1 引言
皮帶輪的傳統(tǒng)制造工藝是采用鑄造工藝制成毛坯，再經(jīng)切削加工制成，傳統(tǒng)制造工藝的缺點(diǎn)是嚴(yán)重浪費(fèi)材料、生產(chǎn)率低、產(chǎn)品精度低，所生產(chǎn)的皮帶輪產(chǎn)品因精度低，需要進(jìn)行平衡處理。皮帶輪是一種重要的機(jī)械傳動(dòng)零件，它廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、農(nóng)機(jī)及輕紡工業(yè)的各種機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)中。為了克服傳統(tǒng)工藝的缺點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)皮帶輪的輕量化，近30 年來(lái)世界各國(guó)均致力于用板料液壓漲形[1]或旋壓成形板料皮帶輪的研究開(kāi)發(fā)[2]、[3]。其中具有代表意義的是德國(guó)萊菲爾德公司（LEIFELD）研制的劈開(kāi)式旋壓皮帶輪工藝及專(zhuān)用皮帶輪旋壓機(jī)，采用此工藝與設(shè)備生產(chǎn)的皮帶輪迅速應(yīng)用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上，并帶動(dòng)了各國(guó)在該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用。在我國(guó)北京航空航天部工藝研究所最早開(kāi)始該方面的研究工作，并于15 年前在河北省景縣合作建立了國(guó)內(nèi)第一條旋壓V 型皮帶輪生產(chǎn)線(xiàn)[4]，采用引進(jìn)德國(guó)專(zhuān)用旋壓機(jī)和旋壓技術(shù)，產(chǎn)品為上海桑塔納、北京切諾基、天津夏利等車(chē)型配套。為了適應(yīng)中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司轎車(chē)產(chǎn)品發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)就地就近配套，我們?cè)谝黄瘓F(tuán)和長(zhǎng)春市有關(guān)部門(mén)的支持下，于1998 年開(kāi)始汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)V 型皮帶輪旋壓工藝的研究，至2000 年末研制出合格產(chǎn)品，產(chǎn)品通過(guò)國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)合格后，進(jìn)行批量試裝，并被一汽集團(tuán)確認(rèn)為配套產(chǎn)品。
2 V 型皮帶輪的旋壓成形工藝
2.1 V 型皮帶輪旋壓工藝原理
如圖1 所示，將拉深成盂并帶有中心孔的皮帶輪毛坯3 放進(jìn)專(zhuān)用旋壓機(jī)的芯模工件上裝夾后，芯模連同毛坯隨旋壓機(jī)主軸旋轉(zhuǎn)，之后具有硬質(zhì)尖角的旋輪1 對(duì)毛坯的矩形截面的邊緣作逐漸徑向進(jìn)給劈入，于是將其邊緣面劈開(kāi)呈“Y”字形兩部分。依次有序連續(xù)進(jìn)給，被旋金屬產(chǎn)生連續(xù)局部塑性變形，便可得到皮帶輪輪槽的截面形狀。
1—旋輪 2—芯模 3—工件
圖1 V型皮帶輪的劈入旋壓成形原理
2.2 V 型皮帶輪的分類(lèi)及其旋壓成形過(guò)程
根據(jù)V 型皮帶輪的結(jié)構(gòu)和旋壓變形特點(diǎn)，可分為三大類(lèi)：折疊式皮帶輪（圖2a）、多楔式皮帶輪（圖2b）、剖分式皮帶輪（圖2c）。
圖2 V型皮帶輪的分類(lèi)
由于折疊式皮帶輪的變形特點(diǎn)是改變毛坯截面沿軸向的形狀，而板料厚度基本不減薄。因此，為了控制皮帶輪V 型槽底部不減薄，在旋壓過(guò)程中要采用逐步過(guò)渡的旋壓工藝過(guò)程。而且要先預(yù)旋成形后精旋成形兩步成形，并同時(shí)要對(duì)毛坯軸向加壓以補(bǔ)充材料并產(chǎn)生折疊。
多楔式皮帶輪的成形是首先用預(yù)旋旋輪對(duì)毛坯徑向加載進(jìn)給，使毛坯在厚度方向上產(chǎn)生預(yù)定的局部增厚，然后再用精旋旋輪精旋，于是增厚后形成多V 型楔式皮帶輪。
剖分式皮帶輪的成形是先用尖劈旋輪對(duì)準(zhǔn)毛坯厚度矩形截面的1/2 處做徑向進(jìn)給，在厚度方向上劈成一分為二。之后用成型旋輪旋壓成V 型槽。
2.3 旋壓設(shè)備與工藝裝備
2.3.1 旋壓設(shè)備
選用國(guó)產(chǎn)立式皮帶輪專(zhuān)用旋壓機(jī)作為主機(jī)設(shè)備，旋壓機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，我們?cè)谏a(chǎn)線(xiàn)上采用2 臺(tái)45t 三工位旋壓機(jī)，一臺(tái)20t 二工位旋壓機(jī)，并匹配了液壓機(jī)、沖床、剪板機(jī)電泳涂裝線(xiàn)等通用設(shè)備。
表1 專(zhuān)用旋壓機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
表2 加工制品的范圍
2.3.2 旋壓工藝裝備
（1）整形與整修模具
為保證產(chǎn)品質(zhì)量和定位精度，對(duì)拉深毛坯需進(jìn)行整形以使同軸度和平面度提高。另外應(yīng)對(duì)被旋壓毛坯的外緣進(jìn)行整修，保證表面平整。整形模與整修模設(shè)計(jì)參照文獻(xiàn)[5]。
（2）旋輪與芯模
旋輪是使旋壓工藝取得良好效果的關(guān)鍵因素之一。皮帶輪的外徑尺寸、輪槽形狀及表面粗糙度都靠旋輪來(lái)保證。在工作時(shí)，旋輪與毛坯局部接觸，承受著巨大的接觸壓力、劇烈的摩擦和較高的工作溫度。
