空调离合器皮带轮成形过程的数值模拟

文／赵士杰，王荣胜·安徽昊方机电股份有限公司

根据皮带轮产品的几何特征分析了精密热锻成形的方法，提出在模锻成形工序使用闭塞精密成形方法，并通过计算机数值模拟进行了分析与研究。模拟结果显示，采用闭塞锻造方法完全可以解决工件的一次成形困难和模具损耗大的问题。该方法使金属产生径向流动，有利于降低成形载荷，也有利于零件的一次成形，缩短热加工工序，减少材料消耗，实现绿色制造。

汽车空调电磁离合器是发动机与空调压缩机之间的一种动力传递装置，即空调压缩机是由发动机通过电磁离合器来驱动的。电磁离合器一般是由皮带轮总成、线圈总成和驱动盘总成三个部分组成，是较为典型的机电一体化产品。当空调开关接通时，电流流过电磁离合器的线圈产生电磁吸力，使压缩机的驱动盘与皮带轮结合，将发动机的扭矩传递给压缩机主轴并使之旋转；当断开空调开关时，电磁线圈的吸力消失，驱动盘在弹簧片作用下和皮带轮脱离，压缩机停止工作。皮带轮是电磁离合器中的一个重要零件，是一种导磁性能良好的合金软磁材料，一般所用材质为优质低碳钢或电工钢。图1是汽车空调普遍采用的一种皮带轮结构，几何形状为盘毂类形，且两端面都带有双环形的几何特征。

图1 皮带轮结构示意图

工艺分析与数值模拟

工艺方案制定与分析

该零件是一种双端面环形结构，与常规的单面环形结构不同。根据产品的形状和要求，制定出两种方案并加以比较。

第一种方案采用普通开式模锻成形工艺(图2)，具体工艺流程为：下料→加热→镦粗→模锻→切边。该方案较为常用且稳定可靠。存在的问题：因为结构是双面环形，金属流动阻力大，产生的飞边料较多；为了脱模方便，需要在下模设置顶料机构。

图2 开式模锻成形工艺

第二种方案采用比较先进的闭塞锻造工艺(图3)，根据闭塞精密成形原理和产品几何形状特征，选择双向挤压工艺进行热锻成形。工艺流程如下：下料→加热→镦粗→双向热挤压成形。采用闭塞锻造工艺优势明显，首先可以实现精密成形，不存在飞边，提高材料利用率；其次金属在模腔内的流动是一种径向流动，有利于改善金属的流动特性和减少流动阻力，使整个热锻工艺流程也得到缩短。此工艺存在两方面的不足：首先是模具结构复杂，上下凹模可分，上下冲头能双向移动；其次在模锻成形时，需要提供闭塞锻造合模与挤压所需的工艺条件。

图3 闭塞锻造工艺

从提升企业产品竞争力角度分析，闭塞锻造的产品将更具有性价比优势。为此，本文将通过计算机模拟技术对闭塞精锻成形规律进行研究，为今后方案的实施提供理论依据。

数值模拟分析

⑴建模与工艺参数设定。

皮带轮的热加工采用闭塞热模锻工艺时，闭塞模具结构中的上、下凹模需要使用水平可分式模具结构。在挤压成形时，先将加热工件放入凹模腔内，再由凹模上下合并形成闭塞空间，随后在机床滑块的作用下，上、下凸模开始对闭塞型腔内的工件进行对向挤压。由于采用双向对中挤压，金属的流动为径向流动，流动阻力小，易于实现精密成形；所得产品尺寸精度高，同时没有飞边，材料利用率高。精密热挤压模具结构如图4 所示。

图4 精密热挤压模具结构图

针对皮带轮闭塞热成形工艺，采用DEFORM-3D 有限元分析软件对工件进行数值模拟计算，分析工件的成形过程和流动规律，所得结果满足工艺要求，不存在折叠等缺陷。模拟工艺参数设定如下：凸模运行速度50m/s，材料选用10#碳钢，热锻温度1150℃。精密热挤压成形模拟见图5。

图5 精密热挤压成形图

⑵模拟结果分析。

通过模拟分析，在成形过程中金属流动均匀、阻力小。由图6 可知，工件最大等效应力为78.7MPa，说明金属流动阻力小，易于流动成形，实现精密锻造。由图7、图8 可知，在成形终了时上、下凸模的载荷分别为5.03×103kN、6.56×103kN，上、下凹模的载荷分别为1.67×103kN、1.34×102kN，凹模闭合所需要的合模力为1.53×103kN。

图6 等效应力、应变分布图

图7 凸模负荷曲线图

图8 凹模负荷曲线图

结束语

通过工艺方案分析比较与计算机数值模拟，说明该结构零件采用闭塞热挤压成形工艺方案可行。该方案的金属成形过程中，流动阻力小，只需一次双向挤压成形就能完成精密锻造，说明对于该类零件采用精密闭塞热挤压成形工艺，方案合理并能缩减锻造工序，不仅提高材料利用率，改善金属组织性能，还为此种类型零件的精密成形提供了一种新途径。