汽车发动机V型皮带轮旋压工艺.doc

汽车发动机V型皮带轮的旋压工艺

吉林大学 韩英淳 金秉实 辛华 张丽萍

[摘要] 为了提高产品质量，节省材料和提高生产率，采用劈开式旋压工艺将拉深的毛坯旋压成汽车发动机用V 型或多楔式皮带轮。所研制的旋压式皮带轮的产品质量及技术性能达到了国际同类产品的水平。
关键词：汽车发动机 V 型皮带轮 旋压

1 引言

皮带轮是一种重要的机械传动零件，它广泛应用于汽车、农机及轻纺工业的各种机械设备的传动中。皮带轮的传统制造工艺是采用铸造工艺制成毛坯，再经切削加工制成，传统制造工艺的缺点是严重浪费材料、生产率低、产品精度低，所生产的皮带轮产品因精度低，需要进行平衡处理。为了克服传统工艺的缺点并实现皮带轮的轻量化，近30 年来世界各国均致力于用板料液压涨形[1]或旋压成形板料皮带轮的研究开发[2]、[3]。其中具有代表意义的是德国莱菲尔德公司（LEIFELD）研制的劈开式旋压皮带轮工艺及专用皮带轮旋压机，采用此工艺与设备生产的皮带轮迅速应用于汽车发动机上，并带动了各国在该领域的研究与应用。在我国北京航空航天部工艺研究所最早开始该方面的研究工作，并于15 年前在河北省景县合作建立了国内第一条旋压V 型皮带轮生产线[4]，采用引进德国专用旋压机和旋压技术，产品为上海桑塔纳、北京切诺基、天津夏利等车型配套。为了适应中国第一汽车集团公司轿车产品发展的需要，实现就地就近配套，我们在一汽集团和长春市有关部门的支持下，于1998 年开始汽车发动机V 型皮带轮旋压工艺的研究，至2000 年末研制出合格产品，产品通过国家汽车质量监督检验中心检测合格后，进行批量试装，并被一汽集团确认为配套产品。

2 V 型皮带轮的旋压成形工艺

2.1 V 型皮带轮旋压工艺原理

如图1 所示，将拉深成盂并带有中心孔的皮带轮毛坯3 放进专用旋压机的芯模工件上装夹后，芯模连同毛坯随旋压机主轴旋转，之后具有硬质尖角的旋轮1 对毛坯的矩形截面的边缘作逐渐径向进给劈入，于是将其边缘面劈开呈“Y”字形两部分。依次有序连续进给，被旋金属产生连续局部塑性变形，便可得到皮带轮轮槽的截面形状。

1—旋轮 2—芯模 3—工件
图1 V型皮带轮的劈入旋压成形原理
2.2 V 型皮带轮的分类及其旋压成形过程

根据V 型皮带轮的结构和旋压变形特点，可分为三大类：折叠式皮带轮（图2a）、多楔式皮带轮（图2b）、剖分式皮带轮（图2c）。

图2 V型皮带轮的分类
由于折叠式皮带轮的变形特点是改变毛坯截面沿轴向的形状，而板料厚度基本不减薄。因此，为了控制皮带轮V 型槽底部不减薄，在旋压过程中要采用逐步过渡的旋压工艺过程。而且要先预旋成形后精旋成形两步成形，并同时要对毛坯轴向加压以补充材料并产生折叠。

多楔式皮带轮的成形是首先用预旋旋轮对毛坯径向加载进给使毛坯在厚度方向上产生预定的局部增厚，然后再用精旋旋轮精旋，于是增厚后形成多V 型楔式皮带轮。

剖分式皮带轮的成形是先用尖劈旋轮对准毛坯厚度矩形截面的1/2 处做径向进给，在厚度方向上劈成一分为二。之后用成型旋轮旋压成V 型槽。

2.3 旋压设备与工艺装备

2.3.1 旋压设备

选用国产立式皮带轮专用旋压机作为主机设备，旋压机的主要技术指标见表1，我们在生产线上采用2 台45t 三工位旋压机，一台20t 二工位旋压机，并匹配了液压机、冲床、剪板机电泳涂装线等通用设备。
表1 专用旋压机的主要技术参数

表2 加工制品的范围

2.3.2 旋压工艺装备

（1）整形与整修模具

为保证产品质量和定位精度，对拉深毛坯需进行整形以使同轴度和平面度提高。另外应对被旋压毛坯的外缘进行整修，保证表面平整。整形模与整修模设计参照文献[5]。

（2）旋轮与芯模

旋轮是使旋压工艺取得良好效果的关键因素之一。皮带轮的外径尺寸、轮槽形状及表面粗糙度都靠旋轮来保证。在工作时，旋轮与毛坯局部接触，承受着巨大的接触压力、剧烈的摩擦和较高的工作温度。

