冷擠壓技術(shù)在汽車燃油泵泵殼上的運(yùn)用

冀榮禮

（南京金城三國機(jī)械電子有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

作為汽車燃油泵的重要組成部件，泵殼一直是影響供油系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。在泵殼的制造過程中，原有的工藝方法是壓鑄成型，直接導(dǎo)致了原材料的浪費(fèi)以及能耗的增加。冷擠壓技術(shù)由于具有節(jié)約材料、降低能耗、致密性高等優(yōu)點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用。

某款汽車燃油泵冷擠壓泵殼的研制，由于之前無任何實(shí)際經(jīng)驗(yàn)積累，僅有顧客圖紙要求，所以存在很大的風(fēng)險(xiǎn)及不確定性?；诖?，我們?cè)诩细鞣劫Y源的基礎(chǔ)上，確定冷擠壓的工藝方案及各過程的關(guān)鍵點(diǎn)，以滿足圖紙要求。

1 零件分析

某款泵殼外形尺寸直徑為41.5 mm，厚度為14.3 mm，內(nèi)腔深度為4.2 mm。其中涵蓋兩個(gè)通孔及部分環(huán)槽、凹槽等。該結(jié)構(gòu)為非對(duì)稱回轉(zhuǎn)體，對(duì)加工裝配定位同軸度、圓度等有較高的要求。

2 確定初坯料

2.1 原料制造

由于某款泵殼為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，因此原料只能為圓柱形狀。目前市場(chǎng)上沒有類似形狀的原料可直接購買，因此需要采購坯料并進(jìn)行加工?，F(xiàn)行坯料加工工藝通常采用兩種方式：切制和沖壓。沖壓的優(yōu)點(diǎn)是下料效率高，重量控制精確，缺點(diǎn)是板料厚度、精度要求高，材料利用率低（材料有效利用率在60%～70%之間）。而切制的優(yōu)點(diǎn)是重量控制精確，材料使用率高，缺點(diǎn)是下料效率低。從成本角度及采購市場(chǎng)角度出發(fā)，我們最終確定采用切制的方式加工原料。

在明確原料切制方式后，就需要確定圓棒料直徑的大小。直徑過大，會(huì)給后道擠壓模具設(shè)計(jì)及制造帶來很大難度；直徑過小，后續(xù)擠壓產(chǎn)品無法成型。因此，必須選擇直徑合適的圓棒料。根據(jù)該款產(chǎn)品的大小選擇直徑為20 mm的棒料。每次切制長(zhǎng)度的選擇由產(chǎn)品所需的重量決定。由于冷擠壓工藝去除的余量較少，因此可以根據(jù)成品圖中的產(chǎn)品重量乘以系數(shù)1.2作為參考。根據(jù)該款泵殼的重量，選擇每次下料長(zhǎng)度為30 mm，同時(shí)切削10根圓棒料，自動(dòng)控制進(jìn)給量，既提高了工作效率，又使重量得到了有效控制。保證長(zhǎng)度公差在±0.05 mm以內(nèi)，從而控制重量范圍在±0.10%（具體公差需求由模具精度決定）。需要特別注意的是，切制后原料的重量一定要控制在一個(gè)極小的范圍內(nèi)，范圍越小后續(xù)冷擠壓的尺寸一致性就會(huì)越高。對(duì)于切制后的原料所產(chǎn)生的毛刺飛邊需要清理徹底，不能帶入到下道工序（后續(xù)擠壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生表面缺陷），可采用振動(dòng)去毛刺方式去除毛刺及飛邊。

2.2 切片制造

2.2.1 初坯料制造

將切制后的原料在沖床上進(jìn)行沖壓處理。該工序需要制作一個(gè)模具定置在沖床上放置原料。具體結(jié)構(gòu)為在一金屬塊上銑一個(gè)圓柱，將原料放置在其中進(jìn)行沖壓，得到一個(gè)初坯料（形狀為圓餅狀）。銑削的圓柱直徑由后續(xù)冷擠壓模具的進(jìn)料口直徑?jīng)Q定（通常比擠壓模具的進(jìn)料口直徑小1～2 mm），并參照所選用坯料的材質(zhì)。鋁及鋁合金的許用變形程度一般在75%～99%，該款油泵泵殼需要制作φ40 mm左右的圓柱，其變形程度為：ε=（40-22）÷40×100%=45%，小于75%，因此從理論上可以實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 退火處理

