部分金属的流动方向与凸模运动方向一致，一部分金属的流动方向与凸模运动方向相反。

（2）按导向方式可分为：无导向敞开模、导柱模、导套、导向模和模口导向模。

（3）按精度可分为：粗级模（敞开式）、一般精度模（半密闭式）和精密模（密闭式）。

该款油泵泵壳零件图纸要求精度很高，设备为油压机，因此需要采取正挤压导柱式精密模设计模具。

3.2 挤压模具零件分类

（1）按工艺零件分：

1）工作零件：直接使材料变形，对切片进行加工，如：凸模、凹模、顶杆、顶出套等。

2）定位零件：使切片得以在模具上正确的定位，如：导向板、挡料销。

3）卸料零件：将抱在凸模上或滞留在凹模中的挤压件卸下或顶出，如：顶杆、卸料板顶出套等。

（2）按辅助零件分：

1）导向零件：保证模具上、下部分对正、吻合，如：导柱、导套。

2）支撑零件：支撑或固定模具零件，如：上模板、下模座、凸凹模固定板、凹模内外应力圈、垫板等。

3）紧固零件：将模具工作零件与辅助零件固紧在一起，如：螺钉、螺栓等。

这些都是支持模具是否能够正常运行及达到预期寿命的关键，因此在设计时一定要格外留意，并在量产时对易损件备有库存。

3.3 模具主要部件的结构和特殊要求

（1）模具总图要求：模架的上、下模板的平行度小于0.1 mm，导柱（导套）和凸模对上下模座的垂直度小于0.05 mm，导柱、导套和型芯的配合精度不低于IT7级。

（2）凸模固定方式：压板式和螺套式。

该款泵壳采用的压板是凸模固定方式（装卸简便）。模具总图要求的相关尺寸与后续冷挤压的产品尺寸是否符合要求及产品局部是否有缺陷有着直接关联。

3.4 凹模的粗糙度和放气槽的作用

被挤压的材料在凹模型腔内流动时，其表面的流动阻力远大于中部，故而表面会产生反向“拉应力”，反向“拉应力”的作用就会阻碍材料的流动造成材料的“充填”不满。因此，凹模表面的粗糙度越高，反向“拉应力”就越小，成型就越容易。

被挤压的材料在一定速度的挤压下，材料内部就会产生巨大的“内压力”，阻碍材料的流动并对凹模模腔形成压应力，造成产品局部成型困难和模腔开裂等。因此根据需要开制一些放气槽是非常有必要的。

3.5 凸模型芯的溢料槽设计

被挤压的材料在凹模模腔内会形成三向均衡的压应力，一旦一处受到“反向拉应力”时，材料的流动将会被阻滞。在非对称的挤压产品中为了消除这种“反向拉应力”，在模具设计凸模型芯时通常会设计出一种“溢料槽”，其目的就是将被滞阻的流动材料所产生的“反向拉应力”消除，以达到被挤压材料均衡流动的目的。

模具在设计的时候一定要考虑到上述几点的相关要求，缺一不可。

4 冷挤压压力计算

4.1 总压力计算

总压力的计算公式为：

式中，P为总挤压力（kN）；P0为平均单位挤压力（简称单位挤压力，MPa）；A为凸模与切片直接接触表面在水平面上的投影面（mm2）；C为安全系数，考虑到模具的材质、润滑程度及软化（退火）程度等，一般取C≥1.3。

4.2 单位挤压力的计算

目前对单位挤压力尚无准确完善的计算方法或公式或图表，因此一般采用简易的计算方法：查取各种材料的单位挤压力的近似值，比如：纯铝大约600～800 MPa，铝合金大约800～1 000 MPa。

考虑到冷挤压的单位挤压力高达800～1 000 MPa，而挤压时所产生的三向压应力会轴向作用在模具的底部，非常大的压应力易导致模具变形。模具的变形对型腔的尺寸影响非常大，因此垫板会起到缓解轴向的压应力从而减小型腔的尺寸变形。

5 冷挤压

冷挤压是精密塑性体积成型技术中的一个重要组成部分。

冷挤压是指在冷态（常温）下充分利用金属材料的塑性变形，将金属（例如，变形铝材料具有较强的可塑性，6082等）切片放入模具模腔内，在强大的压力和一定的速度作用下，迫使金属从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的挤压件（毛坯）。在冷挤压过程中设备挤压压力及保压时间是最为关键的两个因素。

5.1 挤压压力

挤压压力是影响挤压产品成型的关键因素。为提高生产效率，一般希望采用高压挤压。但挤压压力太大，挤压温度就会上升，导致金属屈服强度下降，造成金属流动不均，在模口处拉应力超过产品表面屈服强度，导致产品表面撕裂、粗糙等。同样，挤压压力太小，变形抗力增大，切片在模腔内容易压碎，无法成型。

所以，在挤压压力设定的时候一定要根据设备及产品本身进行调节及优化。该款泵壳目前设置的挤压压力为20 MPa，该值为在前期试验的结果上得到的最优值。

5.2 保压时间

保压时间的设定是为了控制保压产生作用的时间，保压时间设定不足将使产品发生尺寸、重量的变化。保压时间设定太长，又会影响到制造效率。合理的保压时间为产品成型时间，既能保证产品的尺寸，又能保证制造效率。该款油泵目前的设定保压时间为2 s。

6 热处理

挤压成型的产品需要后续热处理来提高硬度以便后面的加工及使用。通常在热处理前需要去除产品上的飞边及溢料，因为在热处理后硬度会变高，飞边及溢料会变硬，难以去除（后续加工除外）。热处理的方式需要根据产品材质决定，通常铝件冷挤压采用T6热处理，即固溶处理+人工时效。该款泵壳产品材质为铝材，同样也采用该种热处理工艺。为了达到要求的硬度（HB90～120），设定固溶温度为550℃，时间为1 h；人工时效温度为200℃，时间为6 h。这样热处理后的产品硬度基本能控制在中值。这里需要说明的是，T6热处理有条件的话最好能使用自动化热处理炉，能保证产品硬度的一致性。

7 结语

该款汽车燃油泵冷挤压泵壳的成功制造，实现了冷挤压工艺替代压铸工艺的工艺转变，极大地降低了能耗及成本，同时也结束了该款泵壳一直以来全部靠从德国进口的历史。冷挤压的效率和模具的寿命将是今后制约冷挤压发展的关键因素。本文介绍的冷挤压工艺及模具设计具有简单、易推广的优点，应用前景广阔，为冷挤压工艺在其他产品上的实现提供经验参照。