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两级同轴多楔式高精度旋压皮带轮的研制开发 |
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作者：马祖达 木寿金 张祖银 来源：雅式工业专网 |
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皮带轮是一种重要的机械传动零件，广泛应用於汽车、农机及轻纺工业的各种机械设备的传动中。带传动技术的不断发展令传动形式也愈加多样化，尤其是多楔带，它集平带柔性好和V带传动功率大的优点於一身，同时又能吸收冲击及振动，较之链条及齿轮来得运转安静，极有发展前途。
这种用优质钢板经过拉深、挤压、旋压生产出来的皮带轮，已基本取代了以前的铸造车削皮带轮。只是，现有的单级多楔式皮带不能用於变速传动。於是，两级同轴多楔式皮带轮应运而生—这是能用於变速传动的新型多楔式皮带轮的又一结构形式，可满足我国汽车设备和传动联结件行业的发展需求。
皮带轮常用生产的几种方法
1.用铸造或锻造毛坯经机加工成型
这是最早也是最原始的传统成型方法，现在仍被使用，特别适於单件小批量生产。
2.冲压焊接成型
将钢板冲成碟型，後将两块碟型钢板相背焊接或用铆接、螺栓联接，形成带有槽型的皮带轮。
3.冲压胀型法
先将坯条拉伸成筒状或带台阶帽状，然後通过液压机用液态凸模或分块模、或结构复杂的刚性凹模，用液压油胀出带轮槽形的皮带轮。
4.冲压、拉伸、旋压成型法
先将板料冲压成圆片，再在液压机上拉伸成带肩的帽状预制坯，最後经旋压机旋出带轮槽形的皮带轮。
以上四种皮带轮的生产方法都是从劳动中逐步发展和不断完善的。每一种方法更比前一种更有进步。第四种正是目前最流行的一种成形工艺，其生产出的槽型表面非常光滑平整、且表层具有冷作硬化层增加了皮带轮的强度，生产效率高。实际上，这种旋压新技术是应运航空工业需求出现的，代表了当今皮带轮的前沿技术和发展趋势。
旋压皮带轮加工工艺特点和工作原理
1.工艺特点
旋压技术又称金属旋压成形技术，是通过旋转使受力点由点到线由线到面，同时在某个（径向）方向给予一定压力，使金属材料沿着这一方向变形和流动而成型为某一形状的技术。这 ，金属材料必须具有塑性变形或流动性能，旋压成形不等同於塑性变形，它是集塑性变形和流动变形於一体的复杂过程。
图1 两级同轴多楔式高精度旋压皮带轮加工工艺流程
特别需要指出的是，我们所说的旋压成形技术不是单一的强力旋压和普通旋压，它是两者的结合；强力旋压用於各种筒、锥体异形体的旋压成型壳体的加工，是比较成熟的传统工艺方法，也叫滚压法。
两级同轴多楔式高精度旋压皮带轮的主要加工工艺流程如图1所示，由落料（冲片）、拉深、切边、整形、旋压大端、旋压小端、冲孔、清洗磷化、电泳等组成。旋压带轮与铸铁皮带轮相比的优点是，均采用旋压工艺制成，无切屑加工，结构轻、省材料，因而转动惯量小，是一种节料、节能的新产品。
这种生产方式的效率高，平衡性能好，一般无需平衡处理。由於材料流线不被切断，表面生产冷作硬化，组织密度得以提高，提高了轮槽表面的强度和硬度，且尺寸精度高，三角带与轮槽的滑差小，皮带寿命长。
2.工作原理和工作过程
我公司（温州市南亚汽车配件有限公司）自行研制的冷加工两级同轴多楔式高精度皮带轮（以下简称“同轴多楔式皮带轮”）是一款节能专利新产品，其具备多项优点，这也得益於制造过程中我们对国产45T三工位旋压机所进行的六工位改造。
先来看改後国产45T六工位旋压机的工作原理（设备构造参见图2）。利用旋压机产生的旋转力，在升降模轮座径向挤压的配合下使具有塑性特性的材料受力後，由点到线、由线到面使金属材料沿着这一方向变形和流动，以形成所需的特殊形状。
图2 改後国产45T六工位旋压机的构造
