汽车半轴隔热罩的分析及冲模设计

汽车半轴附近排气管及三元催化器的温度很高，可以加速半轴球套内的黄油融化，而容易引起半轴漏油，因此增加一个半轴隔热罩来保护半轴，同时还能保护分动箱的油封不受高温的影响。
 

材料分析
 

隔热罩材料有两种，一种为镀铝板，它的特点有：⑴耐高温，钢板基材和镀层组织的特定结合，形成一种铁铝合金，使镀铝板具有很好的耐高温性。在450℃时，可保证极高的反射率。在高于480℃时，镀层外观发灰，在高达650℃时，防止钢板氧化的保护层仍可以保存完好；⑵热反射性，在480℃的高温下，镀铝板可反射80%的进射热量。因此镀铝板可以有效地起到隔热的作用；(3)耐腐蚀性，在热浸镀加工过程中，熔融的铝立即与空气中的氧反应形成一层氧化铝保护层，使钢板表面立即钝化。这个保护层非常稳定且不溶于水，即使钢板表面被划伤，这个保护层也具有自愈功能，因此，镀铝板有较强的耐化学腐蚀性。以上特点说明，镀铝板符合隔热罩要求的各项性能。
 

另一种为波纹铝板，它的特点有：⑴耐高温；⑵热反射性；⑶耐腐蚀性；⑷易成形，质量轻。铝板经过阳极氧化处理，在表面形成一层氧化铝薄膜保护层，这个保护层非常稳定，因此具备了以上特征，效果同镀铝板相似。而汽车趋于轻量化发展，因此目前多采用波纹铝板材料。
 

早期的隔热罩是两层镀铝板中间加一层石棉组成的，因石棉对人体有害，被列为禁用物质。目前这种三明治结构的隔热罩中间的隔热材料为陶瓷纤维纸，具有重量轻、防火、耐高温、隔热、隔音等特点，耐温性有1260℃和1400℃两种，并且具有极低的导热率，因此隔热效果较好。
 

结构分析
 

隔热罩结构根据其周围热源温度的高低分两种：⑴单层结构；⑵三明治结构。单层隔热罩热源温度较低，材料选用波纹铝板，易成形，利用铝板的耐高温、热反射性和耐腐蚀性即可满足隔热的要求，再有波纹铝板的热反射面积比平的铝板要大很多，因此波纹铝板的效果更好。本文主要介绍半轴隔热罩的结构，半轴附近的热源有三元催化器和排气管，热源温度很高，因此半轴隔热罩采用中间加陶瓷纤维纸隔热材料的三明治结构（图1），隔热效果更好。

图1 三明治结构

半轴隔热罩零件分析

零件图及材料分析，如图2、图3所示。

零件为三明治结构，材料：两层波纹铝板t=0.5mm，波纹凸包高度2.5(±0.5)mm，中间加一层6mm厚陶瓷纤维纸。

图2 半轴隔热罩

图3 材料

冲模工艺

剪板机下料—外层落料—内层落料—陶瓷纤维纸落料—外层90°翻边—外层45°翻边—三层压合—成形—冲孔侧冲孔，工艺流程如图4所示。

图4 工艺流程

冲模设计

落料模设计

⑴计算冲裁力：F冲=1.3Ltτ，根据公式计算F冲=5t。

⑵凸凹模间隙选择：材料厚度t=0.5mm，根据铝的料厚查的双面间隙0.02～0.03mm。

⑶设备选择：根据模具及冲裁力大小选择40t冲床。

⑷模具导向选择：凸凹模间隙小，因此导向选精密型导柱导套（图5）。

图5 钢球型独立导柱组件

⑸模具结构：分两种，1)下出料；2)上出料；铝板较软，为防止其变形，选用上出料形式（图6）。

图6 落料模

翻边模设计

90°、45°翻边模设计需要注意：⑴翻边间隙；间隙过大，翻边角度大于90°，后续45°翻边时会导致翻边叠料；间隙过小，容易将铝板切断；材料基板厚度0.5mm，翻边间隙取0.5～0.6mm；模具制作要精细，否则达不到90°翻边的效果。⑵零件定位；零件定位要保证零件放入定位没有活动量，这样才能保证零件翻边的唯一性，因此90°翻边定位为全部边定位的方式。45°翻边定位采用定位销定位的形式，需要每个边加1～2个定位销（图7）。

图7 零件定位

压合模设计

压合模为三层压合，内外层波纹铝板与中间陶瓷纤维纸压合，现将三层装配在一起，然后放入压合模定位直接将45°边拍平即可，应注意拍平只拍边缘，中间勿拍，其目的是为保证反射热的面积大，反射热量多，保护半轴，模具结构如图8所示。

成形模设计

成形是零件的关键工序，该零件形状不规则，要想准确成形，需要定位准确，并且有足够大的压料力，防止零件在成形过程中左右窜动，导致成形不准确；零件成形较深，且需要足够大的压料力，因此采用液压成形的方式，借助液压机下边液压缸成形，调整液压缸的压力，达到压力需求，模具结构如图9所示。

图8 压合模

图9 成形模

201-下模座 202-上模座 203-上垫板 204-凸模 205-压料板206-垫板 207-凹模 208-托料板 209-顶杆 302-卸料螺钉303-弹簧

冲孔模设计

冲孔侧冲孔模，两个孔同时冲，保证两个孔的相对安装位置准确；侧冲孔采用斜楔机构将垂直运动改为水平运动，这是一种简单的改变运动方向的方式，一般标准件厂都可以买到，也可根据情况自制斜楔机构，保证滑动顺畅。冲孔侧冲孔模如图10所示，图11为模具中的斜楔机构。

图10 冲孔侧冲孔模

图11 斜楔机构

结束语

汽车半轴油封漏油的现象时有发生，增加一个半轴隔热罩就可以解决漏油的问题，因此半轴隔热罩在汽车中广泛应用；半轴隔热罩采用三明治结构，隔热效果更好；另外汽车中应用隔热罩的地方很多，比如排气隔热罩，发动机隔热罩等，这些隔热罩的形状比较复杂，利用波纹铝板的易成形性，解决了成形复杂，工序多的问题；因此采用波纹铝板材料不仅解决了隔热的问题，还提高了效率，降低了加工成本，并且符合汽车轻量化发展的趋势。

作者简介： 茹丽靖，项目工程师，主要从事冲压模具的设计和项目管理工作。

——本文节选自《锻造与冲压》2019年第8期。