因此，工作条件要求旋轮的材质应具有足够高的强度、硬度、强韧性和耐磨性。我们采用Cr12MoV 高铬工具钢制造旋轮，同时采用较严格的热处理工艺，淬火前进行正火消除应力，淬火硬度为57~59HRC。

要根据产品图纸对皮带轮槽型及槽角的要求设计旋轮的形状尺寸，根据旋压设备对旋轮最大和最小尺寸的要求来确定旋轮的直径。为了增加旋轮的使用寿命，其工作表面要进行抛光使其表面粗糙度达到0.4 m m。

芯模是旋压过程中不可缺少的工艺装备。旋压时芯模的外表面与皮带轮的内表面接触，一方面起支承定位作用，另一方面其工作表面还要承受相当大的局部作用力及材料变形流动而引起的剧烈摩擦。因此，对芯模的要求是兼顾强度、刚度及强韧性。实际中我们采用的是用20CrMnTi 钢制造芯模，表面淬火硬度为45HRC。

为了实现自动卸模并提高生产率，我们设计了偏心支撑轮结构的组合芯模，其工作原理是：利用旋压机下顶出的不旋转，用一偏心轴承体通过长螺栓与之固定，又通过一圈滚柱把偏心固定在偏心轴承体上。这样便达到偏心轮既能自转又中心固定的目的。经过反复试验，实现了旋压皮带轮的自动卸件。

2.4 生产工艺流程

V 型皮带轮旋压生产线的工艺流程及各工序的制品如图3 所示。

图3 V型皮带轮旋压线工艺流程及各工序制品
3 产品技术性能指标与经济效益分析

3.1 产品主要技术性能指标与国内外同类产品的对比

我们所旋压的V 型皮带轮产品经国家汽车质量监督检验中心（长春汽车研究所）按照中国第一汽车集团公司的企业标准Q/CACB1000－3－1996，进行了样品检查与480 小时的台架试验。经检查尺寸合格，经过480 小时可靠性试验未见异常。检验结论是：产品合格。

我们研制与生产的V 型旋压皮带轮的主要技术性能指标同国内外同类产品对比情况见表3。
表3 产品的主要技术性能指标

3.2 经济效益分析及国内市场需求量分析

采用板料旋压V 型皮带轮具有显著的经济效益：

（1）材料利用率较高，较传统工艺材料利用率提高15％~30％。
（2）产品重量轻，较切削加工的皮带轮轻30％~60％。
（3）生产率高（2~3 件/分钟），比传统工艺提高4 倍以上。
（4）产品转动惯量少，平衡性好，不需再平衡处理。

总计旋压V 型皮带轮能比传统方法生产皮带轮降低生产成本25％~30％。

至2000 年我国共生产各种汽车200 万辆。若按每辆汽车采用旋压Ｖ型皮带轮4 件计算，仅配套装车一年就需皮带轮800 万件，社会配件市场需求量按配套装车用量的1/4 计算，配件市场的年需求量为200万件。故国内汽车行业对皮带轮的总需求量在1000 万件至1500 万件之间。随着我国汽车工业的快速发展，对旋压V 型皮带轮的需求量会越来越大。

4 结论

V 型皮带轮旋压工艺是一种快捷、高效的连续局部塑性成形新工艺，它与传统工艺相比具有节材、节能、降低成本等综合经济效益。旋压的V 型皮带轮产品质量好，不需要平衡处理，特别适用于汽车发动机的皮带轮。采用本工艺所生产的皮带轮已实现就近为中国第一汽车集团公司的CA488 发动机和CA7120 红旗轿车的水泵、曲轮及风扇轮等配套。旋压皮带轮还可推广应用于机械、轻工、家电等行业，具有广阔的国内市场与应用前景。

参考文献
1 《冲模设计手册》编写组．冲模设计手册．北京：机械工业出版社，1988， 365~367
2 王成和，刘克璋编．旋压技术．北京：机械工业出版社，1986， 88~89
3 日本塑性加工学会编．スピニンゲ加工技? ．东京：日刊工业新? 社．1984，123~125
4 中国汽车工业总公司汽车资料服务部编印．北京：引进汽车零部件企业名录．1996， 55~56
5 王孝培主编．实用冲压技术手册．北京：机械工业出版社，2001， 145~148
汽车发动机V型皮带轮的旋压工艺

