冷擠壓技術在汽車燃油泵泵殼上的運用

冀榮禮

（南京金城三國機械電子有限公司，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功能的關鍵。在泵殼的制造過程中，原有的工藝方法是壓鑄成型，直接導致了原材料的浪費以及能耗的增加。冷擠壓技術由于具有節約材料、降低能耗、致密性高等優點而得以廣泛應用。

某款汽車燃油泵冷擠壓泵殼的研制，由于之前無任何實際經驗積累，僅有顧客圖紙要求，所以存在很大的風險及不確定性。基于此，我們在集合各方資源的基礎上，確定冷擠壓的工藝方案及各過程的關鍵點，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，內腔深度為4.2 mm。其中涵蓋兩個通孔及部分環槽、凹槽等。該結構為非對稱回轉體，對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體結構，因此原料只能為圓柱形狀。目前市場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行加工。現行坯料加工工藝通常采用兩種方式：切制和沖壓。沖壓的優點是下料效率高，重量控制精確，缺點是板料厚度、精度要求高，材料利用率低（材料有效利用率在60%～70%之間）。而切制的優點是重量控制精確，材料使用率高，缺點是下料效率低。從成本角度及采購市場角度出發，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，會給后道擠壓模具設計及制造帶來很大難度；直徑過小，后續擠壓產品無法成型。因此，必須選擇直徑合適的圓棒料。根據該款產品的大小選擇直徑為20 mm的棒料。每次切制長度的選擇由產品所需的重量決定。由于冷擠壓工藝去除的余量較少，因此可以根據成品圖中的產品重量乘以系數1.2作為參考。根據該款泵殼的重量，選擇每次下料長度為30 mm，同時切削10根圓棒料，自動控制進給量，既提高了工作效率，又使重量得到了有效控制。保證長度公差在±0.05 mm以內，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極小的范圍內，范圍越小后續冷擠壓的尺寸一致性就會越高。對于切制后的原料所產生的毛刺飛邊需要清理徹底，不能帶入到下道工序（后續擠壓時會產生表面缺陷），可采用振動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行沖壓處理。該工序需要制作一個模具定置在沖床上放置原料。具體結構為在一金屬塊上銑一個圓柱，將原料放置在其中進行沖壓，得到一個初坯料（形狀為圓餅狀）。銑削的圓柱直徑由后續冷擠壓模具的進料口直徑決定（通常比擠壓模具的進料口直徑小1～2 mm），并參照所選用坯料的材質。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現。

2.2.2 退火處理

粗坯料的硬度大約在HB45，為了后續冷擠壓能夠順利進行，需要對粗坯料進行退火處理。目的是降低硬度，以利于切削加工；細化晶粒，改善組織，提高機械性能；消除內應力，并為后續的熱處理工序做準備；提高材料的塑性和韌性，便于進行冷擠壓。

該款燃油泵泵殼材料牌號為6082，接近純鋁，因此在退火時需要將溫度控制在380～420℃，時間控制在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。和大多數冷擠壓產品一樣，該款泵殼也需要進行磷化皂化處理。

在進行磷化皂化處理前必須要進行表面清洗，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）。首先對粗坯料進行磷化處理，其目的是在產品表面形成片狀晶格組織的“網格”，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，這些網格可以使皂化粉更加深入到這些網格內。皂化的目的是進一步增加潤滑性能。產品一旦受擠壓，那些在網格中的皂化粉就會被擠出，使得潤滑效果進一步提高。

綜上，切片一般按擠壓產品毛坯形狀和重量（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，也可以采用多次預成型（一次成型無法實現或合格率不高）。

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

3 模具設計

冷擠壓模具主要分為模框、凹模、凸模、導柱、頂桿等幾大部分。具體可以從以下幾點進行剖析。

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、反擠壓模和復合擠壓模三類。

正擠壓：擠壓時金屬的流動方向與凸模運動方向一致。

反擠壓：擠壓時金屬的流動方向與凸模運動方向相反。

復合擠壓：擠壓時一部分金屬的流動方向與凸模運動方向一致，一部分金屬的流動方向與凸模運動方向相反。

（2）按導向方式可分為：無導向敞開模、導柱模、導套、導向模和模口導向模。

（3）按精度可分為：粗級模（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，設備為油壓機，因此需要采取正擠壓導柱式精密模設計模具。