因此，工作條件要求旋輪的材質(zhì)應(yīng)具有足夠高的強(qiáng)度、硬度、強(qiáng)韌性和耐磨性。我們采用Cr12MoV 高鉻工具鋼制造旋輪，同時(shí)采用較嚴(yán)格的熱處理工藝，淬火前進(jìn)行正火消除應(yīng)力，淬火硬度為57~59HRC。
要根據(jù)產(chǎn)品圖紙對(duì)皮帶輪槽型及槽角的要求設(shè)計(jì)旋輪的形狀尺寸，根據(jù)旋壓設(shè)備對(duì)旋輪最大和最小尺寸的要求來(lái)確定旋輪的直徑。為了增加旋輪的使用壽命，其工作表面要進(jìn)行拋光使其表面粗糙度達(dá)到0.4 m m。
芯模是旋壓過(guò)程中不可缺少的工藝裝備。旋壓時(shí)芯模的外表面與皮帶輪的內(nèi)表面接觸，一方面起支承定位作用，另一方面其工作表面還要承受相當(dāng)大的局部作用力及材料變形流動(dòng)而引起的劇烈摩擦。因此，對(duì)芯模的要求是兼顧強(qiáng)度、剛度及強(qiáng)韌性。實(shí)際中我們采用的是用20CrMnTi 鋼制造芯模，表面淬火硬度為45HRC。
為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸模并提高生產(chǎn)率，我們?cè)O(shè)計(jì)了偏心支撐輪結(jié)構(gòu)的組合芯模，其工作原理是：利用旋壓機(jī)下頂出的不旋轉(zhuǎn)，用一偏心軸承體通過(guò)長(zhǎng)螺栓與之固定，又通過(guò)一圈滾柱把偏心固定在偏心軸承體上。這樣便達(dá)到偏心輪既能自轉(zhuǎn)又中心固定的目的。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了旋壓皮帶輪的自動(dòng)卸件。
2.4 生產(chǎn)工藝流程
V 型皮帶輪旋壓生產(chǎn)線(xiàn)的工藝流程及各工序的制品如圖3 所示。
圖3 V型皮帶輪旋壓線(xiàn)工藝流程及各工序制品
3 產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益分析
3.1 產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品的對(duì)比
我們所旋壓的V 型皮帶輪產(chǎn)品經(jīng)國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（長(zhǎng)春汽車(chē)研究所）按照中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CACB1000－3－1996，進(jìn)行了樣品檢查與480 小時(shí)的臺(tái)架試驗(yàn)。經(jīng)檢查尺寸合格，經(jīng)過(guò)480 小時(shí)可靠性試驗(yàn)未見(jiàn)異常。檢驗(yàn)結(jié)論是：產(chǎn)品合格。
我們研制與生產(chǎn)的V 型旋壓皮帶輪的主要技術(shù)性能指標(biāo)同國(guó)內(nèi)外同類(lèi)產(chǎn)品對(duì)比情況見(jiàn)表3。
表3 產(chǎn)品的主要技術(shù)性能指標(biāo)
3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量分析
采用板料旋壓V 型皮帶輪具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益：
（1）材料利用率較高，較傳統(tǒng)工藝材料利用率提高15％~30％。
（2）產(chǎn)品重量輕，較切削加工的皮帶輪輕30％~60％。
（3）生產(chǎn)率高（2~3 件/分鐘），比傳統(tǒng)工藝提高4 倍以上。
（4）產(chǎn)品轉(zhuǎn)動(dòng)慣量少，平衡性好，不需再平衡處理。
總計(jì)旋壓V 型皮帶輪能比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)皮帶輪降低生產(chǎn)成本25％~30％。
至2000 年我國(guó)共生產(chǎn)各種汽車(chē)200 萬(wàn)輛。若按每輛汽車(chē)采用旋壓Ｖ型皮帶輪4 件計(jì)算，僅配套裝車(chē)一年就需皮帶輪800 萬(wàn)件，社會(huì)配件市場(chǎng)需求量按配套裝車(chē)用量的1/4 計(jì)算，配件市場(chǎng)的年需求量為200萬(wàn)件。故國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)對(duì)皮帶輪的總需求量在1000 萬(wàn)件至1500 萬(wàn)件之間。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)旋壓V 型皮帶輪的需求量會(huì)越來(lái)越大。
4 結(jié)論
V 型皮帶輪旋壓工藝是一種快捷、高效的連續(xù)局部塑性成形新工藝，它與傳統(tǒng)工藝相比具有節(jié)材、節(jié)能、降低成本等綜合經(jīng)濟(jì)效益。旋壓的V 型皮帶輪產(chǎn)品質(zhì)量好，不需要平衡處理，特別適用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的皮帶輪。采用本工藝所生產(chǎn)的皮帶輪已實(shí)現(xiàn)就近為中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司的CA488 發(fā)動(dòng)機(jī)和CA7120 紅旗轎車(chē)的水泵、曲輪及風(fēng)扇輪等配套。旋壓皮帶輪還可推廣應(yīng)用于機(jī)械、輕工、家電等行業(yè)，具有廣闊的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)與應(yīng)用前景。
（轉(zhuǎn)載）