吉林大学 韩英淳 金秉实 辛华 张丽萍

[摘要] 为了提高产品质量，节省材料和提高生产率，采用劈开式旋压工艺将拉深的毛坯旋压成汽车发动机用V 型或多楔式皮带轮。所研制的旋压式皮带轮的产品质量及技术性能达到了国际同类产品的水平。
关键词：汽车发动机 V 型皮带轮 旋压

1 引言

皮带轮是一种重要的机械传动零件，它广泛应用于汽车、农机及轻纺工业的各种机械设备的传动中。皮带轮的传统制造工艺是采用铸造工艺制成毛坯，再经切削加工制成，传统制造工艺的缺点是严重浪费材料、生产率低、产品精度低，所生产的皮带轮产品因精度低，需要进行平衡处理。为了克服传统工艺的缺点并实现皮带轮的轻量化，近30 年来世界各国均致力于用板料液压涨形[1]或旋压成形板料皮带轮的研究开发[2]、[3]。其中具有代表意义的是德国莱菲尔德公司（LEIFELD）研制的劈开式旋压皮带轮工艺及专用皮带轮旋压机，采用此工艺与设备生产的皮带轮迅速应用于汽车发动机上，并带动了各国在该领域的研究与应用。在我国北京航空航天部工艺研究所最早开始该方面的研究工作，并于15 年前在河北省景县合作建立了国内第一条旋压V 型皮带轮生产线[4]，采用引进德国专用旋压机和旋压技术，产品为上海桑塔纳、北京切诺基、天津夏利等车型配套。为了适应中国第一汽车集团公司轿车产品发展的需要，实现就地就近配套，我们在一汽集团和长春市有关部门的支持下，于1998 年开始汽车发动机V 型皮带轮旋压工艺的研究，至2000 年末研制出合格产品，产品通过国家汽车质量监督检验中心检测合格后，进行批量试装，并被一汽集团确认为配套产品。

2 V 型皮带轮的旋压成形工艺

2.1 V 型皮带轮旋压工艺原理

如图1 所示，将拉深成盂并带有中心孔的皮带轮毛坯3 放进专用旋压机的芯模工件上装夹后，芯模连同毛坯随旋压机主轴旋转，之后具有硬质尖角的旋轮1 对毛坯的矩形截面的边缘作逐渐径向进给劈入，于是将其边缘面劈开呈“Y”字形两部分。依次有序连续进给，被旋金属产生连续局部塑性变形，便可得到皮带轮轮槽的截面形状。

1—旋轮 2—芯模 3—工件
图1 V型皮带轮的劈入旋压成形原理
2.2 V 型皮带轮的分类及其旋压成形过程

根据V 型皮带轮的结构和旋压变形特点，可分为三大类：折叠式皮带轮（图2a）、多楔式皮带轮（图2b）、剖分式皮带轮（图2c）。

图2 V型皮带轮的分类
由于折叠式皮带轮的变形特点是改变毛坯截面沿轴向的形状，而板料厚度基本不减薄。因此，为了控制皮带轮V 型槽底部不减薄，在旋压过程中要采用逐步过渡的旋压工艺过程而且要先预旋成形后精旋成形两步成形，并同时要对毛坯轴向加压以补充材料并产生折叠。

多楔式皮带轮的成形是首先用预旋旋轮对毛坯径向加载进给，使毛坯在厚度方向上产生预定的局部增厚，然后再用精旋旋轮精旋，于是增厚后形成多V 型楔式皮带轮。

剖分式皮带轮的成形是先用尖劈旋轮对准毛坯厚度矩形截面的1/2 处做径向进给，在厚度方向上劈成一分为二。之后用成型旋轮旋压成V 型槽。

2.3 旋压设备与工艺装备

2.3.1 旋压设备

选用国产立式皮带轮专用旋压机作为主机设备，旋压机的主要技术指标见表1，我们在生产线上采用2 台45t 三工位旋压机，一台20t 二工位旋压机，并匹配了液压机、冲床、剪板机电泳涂装线等通用设备。
表1 专用旋压机的主要技术参数

表2 加工制品的范围

2.3.2 旋压工艺装备

（1）整形与整修模具

为保证产品质量和定位精度，对拉深毛坯需进行整形以使同轴度和平面度提高。另外应对被旋压毛坯的外缘进行整修，保证表面平整。整形模与整修模设计参照文献[5]。

（2）旋轮与芯模

旋轮是使旋压工艺取得良好效果的关键因素之一。皮带轮的外径尺寸、轮槽形状及表面粗糙度都靠旋轮来保证。在工作时，旋轮与毛坯局部接触，承受着巨大的接触压力、剧烈的摩擦和较高的工作温度。

