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汽车离合器盘毂的冷摆辗成形研究 |
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作者：重庆大学 冯宝伟 胡亚民 敖学安 |
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摘要：介绍了汽车离合器盘毂的冷摆辗成形。冷摆辗成形件内在质量好，尺寸精度高，粗糙度低，生产工艺先进。
关键词：盘毂；冷摆辗
汽车离合器盘毂是一种在法兰上下两端面中心有轮毂凸台的圆盘零件(如图1)，若采用常规的热锻加工制坯，不仅成本高，耗材耗能，而且振动强烈，噪音大，污染环境，不宜批量生产。采用摆动辗压工艺生产汽车离合器盘毂，可使这些问题得到缓解。 
图1汽车离合器盘毂零件图
一、摆辗设备及其主要技术参数
四川内江精密冷成形件厂在1996年开始采用冷摆辗成形工艺生产离合器盘毂［1］，离合器盘毂摆辗成形件如图2所示。所使用的摆辗设备为波兰PXW-200A摆辗机，其主要技术参数如下：
最大摆辗力2000KN；摆头的运动周期400r/min；摆角0°～2°；最大滑块行程140mm；最大滑块速度135mm/s；滑块工作速度10mm/s；最大顶出行程20mm～100mm；最大顶出速度50mm/s；主电机功率30kW；油缸电机功率45kW；摆辗机轮廓尺寸(高×宽×厚)3300mm×2500mm×2100mm。
图2汽车离合器盘毂冷摆辗件图
PXW-200A型摆辗机的基本结构与PXW-100型摆辗机的结构基本相同［2，3］。摆辗机下部系液压系统，由其驱动滑块作上、下移动。摆辗机上部由电动机通过皮带传动齿轮箱带动双偏心套系统运动。由于两偏心套的运动速度、方向的相同或不同而获得圆形、直线、多叶玫瑰线和螺旋线4种运动轨迹。
二、冷摆辗的工艺流程
冷摆辗的工艺流程如图3。
图3冷摆辗工艺流程
三、冷摆辗的模具结构及材料
用作冷摆辗模具的材料较多，一般常用的冷作模具钢均可，如高铬合金工具钢、高速钢、硬质合金等。具体选用哪一种材料，与生产批量、零件形状、工艺变形特点等因素有关。我们选用Cr12MoV钢制作摆辗模具，主要由于它是高碳高铬钢种，热处理后变形小，渗透性、耐磨性、韧性优良。但要注意对模具毛坯反复镦拔锻造，使内部原有的条纹状、带状的和网状的碳化物破碎、细化和重新分布，以得到均匀分布的细小碳化物微粒。从而提高模具韧性，使其在摆辗工作时的偏心局部负载下不易开裂。
图4所示为开式摆辗模及其安装示意。该模具的优点是结构简单，对坯料尺寸的公差要求不高，缺点是摆辗成形件的椭圆度较大，为1.0mm～1.5mm。若设计成闭式模，可确保摆辗成形件的椭圆度很小。然而，此时的摆辗力较大。若模腔底部加工成尖角或圆角较小，由于应力集中易使凹模破裂失效。此外，在设计凹模时，还要考虑凹模腔与摆头相对应凸起处所形成的间隙不宜太小，以及防止在摆辗过程中产生摆头与凹模的干涉。
图4摆辗模具安装示意图
1.摆头芯杆2.坯料3.下顶料杆4.凹模5.摆头
α—摆头顶角β—凹模模面角γ—摆头与机身轴线的倾角
一般情况下，摆头顶角α＝180°-2γ。γ为摆角，参见图4。凹模模面为水平面。但由于摆辗时随进给量的不同，摆辗件法兰上下两端面变形不一致，边缘部位上翻，形成上凹下凸。为将凹模模面角β选为177°时，摆角γ选为1.5°，可以保证产品的不平度在0.06mm以内，完全满足离合器盘毂零件图要求。
在设计凹模内孔直径时，要考虑盘毂摆辗成形件在脱模后的弹性变形量。这个数据主要由试验确定。离合器盘毂的摆辗成形件直径方向的弹性变形量大致为+0.05mm。
四、冷摆辗工艺参数
离合器盘毂的摆辗件是轴对称件，所以采取圆形运动轨迹摆辗较好，摆头与机身的倾角γ取为1.5°，因为γ越小，摆辗成形体法兰的两端面越平直。
摆辗成形时间取为5s。摆辗时间应该合适。时间过长，由于45钢变形体的加工硬化，使得摆辗力剧增，容易引起离合器盘毂摆辗件法兰圆周侧表面开裂，也大大影响模具寿命。时间过短，不易使坯料在模腔内充填饱满。
五、摆辗用毛坯形状的选择
毛坯形状对摆辗件的轮廓尺寸影响很大，甚至影响到摆辗成形的成败。选择不合适，不仅摆辗出来的产品在圆周面上产生45°方向的裂纹，而且严重影响模具寿命，甚至辗压数件后就使模具破裂失效。对于离合器盘毂，我们起初采用圆柱体坯料Φ30mm×55mm直接辗压成形，由于45钢变形抗力高，加工硬化严重，盘毂法兰的Φ90mm圆周面尺寸尚未摆辗到位，在法兰圆周即产生若干条45°裂纹。因此，为了减少变形程度，可以在保证体积不变的条件下将坯料直径加大。为了坯料在凹模腔中可靠定位，于是设计成如图5所示的台阶形坯料，增加了一个与离合器轮毂凸台部位直径相同的尾部，该尾部长2mm。但在坯料高度小于摆辗成形件的高度时，摆辗成形件在轮毂高度方向充填不足。实践证明，为了使摆辗成形件在高度方向充填饱满，必须使坯料的总高度大于或者等于盘毂的总高度。