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，對切片進行加工，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）導向零件：保證模具上、下部分對正、吻合，如：導柱、導套。

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、凹模內外應力圈、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行及達到預期壽命的關鍵，因此在設計時一定要格外留意，并在量產時對易損件備有庫存。

3.3 模具主要部件的結構和特殊要求

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

（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（裝卸簡便）。模具總圖要求的相關尺寸與后續冷擠壓的產品尺寸是否符合要求及產品局部是否有缺陷有著直接關聯。

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流動時，其表面的流動阻力遠大于中部，故而表面會產生反向“拉應力”，反向“拉應力”的作用就會阻礙材料的流動造成材料的“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，材料內部就會產生巨大的“內壓力”，阻礙材料的流動并對凹模模腔形成壓應力，造成產品局部成型困難和模腔開裂等。因此根據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計

被擠壓的材料在凹模模腔內會形成三向均衡的壓應力，一旦一處受到“反向拉應力”時，材料的流動將會被阻滯。在非對稱的擠壓產品中為了消除這種“反向拉應力”，在模具設計凸模型芯時通常會設計出一種“溢料槽”，其目的就是將被滯阻的流動材料所產生的“反向拉應力”消除，以達到被擠壓材料均衡流動的目的。

模具在設計的時候一定要考慮到上述幾點的相關要求，缺一不可。

4 冷擠壓壓力計算

4.1 總壓力計算

總壓力的計算公式為：

式中，P為總擠壓力（kN）；P0為平均單位擠壓力（簡稱單位擠壓力，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，考慮到模具的材質、潤滑程度及軟化（退火）程度等，一般取C≥1.3。

4.2 單位擠壓力的計算

目前對單位擠壓力尚無準確完善的計算方法或公式或圖表，因此一般采用簡易的計算方法：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800～1 000 MPa，而擠壓時所產生的三向壓應力會軸向作用在模具的底部，非常大的壓應力易導致模具變形。模具的變形對型腔的尺寸影響非常大，因此墊板會起到緩解軸向的壓應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中的一個重要組成部分。

冷擠壓是指在冷態（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的可塑性，6082等）切片放入模具模腔內，在強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性能的擠壓件（毛坯）。在冷擠壓過程中設備擠壓壓力及保壓時間是最為關鍵的兩個因素。

5.1 擠壓壓力

擠壓壓力是影響擠壓產品成型的關鍵因素。為提高生產效率，一般希望采用高壓擠壓。但擠壓壓力太大，擠壓溫度就會上升，導致金屬屈服強度下降，造成金屬流動不均，在模口處拉應力超過產品表面屈服強度，導致產品表面撕裂、粗糙等。同樣，擠壓壓力太小，變形抗力增大，切片在模腔內容易壓碎，無法成型。

所以，在擠壓壓力設定的時候一定要根據設備及產品本身進行調節及優化。該款泵殼目前設置的擠壓壓力為20 MPa，該值為在前期試驗的結果上得到的最優值。

5.2 保壓時間

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

6 熱處理

擠壓成型的產品需要后續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品上的飛邊及溢料，因為在熱處理后硬度會變高，飛邊及溢料會變硬，難以去除（后續加工除外）。熱處理的方式需要根據產品材質決定，通常鋁件冷擠壓采用T6熱處理，即固溶處理+人工時效。該款泵殼產品材質為鋁材，同樣也采用該種熱處理工藝。為了達到要求的硬度（HB90～120），設定固溶溫度為550℃，時間為1 h；人工時效溫度為200℃，時間為6 h。這樣熱處理后的產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化熱處理爐，能保證產品硬度的一致性。

7 結語

該款汽車燃油泵冷擠壓泵殼的成功制造，實現了冷擠壓工藝替代壓鑄工藝的工藝轉變，極大地降低了能耗及成本，同時也結束了該款泵殼一直以來全部靠從德國進口的歷史。冷擠壓的效率和模具的壽命將是今后制約冷擠壓發展的關鍵因素。本文介紹的冷擠壓工藝及模具設計具有簡單、易推廣的優點，應用前景廣闊，為冷擠壓工藝在其他產品上的實現提供經驗參照。