空调离合器皮带轮的整形工艺分析与模具设计

文／赵士杰，王荣胜·安徽昊方机电股份有限公司

皮带轮是汽车离合器常用的一种结构形式，该产品外侧带有V 形凹槽，因此造成模锻成形工序后切削加工余量大的问题。鉴于此笔者在热模锻成形冲孔后，增加了一道精密整形工序。本文中设计了浮动对分凹模分体结构实现该零件的精整，数值模拟分析表明整形工序可以有效提高形状精度，工艺方案合理可行，可以进一步提高材料的利用率，对此类零件的精密成形具有实际指导意义。

汽车空调离合器是汽车空调的传动部件，离合器皮带轮是一种具有良好导磁性能的零件，其加工制造方法有热锻造法、旋压成形和冲压成形等，其中热锻成形是主要制造方法。图1 为一种机加工后的皮带轮零件图，其几何特点是双环形盘结构，且在外侧有凹形面。目前的产品制造工艺流程是：下料→感应加热→热锻→数控车钻。由于外侧要加工V 形皮带轮槽的凹面，只有通过精车方法完成。该道工序存在加工余量大，材料利用率低等问题，同时在切削过程中易割断材料的纤维流线，降低零件的疲劳强度，从而影响产品质量。为此在热锻加工中增设一道整形工序，在模锻成形后进行精整，使外侧的凹面尺寸和形状接近皮带轮的外形尺寸，以减少加工余量，改善产品质量。

精整工艺分析

空调离合器皮带轮在经过热模锻成形后，其外形尺寸和形状如图2 所示。外侧形状基本呈圆柱形(脱模角度1.5°)，与图1 所示产品的外侧形状存在较大差别，为此需要增设一道整形工序。整形后的零件外形尺寸已经接近产品的外形尺寸(图3)和几何形状特征。下面就整形工艺的金属流动规律进行数值模拟分析，了解工件成形规律，为整形模具的设计提供理论支持。

数值模拟分析与模具设计

模拟分析

凸模采用整体结构，凹模采用垂直可分式模具结构。在整形完成后，凹模能双向对分拆开，以便于工件的抓取。图4 为工件整形初始状态下的有限元分析模型。

本文采用有限元分析软件来模拟皮带轮闭塞热整形过程，分析工件的成形效果和流动规律，为模具设计提供理论依据。模拟参数拟设定：凸模运行速度50mm/s，材料选用10#碳钢，工件热锻温度1000℃。

模拟分析结果表明，在成形过程中的等效应变变化较小，工件最大等效应力为84.9MPa。应力应变分布见图5，应力变化较大的区间集中在工件的上、下两端，可以说明3 点：⑴由于金属流动量较小，对中间部分的金属影响有限；⑵利用上端和底槽的金属有利于补偿皮带轮外侧的环形凸台；⑶该工艺方案可行，且易于实现精整。根据分析数据结果，凸模的成形载荷分别是12kN[图6(a)]，凹模横向合模载荷是565kN[图6(b)]。

模具设计

整形模具的结构特点是凹模采用分体结构。在整形时，工件被放入模具型腔内；在上模板下行运动时，先通过弹簧预压凹模底座，使分体凹模在滑块导向作用下能完成闭合；在凸模继续下行时，对零件进行成形，至下死点时完成零件的整形；待凸模回程时，通过拉杆带动浮动凹模上行并在弹簧的作用下分离，便于取出工件和完成皮带轮的整形精锻工序。精整模具局部示意图如图7 所示。

结束语

通过工艺分析与数值模拟结果，充分说明整形可以有效解决零件外形凹面的问题，不仅能使工件的形状接近产品的外形尺寸，而且为减少加工余量，为节约加工时间提供了有效方法。并根据整形原理要求设计了相应的整形模具。实践证明该方法可行有效，显著减少了后道车加工时间，节约了材料，提高了生产效率，降低了制造成本，实现了绿色精密制造。