这款六工位旋压机的工作过程是：皮带轮帽状预制坯放入旋压机下模，主油缸开启，新增压边工作台（1）下移，压住帽状预制坯小轮，由主轴带动皮带轮旋转，一个与大端槽等宽的定位轮座（3）伸入大端槽内对将加工的皮带轮进行轴向定位，升降模轮座（6）以径向送进速度V对帽状预制坯工件载入，工件产生塑性变形，形成环行凹槽。凹槽达到一定深度後，换整型轮座对大端轮圆作整形处理，後升降模轮座（6）上移到小端位置，旋压小端，产生塑性变形，形成环行凹槽，凹槽达到一定深度後，换整型轮座对小端轮圆作整形处理，最终完成两级同轴皮带轮。
值得一提的是，在带轮旋压工艺上，我公司取得了折叠式带轮、劈开式带轮、滚压式多V型带轮和组合式带轮一系列科研成果，解决了旋压成形中的各种技术难题，并成功地用於生产。而通过比对国家标准、国际标准和客户要求资料，均说明我公司产品不仅满足各项标准和客户需求，也已达到国内领先水平。
旋压机的改进
北京航空航太大学制作工程系自1985年开始研发钣制皮带轮旋压工艺和旋压设备，至1987年10月研制出我国首台卧式旋压机，1992年又研制出45T三工位立式旋压机（图3）。
图3 原国产45T三工位旋压机的基本结构
该机主要部件有机座（4），机架导柱（6），上工作台（2）在主缸（1）的牵动下，上下移动，主轴（3）由电机输出轴锥齿轮传动的坯料装在主轴上的下模座上，启动主缸使上工作台下移。装在上工作台上的上模座将坯料夹紧，开启电机主轴转动。开启相应的模轮座(5)进给，开始旋压，旋压完成後，主油缸启动上工作台上移。顶出缸工作，通过顶杆将旋压好的带轮顶出一卸料。
从单级带轮的加工过程可以看出，国内现有设备在工件夹紧过程中只有一个上工作台，只能完成一级旋压。如加工两级同轴多楔式只能在完成一道旋压以後卸下工件，更换模具再旋压另一级，而在更换模具重新装夹的过程中两次装夹的同轴度很难得到保证，因此旋压出皮带轮的两级跳动误差加大，两级楔间距误差也很难控制。为此，必须实现一次装夹完成两级旋压。
考虑到两级同轴多楔式产品加工的工作负荷较大，我们将国产立式45T三工位旋压机进行了六工位改造。
1.增加压边工作台
要想达到一次装夹後完成两次旋压，必须保证在旋第一级时将另外一级外径用模具保护起来，同时将第一级两轴向侧面压住（即：压边），以保证在旋压过程中坯料受挤压时产品的长度尺寸不会发生改变。在第一级旋好後旋压第二级时，将原来起保护外缘用的模具（以下称压边模）撤掉，使第二级外缘露出以便进行旋压，而此时坯料必须处於压紧状态。
现有设备压边模是安装在上工作台上，当上工作台带动压边模升起时坯料的轴向即处於自由状态，第二级将无法旋压，因此要想实现一次装夹完成二级旋压就必须增加一套压边装置。
2.增加旋压工位
如图4所示，两级同轴皮带轮的两个级处於带轮不同的轴向位置，同时对於多楔式带轮两级的槽数又不一定相等，所需的挤压模轮也不一定相同，现有旋压机只有三个工位，而每一级带轮的加工至少需用两个工位（即：挤压、挤槽两个旋模轮），现有旋压机的工位模轮座不能垂直移动，无法完成轴向高度不同的两级挤压。
图4 升降模轮座
因此，若要实现一次装夹完成二级旋压就必须增加工位，并使工位模轮座能够垂直移动。
综上所述,旋压机通过增加压边工作台、升降模轮座实现了可以旋压两级同轴多楔式皮带轮之目的。
关键技术与主要创新点
这款两级同轴多楔式高精度皮带轮是浙江省唯一一家采用冷加工工艺成功制造的同类产品，已在汽车轮系（水泵皮带轮、风扇皮带轮、转向泵皮带轮、发电机皮带轮）、拖拉机、农业机械、食品机械、纺织机械上被采用，并取得了用户认可。
其关键技术是冷加工两级同轴多楔式高精度皮带轮成型工艺的创新设计，创新点则在於，冷加工两级同轴多楔式高精度皮带轮成型工艺过程中克服了多次装夹调模对皮带轮精度的影响，达到一次装夹成型，从而保证实现皮带轮产品精度之目的。
以下分别列出其主要创新点。
1.工艺创新，采用旋压工艺制成，无切屑加工