粗坯料的硬度大約在HB45，為了后續(xù)冷擠壓能夠順利進(jìn)行，需要對(duì)粗坯料進(jìn)行退火處理。目的是降低硬度，以利于切削加工；細(xì)化晶粒，改善組織，提高機(jī)械性能；消除內(nèi)應(yīng)力，并為后續(xù)的熱處理工序做準(zhǔn)備；提高材料的塑性和韌性，便于進(jìn)行冷擠壓。

該款燃油泵泵殼材料牌號(hào)為6082，接近純鋁，因此在退火時(shí)需要將溫度控制在380～420℃，時(shí)間控制在4 h，退火后的硬度范圍為HB32～38。

2.2.3 表面處理

粗坯料在退火之后的工序就是表面處理。和大多數(shù)冷擠壓產(chǎn)品一樣，該款泵殼也需要進(jìn)行磷化皂化處理。

在進(jìn)行磷化皂化處理前必須要進(jìn)行表面清洗，主要是去除表面氧化層及表面污漬、異物。表面清洗可以采用第一道酸洗，第二道第三道水洗的方式進(jìn)行。所謂“磷化皂化”，是指磷化后再皂化的一種工藝，磷化的主要成分是磷酸鹽，皂化的主要成分是硬脂酸鋅（粉狀）。首先對(duì)粗坯料進(jìn)行磷化處理，其目的是在產(chǎn)品表面形成片狀晶格組織的“網(wǎng)格”，磷化膜膜厚一般為8～12 μm。然后再將粗坯料放入到皂化液中，這些網(wǎng)格可以使皂化粉更加深入到這些網(wǎng)格內(nèi)。皂化的目的是進(jìn)一步增加潤滑性能。產(chǎn)品一旦受擠壓，那些在網(wǎng)格中的皂化粉就會(huì)被擠出，使得潤滑效果進(jìn)一步提高。

綜上，切片一般按擠壓產(chǎn)品毛坯形狀和重量（體積）制造，原則上需遵守：（1）方便制作；（2）長(zhǎng)度L/直徑D≥1。切片可以制成圓柱形、方型、圓筒形等，也可以采用多次預(yù)成型（一次成型無法實(shí)現(xiàn)或合格率不高）。

切片尺寸、重量（體積）計(jì)算的原則為等體積法計(jì)算。即：切片體積Vq=產(chǎn)品毛坯體積Vm+飛邊（溢料槽）體積Vf。首先，初步確認(rèn)切片的直徑，原則上同毛坯的直徑一致（考慮到切片需要放入模腔內(nèi)，切片直徑應(yīng)比模腔直徑小1～2 mm）。其次，按設(shè)置的切片的直徑和預(yù)估的毛坯重量計(jì)算出切片的長(zhǎng)度并進(jìn)行重量校正。最后再根據(jù)校正得到的最大、最小重量確定切片尺寸的公差。

3 模具設(shè)計(jì)

冷擠壓模具主要分為?？?、凹模、凸模、導(dǎo)柱、頂桿等幾大部分。具體可以從以下幾點(diǎn)進(jìn)行剖析。

3.1 冷擠壓模具的分類

（1）按成型工藝一般可分為：正擠壓模、反擠壓模和復(fù)合擠壓模三類。

正擠壓：擠壓時(shí)金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向一致。

反擠壓：擠壓時(shí)金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反。

復(fù)合擠壓：擠壓時(shí)一部分金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向一致，一部分金屬的流動(dòng)方向與凸模運(yùn)動(dòng)方向相反。

