汽車半軸隔熱罩的分析及沖模設計

汽車半軸附近排氣管及三元催化器的溫度很高，可以加速半軸球套內的黃油融化，而容易引起半軸漏油，因此增加一個半軸隔熱罩來保護半軸，同時還能保護分動箱的油封不受高溫的影響。
 

材料分析
 

隔熱罩材料有兩種，一種為鍍鋁板，它的特點有：⑴耐高溫，鋼板基材和鍍層組織的特定結合，形成一種鐵鋁合金，使鍍鋁板具有很好的耐高溫性。在450℃時，可保證極高的反射率。在高于480℃時，鍍層外觀發(fā)灰，在高達650℃時，防止鋼板氧化的保護層仍可以保存完好；⑵熱反射性，在480℃的高溫下，鍍鋁板可反射80%的進射熱量。因此鍍鋁板可以有效地起到隔熱的作用；(3)耐腐蝕性，在熱浸鍍加工過程中，熔融的鋁立即與空氣中的氧反應形成一層氧化鋁保護層，使鋼板表面立即鈍化。這個保護層非常穩(wěn)定且不溶于水，即使鋼板表面被劃傷，這個保護層也具有自愈功能，因此，鍍鋁板有較強的耐化學腐蝕性。以上特點說明，鍍鋁板符合隔熱罩要求的各項性能。
 

另一種為波紋鋁板，它的特點有：⑴耐高溫；⑵熱反射性；⑶耐腐蝕性；⑷易成形，質量輕。鋁板經(jīng)過陽極氧化處理，在表面形成一層氧化鋁薄膜保護層，這個保護層非常穩(wěn)定，因此具備了以上特征，效果同鍍鋁板相似。而汽車趨于輕量化發(fā)展，因此目前多采用波紋鋁板材料。
 

早期的隔熱罩是兩層鍍鋁板中間加一層石棉組成的，因石棉對人體有害，被列為禁用物質。目前這種三明治結構的隔熱罩中間的隔熱材料為陶瓷纖維紙，具有重量輕、防火、耐高溫、隔熱、隔音等特點，耐溫性有1260℃和1400℃兩種，并且具有極低的導熱率，因此隔熱效果較好。
 

結構分析
 

隔熱罩結構根據(jù)其周圍熱源溫度的高低分兩種：⑴單層結構；⑵三明治結構。單層隔熱罩熱源溫度較低，材料選用波紋鋁板，易成形，利用鋁板的耐高溫、熱反射性和耐腐蝕性即可滿足隔熱的要求，再有波紋鋁板的熱反射面積比平的鋁板要大很多，因此波紋鋁板的效果更好。本文主要介紹半軸隔熱罩的結構，半軸附近的熱源有三元催化器和排氣管，熱源溫度很高，因此半軸隔熱罩采用中間加陶瓷纖維紙隔熱材料的三明治結構（圖1），隔熱效果更好。

圖1 三明治結構

半軸隔熱罩零件分析

零件圖及材料分析，如圖2、圖3所示。

零件為三明治結構，材料：兩層波紋鋁板t=0.5mm，波紋凸包高度2.5(±0.5)mm，中間加一層6mm厚陶瓷纖維紙。

圖2 半軸隔熱罩

圖3 材料

沖模工藝

剪板機下料—外層落料—內層落料—陶瓷纖維紙落料—外層90°翻邊—外層45°翻邊—三層壓合—成形—沖孔側沖孔，工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

沖模設計

落料模設計

⑴計算沖裁力：F沖=1.3Ltτ，根據(jù)公式計算F沖=5t。

⑵凸凹模間隙選擇：材料厚度t=0.5mm，根據(jù)鋁的料厚查的雙面間隙0.02～0.03mm。

⑶設備選擇：根據(jù)模具及沖裁力大小選擇40t沖床。

⑷模具導向選擇：凸凹模間隙小，因此導向選精密型導柱導套（圖5）。

圖5 鋼球型獨立導柱組件

⑸模具結構：分兩種，1)下出料；2)上出料；鋁板較軟，為防止其變形，選用上出料形式（圖6）。

圖6 落料模

翻邊模設計

90°、45°翻邊模設計需要注意：⑴翻邊間隙；間隙過大，翻邊角度大于90°，后續(xù)45°翻邊時會導致翻邊疊料；間隙過小，容易將鋁板切斷；材料基板厚度0.5mm，翻邊間隙取0.5～0.6mm；模具制作要精細，否則達不到90°翻邊的效果。⑵零件定位；零件定位要保證零件放入定位沒有活動量，這樣才能保證零件翻邊的唯一性，因此90°翻邊定位為全部邊定位的方式。45°翻邊定位采用定位銷定位的形式，需要每個邊加1～2個定位銷（圖7）。

圖7 零件定位

壓合模設計

壓合模為三層壓合，內外層波紋鋁板與中間陶瓷纖維紙壓合，現(xiàn)將三層裝配在一起，然后放入壓合模定位直接將45°邊拍平即可，應注意拍平只拍邊緣，中間勿拍，其目的是為保證反射熱的面積大，反射熱量多，保護半軸，模具結構如圖8所示。

成形模設計

成形是零件的關鍵工序，該零件形狀不規(guī)則，要想準確成形，需要定位準確，并且有足夠大的壓料力，防止零件在成形過程中左右竄動，導致成形不準確；零件成形較深，且需要足夠大的壓料力，因此采用液壓成形的方式，借助液壓機下邊液壓缸成形，調整液壓缸的壓力，達到壓力需求，模具結構如圖9所示。

圖8 壓合模

圖9 成形模

201-下模座 202-上模座 203-上墊板 204-凸模 205-壓料板206-墊板 207-凹模 208-托料板 209-頂桿 302-卸料螺釘303-彈簧

沖孔模設計

沖孔側沖孔模，兩個孔同時沖，保證兩個孔的相對安裝位置準確；側沖孔采用斜楔機構將垂直運動改為水平運動，這是一種簡單的改變運動方向的方式，一般標準件廠都可以買到，也可根據(jù)情況自制斜楔機構，保證滑動順暢。沖孔側沖孔模如圖10所示，圖11為模具中的斜楔機構。

圖10 沖孔側沖孔模

圖11 斜楔機構

結束語

汽車半軸油封漏油的現(xiàn)象時有發(fā)生，增加一個半軸隔熱罩就可以解決漏油的問題，因此半軸隔熱罩在汽車中廣泛應用；半軸隔熱罩采用三明治結構，隔熱效果更好；另外汽車中應用隔熱罩的地方很多，比如排氣隔熱罩，發(fā)動機隔熱罩等，這些隔熱罩的形狀比較復雜，利用波紋鋁板的易成形性，解決了成形復雜，工序多的問題；因此采用波紋鋁板材料不僅解決了隔熱的問題，還提高了效率，降低了加工成本，并且符合汽車輕量化發(fā)展的趨勢。

作者簡介： 茹麗靖，項目工程師，主要從事沖壓模具的設計和項目管理工作。

——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2019年第8期。