用於变速传动的该皮带轮，其精度要求很高。而长期以来，使用国内现有加工设备进行生产有较大难度。旋压皮带轮是用旋压机通过各种已成标准型的靠模向被加工的旋转物体（钢板）逐渐靠近，用外力迫使其产生想要实现的变形，这种用薄钢板通过旋压方法制成的皮带轮，一次只能旋压一级楔槽，两级皮带轮要经过二次装夹、旋压，两次更换模具。这样一来，两级带轮的同轴度很难保证，而且生产效率也很低。
对此，我们从改革生产工艺入手，经过多年研究和实践，将国产45T三工位旋压机改为六工位旋压机，一次装夹可同时加工滚压出大、小两端楔形轮槽，保证了两级间同轴度要求，生产出高精度产品。
2.省材料省时间，生产效率高，平衡性能好，使用寿命长
传统的皮带轮材料为铸件（铸铁、铸铝及其合金），生产工艺必须先经做模型—做砂型—铸造成型—制成毛坏，後再经金加工、金属切削去除材料最後加工完成。整个铸造过程不仅劳动强度大且环境恶劣，在机械切削过程中还需去除大量金属材料，这不仅浪费资源且耗时长，对於铸造过程中的质量不均匀（砂眼、气孔等），还需事後进行静平衡处理。
新的加工工艺则规避了这些缺点，并令生产效率得以提升(每分钟加工2~4件)。
3.旋压带轮转动惯量小、平衡性能好，表面粗糙度和精度
薄板冷旋压皮带轮是以钢板为坯料，通过冲裁和拉深成形为预制毛坯，在带轮旋压机上使毛坯在轴向与径向产生预定的塑性变形而制成的。由於钢板组织结构比铸件严密，抗拉强度又大大高於铸件，不会有任何多余材料；另外，薄板冷旋压皮带轮的品质轻且转动惯量小、动力矩小，可达到节能省材效果（节约原材料30-50%）、平衡性能好，表面精度高，使设备启动和运转过程中的整机振动和噪音大幅降低。
4.提高了组织密度，使轮槽表面的强度和硬度高
薄板冷旋压皮带轮，在旋压加工过程中由於材料流线不被切断，表面生产冷作硬化，改善了组织密度和表面粗糙度，使轮槽表面的强度和硬度提高，并且尺寸精度高，皮带（三角带）与轮槽的接触面大，打滑（差）小，皮带（三角带）寿命长。
5.旋压设备的创新设计
改革工艺的首要问题是有能够完成新工艺加工的生产设备，现有的生产设备，由於结构缺陷难以完成一次成形的旋压任务，为了保证冷加工两级同轴多楔式高精度皮带轮的同轴度就必须保证一次装夹旋压成型，这样旋压机上必须加一套压边装置和升降模轮座，为我们的成功研制奠定了基础。
结论与展望
经我公司科技人员通过对旋压机实施改造，实现了两级同轴多楔式高精度皮带轮的加工。该成果在2009年上半年通过浙江省专家鉴定委员会的鉴定，一致认为：“该产品通过工艺创新和设计专用的旋压设备，采用一次装夹实现了两级同轴多楔式皮带轮的冷旋压加工。产品具有精度高、重量轻、外型美观、机械性能好、节能、节材等特点，开发该产品的专用旋压机具有自主知识产权，其制造工艺处国内领先水平。”
该成果的开发在得到产品成果的同时，也得到了旋压设备改造成果。改造後设备的加工程式得以简化，工人劳动强度减轻，设备利用率进一步提高，扩大了模具材料的选择范围，且设备安全可靠，操作便捷。
旋压皮带轮的形式和特点
旋压皮带轮一般有四种基本形式：折叠式带轮、劈开式带轮、平步带轮、和滚压式多V型带轮（也称多楔带轮）。多楔式皮带轮中又分为单级和多级，两级同轴多楔式皮带轮是多楔式皮带轮多级中之一，提高两级同轴多楔式皮带轮加工精度已成为当前生产多楔式皮带轮企业与国际接轨的重要标志。
多楔带轮
多楔带由顶层纤维、张力线和底层橡胶三部分组成。其结构和材料构成特点使其具有厚度薄、伸长率低、传动比大、带速高、耐磨、寿命长、运转平稳、振动小、杂讯低的优点。
两级同轴多楔式皮带轮由一大一小两个直径不同的轮圆和在轮圆上开出的多条多楔式皮带槽组成。其结构特点在於，为保证设备带传动的运转平稳性，一大一小两个直径不同的轮圆的圆中心必须为同一中心，皮带槽左右对称，皮带槽中心与轮圆中心相垂直。(end)
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(9/21/2009) |
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