（2）按導(dǎo)向方式可分為：無導(dǎo)向敞開模、導(dǎo)柱模、導(dǎo)套、導(dǎo)向模和模口導(dǎo)向模。

（3）按精度可分為：粗級(jí)模（敞開式）、一般精度模（半密閉式）和精密模（密閉式）。

該款油泵泵殼零件圖紙要求精度很高，設(shè)備為油壓機(jī)，因此需要采取正擠壓導(dǎo)柱式精密模設(shè)計(jì)模具。

3.2 擠壓模具零件分類

（1）按工藝零件分：

1）工作零件：直接使材料變形，對(duì)切片進(jìn)行加工，如：凸模、凹模、頂桿、頂出套等。

2）定位零件：使切片得以在模具上正確的定位，如：導(dǎo)向板、擋料銷。

3）卸料零件：將抱在凸模上或滯留在凹模中的擠壓件卸下或頂出，如：頂桿、卸料板頂出套等。

（2）按輔助零件分：

1）導(dǎo)向零件：保證模具上、下部分對(duì)正、吻合，如：導(dǎo)柱、導(dǎo)套。

2）支撐零件：支撐或固定模具零件，如：上模板、下模座、凸凹模固定板、凹模內(nèi)外應(yīng)力圈、墊板等。

3）緊固零件：將模具工作零件與輔助零件固緊在一起，如：螺釘、螺栓等。

這些都是支持模具是否能夠正常運(yùn)行及達(dá)到預(yù)期壽命的關(guān)鍵，因此在設(shè)計(jì)時(shí)一定要格外留意，并在量產(chǎn)時(shí)對(duì)易損件備有庫存。

3.3 模具主要部件的結(jié)構(gòu)和特殊要求

（1）模具總圖要求：模架的上、下模板的平行度小于0.1 mm，導(dǎo)柱（導(dǎo)套）和凸模對(duì)上下模座的垂直度小于0.05 mm，導(dǎo)柱、導(dǎo)套和型芯的配合精度不低于IT7級(jí)。

（2）凸模固定方式：壓板式和螺套式。

該款泵殼采用的壓板是凸模固定方式（裝卸簡(jiǎn)便）。模具總圖要求的相關(guān)尺寸與后續(xù)冷擠壓的產(chǎn)品尺寸是否符合要求及產(chǎn)品局部是否有缺陷有著直接關(guān)聯(lián)。

3.4 凹模的粗糙度和放氣槽的作用

被擠壓的材料在凹模型腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)，其表面的流動(dòng)阻力遠(yuǎn)大于中部，故而表面會(huì)產(chǎn)生反向“拉應(yīng)力”，反向“拉應(yīng)力”的作用就會(huì)阻礙材料的流動(dòng)造成材料的“充填”不滿。因此，凹模表面的粗糙度越高，反向“拉應(yīng)力”就越小，成型就越容易。

被擠壓的材料在一定速度的擠壓下，材料內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生巨大的“內(nèi)壓力”，阻礙材料的流動(dòng)并對(duì)凹模模腔形成壓應(yīng)力，造成產(chǎn)品局部成型困難和模腔開裂等。因此根據(jù)需要開制一些放氣槽是非常有必要的。

3.5 凸模型芯的溢料槽設(shè)計(jì)

被擠壓的材料在凹模模腔內(nèi)會(huì)形成三向均衡的壓應(yīng)力，一旦一處受到“反向拉應(yīng)力”時(shí)，材料的流動(dòng)將會(huì)被阻滯。在非對(duì)稱的擠壓產(chǎn)品中為了消除這種“反向拉應(yīng)力”，在模具設(shè)計(jì)凸模型芯時(shí)通常會(huì)設(shè)計(jì)出一種“溢料槽”，其目的就是將被滯阻的流動(dòng)材料所產(chǎn)生的“反向拉應(yīng)力”消除，以達(dá)到被擠壓材料均衡流動(dòng)的目的。

模具在設(shè)計(jì)的時(shí)候一定要考慮到上述幾點(diǎn)的相關(guān)要求，缺一不可。

4 冷擠壓壓力計(jì)算

4.1 總壓力計(jì)算

總壓力的計(jì)算公式為：

式中，P為總擠壓力（kN）；P0為平均單位擠壓力（簡(jiǎn)稱單位擠壓力，MPa）；A為凸模與切片直接接觸表面在水平面上的投影面（mm2）；C為安全系數(shù)，考慮到模具的材質(zhì)、潤滑程度及軟化（退火）程度等，一般取C≥1.3。

4.2 單位擠壓力的計(jì)算

目前對(duì)單位擠壓力尚無準(zhǔn)確完善的計(jì)算方法或公式或圖表，因此一般采用簡(jiǎn)易的計(jì)算方法：查取各種材料的單位擠壓力的近似值，比如：純鋁大約600～800 MPa，鋁合金大約800～1 000 MPa。