在保证体积不变的情况下，如果取高度等于盘毂的总高度H＝22.6mm时，坯料直径为φ48.5mm，采用φ50mm的有尾坯料(如图5)，也不易获得满意的在圆周面无裂纹的摆辗件。
图5离合器盘毂摆辗用毛坯
D1＝φ60mmD2＝φ30mmH1＝13.8mmH＝22.6mm
采用表1所列的坯料尺寸进行试验，发现使用φ60mm、φ70mm、φ80mm、φ90mm的阶梯坯料均可获得理想的摆辗成形件。但如果直接从圆棒料车削制坯，从节约材料的观点出发，直径越大，材料越浪费。所以我们最后确定使用φ60mm的阶梯坯料进行冷摆辗成形。表1摆辗离合器盘毂试验时所用之坯料
 如果经过压力加工制坯以后再行摆辗成形，表1中所列的各种坯料也是以φ60mm的坯料为佳。如果采用压力加工制坯时，尾部的直径相同，长度不同。尾部尺寸越短，高径比小，越易于成形。
通过试验比较，最后确定图5所示之尺寸。
六、润滑
润滑对冷摆辗成形是非常必要的。润滑合理，可以减少摆辗力，改善变形条件，又可保证摆辗件质量。否则易出现变形不均匀，甚至产生裂纹。离合器盘毂在摆辗成形时，事先对磷化皂化后的坯料涂抹机油润滑，润滑效果很好。
七、摆辗成形件的质量分析
图6表示了离合器盘毂摆辗成形件的纤维流线组织。由图可见，其金属流动合理，没有裂缝、折叠。摆辗成形时轮毂处的高度压缩量小，晶粒的大小几乎没有变化；法兰处的高度压缩量最大，晶粒的变形程度也大。由于晶粒细小，所以离合器盘毂成品的抗拉强度、屈服极限、冲击韧性及延展性都比用传统的锻造工艺获得的锻件好。
图6离合器盘毂摆辗成形件的金属流线
四川内江松林精密冷成形件厂冷摆辗生产的离合器盘毂(如图2)法兰的上下两端面完全不加工，光洁度极高。粗糙度远远比零件图上所要求的Ra＝6.3μm小，表面光泽，人影可鉴。利用2222型便携式多参数表面粗糙度测量仪测得法兰上、下底面的粗糙度Ra＝0.1μm。
热摆辗(坯料加热到1000℃)也能得到较为满意的光洁度，而且所需要的摆辗力大大下降，大体是冷摆辗成形力的40%。然而，由于摆辗过程中模具与高温坯件接触，时间长达5s，文献［4］介绍辗压50多件后就使摆头和凹模内芯变形，摆头的模面锥角α磨平成180°。日本人正在研究选择更耐磨的材料制作模具，强化模具表面以及缩短摆辗成形时间，以求达到延长热摆辗模具工作寿命之目的。
冷摆辗成形件的主要缺陷是在法兰盘的圆周侧面易产生45°斜裂纹，严重时使摆辗件开裂。如果摆辗工艺参数选择不合理，或原材料内在质量不佳，退火不好，硬度高或不均匀以及坯料的形状尺寸设计不妥，均会加剧这种缺陷。
测量冷摆辗离合器盘毂的厚度尺寸如图7左侧所示。这是由于在离合器法兰盘盘面外径最大处弹性变形最大，法兰盘盘面中部弹性变形最小，而靠近中心的部位因受轮毂凸台部位的影响，弹性变形量介于二者之间。因此法兰盘盘面边缘部位最厚，为4.20mm，盘面中部最薄，为4.12mm，靠近轮毂凸台区厚度居中，为4.17mm。而这三部份相互之间为过渡区，厚度在两者之间。
图7冷摆辗离合器盘毂的厚度和硬度分布
图7之右侧表示了冷摆辗离合器盘毂的硬度分布。因为45钢加工硬化明显，冷摆辗件法兰盘盘面中部的压缩量最大，硬化效果最大。而接近法兰盘盘面边缘部位由于接近自由表面，摩擦影响小，变形较容易，所以硬化程度小，硬度值小。盘毂中心双面均为轮毂凸台，在摆辗成形过程中变形程度最小，所以摆辗件的硬度与摆辗前坯料的硬度几乎相同。因为在变形过程中它基本上不发生加工硬化。同样从硬度最高处向硬度最低处(轮毂凸台部位和法兰盘盘面边缘部位)也是逐步过渡的。
八、结论
(1)使用阶梯形坯料可以获得质量满意的离合器盘毂摆辗成形件；
(2)在一定的工艺条件下可以使离合器盘毂摆辗成形后的法兰盘盘面平直，粗糙度达Ra＝0.1μm；
(3)离合器盘毂冷摆辗成形件不但质量上乘而且经济效益好，可以批量投产，在国内推广应用。
参考文献
［1］敖学安.离合器盘毂的冷摆辗成形.金属成形工艺，1997(5)
［2］李金生.波兰的PXW型摆辗机.机械工人，1990(3)
［3］裴兴华，张猛，胡亚民.摆动辗压.北京：机械工业出版社，1989
［4］M 凌野，张猛译.摆动辗压机的研制及应用.金属成形工艺专刊，1985(12)
［5］胡亚民.摆辗件废次品分析.机械工人，1997(5)(end)
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(6/10/2007) |
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