因此，工作条件要求旋轮的材质应具有足够高的强度、硬度、强韧性和耐磨性。我们采用Cr12MoV 高铬工具钢制造旋轮，同时采用较严格的热处理工艺，淬火前进行正火消除应力，淬火硬度为57~59HRC。

要根据产品图纸对皮带轮槽型及槽角的要求设计旋轮的形状尺寸，根据旋压设备对旋轮最大和最小尺寸的要求来确定旋轮的直径。为了增加旋轮的使用寿命，其工作表面要进行抛光使其表面粗糙度达到0.4 m m。

芯模是旋压过程中不可缺少的工艺装备。旋压时芯模的外表面与皮带轮的内表面接触，一方面起支承定位作用，另一方面其工作表面还要承受相当大的局部作用力及材料变形流动而引起的剧烈摩擦。因此，对芯模的要求是兼顾强度、刚度及强韧性。实际中我们采用的是用20CrMnTi 钢制造芯模，表面淬火硬度为45HRC。

为了实现自动卸模并提高生产率，我们设计了偏心支撑轮结构的组合芯模，其工作原理是：利用旋压机下顶出的不旋转，用一偏心轴承体通过长螺栓与之固定，又通过一圈滚柱把偏心固定在偏心轴承体上。这样便达到偏心轮既能自转又中心固定的目的。经过反复试验，实现了旋压皮带轮的自动卸件。

2.4 生产工艺流程

V 型皮带轮旋压生产线的工艺流程及各工序的制品如图3 所示。

图3 V型皮带轮旋压线工艺流程及各工序制品
3 产品技术性能指标与经济效益分析

3.1 产品主要技术性能指标与国内外同类产品的对比

我们所旋压的V 型皮带轮产品经国家汽车质量监督检验中心（长春汽车研究所）按照中国第一汽车集团公司的企业标准Q/CACB1000－3－1996，进行了样品检查与480 小时的台架试验。经检查尺寸合格，经过480 小时可靠性试验未见异常。检验结论是：产品合格。

我们研制与生产的V 型旋压皮带轮的主要技术性能指标同国内外同类产品对比情况见表3。
表3 产品的主要技术性能指标

3.2 经济效益分析及国内市场需求量分析

采用板料旋压V 型皮带轮具有显著的经济效益：

（1）材料利用率较高，较传统工艺材料利用率提高15％~30％。
（2）产品重量轻，较切削加工的皮带轮轻30％~60％。
（3）生产率高（2~3 件/分钟），比传统工艺提高4 倍以上。
（4）产品转动惯量少，平衡性好，不需再平衡处理。

总计旋压V 型皮带轮能比传统方法生产皮带轮降低生产成本25％~30％。

至2000 年我国共生产各种汽车200 万辆。若按每辆汽车采用旋压Ｖ型皮带轮4 件计算，仅配套装车一年就需皮带轮800 万件，社会配件市场需求量按配套装车用量的1/4 计算，配件市场的年需求量为200万件。故国内汽车行业对皮带轮的总需求量在1000 万件至1500 万件之间。随着我国汽车工业的快速发展，对旋压V 型皮带轮的需求量会越来越大。

4 结论

V 型皮带轮旋压工艺是一种快捷、高效的连续局部塑性成形新工艺，它与传统工艺相比具有节材、节能、降低成本等综合经济效益。旋压的V 型皮带轮产品质量好，不需要平衡处理，特别适用于汽车发动机的皮带轮。采用本工艺所生产的皮带轮已实现就近为中国第一汽车集团公司的CA488 发动机和CA7120 红旗轿车的水泵、曲轮及风扇轮等配套。旋压皮带轮还可推广应用于机械、轻工、家电等行业，具有广阔的国内市场与应用前景。

参考文献
1 《冲模设计手册》编写组．冲模设计手册．北京：机械工业出版社，1988， 365~367
2 王成和，刘克璋编．旋压技术．北京：机械工业出版社，1986， 88~89
3 日本塑性加工学会编．スピニンゲ加工技? ．东京：日刊工业新? 社．1984，123~125
4 中国汽车工业总公司汽车资料服务部编印．北京：引进汽车零部件企业名录．1996， 55~56
5 王孝培主编．实用冲压技术手册．北京：机械工业出版社，2001， 145~148