考慮到冷擠壓的單位擠壓力高達(dá)800～1 000 MPa，而擠壓時(shí)所產(chǎn)生的三向壓應(yīng)力會(huì)軸向作用在模具的底部，非常大的壓應(yīng)力易導(dǎo)致模具變形。模具的變形對(duì)型腔的尺寸影響非常大，因此墊板會(huì)起到緩解軸向的壓應(yīng)力從而減小型腔的尺寸變形。

5 冷擠壓

冷擠壓是精密塑性體積成型技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。

冷擠壓是指在冷態(tài)（常溫）下充分利用金屬材料的塑性變形，將金屬（例如，變形鋁材料具有較強(qiáng)的可塑性，6082等）切片放入模具模腔內(nèi)，在強(qiáng)大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從模腔中擠出，從而獲得所需形狀、尺寸以及具有一定力學(xué)性能的擠壓件（毛坯）。在冷擠壓過程中設(shè)備擠壓壓力及保壓時(shí)間是最為關(guān)鍵的兩個(gè)因素。

5.1 擠壓壓力

擠壓壓力是影響擠壓產(chǎn)品成型的關(guān)鍵因素。為提高生產(chǎn)效率，一般希望采用高壓擠壓。但擠壓壓力太大，擠壓溫度就會(huì)上升，導(dǎo)致金屬屈服強(qiáng)度下降，造成金屬流動(dòng)不均，在?？谔幚瓚?yīng)力超過產(chǎn)品表面屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致產(chǎn)品表面撕裂、粗糙等。同樣，擠壓壓力太小，變形抗力增大，切片在模腔內(nèi)容易壓碎，無法成型。

所以，在擠壓壓力設(shè)定的時(shí)候一定要根據(jù)設(shè)備及產(chǎn)品本身進(jìn)行調(diào)節(jié)及優(yōu)化。該款泵殼目前設(shè)置的擠壓壓力為20 MPa，該值為在前期試驗(yàn)的結(jié)果上得到的最優(yōu)值。

5.2 保壓時(shí)間

保壓時(shí)間的設(shè)定是為了控制保壓產(chǎn)生作用的時(shí)間，保壓時(shí)間設(shè)定不足將使產(chǎn)品發(fā)生尺寸、重量的變化。保壓時(shí)間設(shè)定太長(zhǎng)，又會(huì)影響到制造效率。合理的保壓時(shí)間為產(chǎn)品成型時(shí)間，既能保證產(chǎn)品的尺寸，又能保證制造效率。該款油泵目前的設(shè)定保壓時(shí)間為2 s。

6 熱處理

擠壓成型的產(chǎn)品需要后續(xù)熱處理來提高硬度以便后面的加工及使用。通常在熱處理前需要去除產(chǎn)品上的飛邊及溢料，因?yàn)樵跓崽幚砗笥捕葧?huì)變高，飛邊及溢料會(huì)變硬，難以去除（后續(xù)加工除外）。熱處理的方式需要根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)決定，通常鋁件冷擠壓采用T6熱處理，即固溶處理+人工時(shí)效。該款泵殼產(chǎn)品材質(zhì)為鋁材，同樣也采用該種熱處理工藝。為了達(dá)到要求的硬度（HB90～120），設(shè)定固溶溫度為550℃，時(shí)間為1 h；人工時(shí)效溫度為200℃，時(shí)間為6 h。這樣熱處理后的產(chǎn)品硬度基本能控制在中值。這里需要說明的是，T6熱處理有條件的話最好能使用自動(dòng)化熱處理爐，能保證產(chǎn)品硬度的一致性。

7 結(jié)語

該款汽車燃油泵冷擠壓泵殼的成功制造，實(shí)現(xiàn)了冷擠壓工藝替代壓鑄工藝的工藝轉(zhuǎn)變，極大地降低了能耗及成本，同時(shí)也結(jié)束了該款泵殼一直以來全部靠從德國進(jìn)口的歷史。冷擠壓的效率和模具的壽命將是今后制約冷擠壓發(fā)展的關(guān)鍵因素。本文介紹的冷擠壓工藝及模具設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單、易推廣的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊，為冷擠壓工藝在其他產(chǎn)品上的實(shí)現(xiàn)提供經(jīng)驗(yàn)參照。