摘 要：對汽車散熱器主片零件進行材料結構工藝分析，主片有一個環(huán)形深溝封閉窄槽，且中間呈矩形矩陣排列的凸筋和翻邊孔均勻分布，環(huán)形窄槽僅寬0.5mm，深6mm，窄槽成型是主片成型的難點和關鍵，結合以往的設計制造經驗，設計了相應的沖壓工藝，通過反復試驗，確定采用45鋼制造窄槽成型凸模。模具在滿足了散熱器主片批量生產的同時，降低了生產成本，取得較好的經濟效益。

關鍵詞：45鋼；銅鋁復合板；窄槽；調質處理

中圖分類號：TG113.235

文獻標志碼：A

Development of a kind of narrow groove copper—aluminum composite plate die

XU Guiyong， ZHOU jiahong

（Guizhou Aerospace Vocational and Technical College， Zunyi 563000， Guizhou， China）

Abstract： The material， structure and process of the main parts of the automobile radiator was analyzed， the main part has a closed narrow and deep groove， the convex ribs and flanging holes arranged in the middle rectangular matrix are evenly distributed. The width of the groove is only 0.5mm， the depth of the groove is 6mm， which cause difficulty for the forming process. Based on experiments， the punch was manufactured by 45 steel， and the main plate was successfully produced in large quantities.

Key words： 45 steel; copper-aluminum composite plate; narrow groove; tempering

0 引 言

某汽車散熱器［1］，如圖1所示，主片有一個環(huán)形深溝封閉窄槽，且中間呈矩形矩陣排列的凸筋和翻邊孔均勻分布，環(huán)形窄槽槽寬僅有0.5+0.30 mm，槽深5.5mm，結構比較復雜，上、下水池扣裝在主片封閉環(huán)形窄槽內，扁管兩端插入翻邊孔裝配，主片與水池扣裝的間隙過大會導致焊接不牢固，造成滲漏，所以在對此組件的散熱器主片成型時（如圖1中剖視圖A-A， B-B所示），環(huán)形窄槽的尺寸：0.5+0.30 mm×5.5mm成為重點考慮的問題。

主片材料為銅鋁復合材質CA12，國家標準銅鋁復合板帶性能指標如表1所示。銅鋁復合材質的優(yōu)點是將散熱器中通風部件與散熱部件分別處理、發(fā)揮銅材耐蝕特長，及鋁材重量輕、導熱好、易成型的特點。以銅或鋁管作通水部件，耐蝕能力強，可以保證其使用壽命高于散熱器所用普通鋼管的使用壽命。

1 產品工藝結構分析

如圖1所示，在A-A、 B-B剖視圖中，散熱器主片與上下水池裝配的環(huán)形窄槽的材料厚度為0.5mm，內槽寬度為0.5+0.30 mm。由圖1可知，整個環(huán)形槽長度為490.5mm，深度達5.5mm，長寬比490.5/0.5=981，寬徑比75.2/0.5=150.4，相對高度為5.5。產品要求結構不能改變，尺寸一致性好。

但實際生產中，環(huán)形窄槽0.5mm×5.5mm成型尺寸不能達到，或者不能滿足批量生產要求。分析其原因，是因為該工序加工過程中，成型主片窄槽的凸模易變形或損壞，模具只能沖壓50～150次。結合以往經驗，擬定了主片沖壓加工工藝，沖壓工序如圖2所示。

2 環(huán)形窄槽成型模具結構

圖3是環(huán)形窄槽成型模具結構圖，主要由件3凹模、件4上卸料板、件10窄槽凸模、件11推板、件8上模板和件13下模板組成。開模狀態(tài)，先調整好件11推板高出凹模高度，將工件（工序1），放在件11推板上定位，件4上卸料板，件11推板夾緊工件，件8上模板帶動件10窄槽凸模進入件3凹模成型環(huán)形窄槽。開模時，件12推動件11推板將工件推出件3凹模。件4上卸料板在件5卸料橡皮的作用下，將工件從件10窄槽凸模卸下。

3 沖模失效及原因分析［2］

3.1 環(huán)形窄槽失效情況

圖3是環(huán)形窄槽凸模結構。窄槽成型非常困難，同時產品生產批量大，這要求環(huán)形窄的凸模的壽命高。針對這種情況，首先采用Cr12MoV， CrWMn等工、模具材料制造環(huán)形窄槽凸模，經過淬火+回火，達到HRC58～63，再進行鉗工研磨。實際生產證明，環(huán)形窄槽凸模部分，淬火出現(xiàn)脫碳，沖壓50～150次，就發(fā)生變形或損壞（尤其是R13.5處部分）而失效，無法大批量生產。

3.2 原因分析

3.2.1 模具及熱處理工藝

凸模采用的Cr12MoV， CrWMn等材料經熱處理后變形較少，但如果原材料有組織缺陷，如碳化物偏析嚴重等，就要注意鍛造質量和預備熱處理方法。在實際生產中，原材料采取三維鍛造，正火處理，從而消除了材料的碳化物偏析。通過對凸模缺口斷面進行晶相對比判斷，該晶相組織為淬火馬氏體。

3.2.2 熱處理工藝分析

窄槽凸模產生崩刃原因可能是：

（1） 由于材料淬火后變硬、脆，易產生崩刃。

（2） 窄槽凸模工作部分，凈寬只有（0.75±0.02）mm，由于截面尺寸太小，長度太長，淬火后容易變形，經過鉗工研修，致使截面厚薄不均，環(huán)形槽拉深成型（尤其是凸模R部分）時，最薄處瞬間所承受的力最大，導致窄凸模工作部分崩刃。

（3） 淬火后窄槽凸模工作部分脫碳，鋼的加熱溫度過高，或在高溫下停留時間過長時易發(fā)生脫碳，同時還伴有嚴重的表面氧化，出現(xiàn)全脫碳層時組織中已無珠光體存在，僅有部分脫碳層時還保留一部分珠光體。脫碳后的鋼材強度下降并軟化易產生氧化皮，由于截面厚度只有0.75mm左右，在淬火時，材料變軟，致使窄槽凸模失效。

（4） 產生過燒。金屬過燒后，窄凸模工作時就會在最薄處沿組織晶界氧化物開裂、破碎，金屬的斷口呈現(xiàn)非金屬的光澤。過燒的表面呈現(xiàn)雞爪狀和樹皮狀裂紋，使窄槽凸模完全報廢。

（5） 韌性不足。淬火溫度過高，且保溫時間過長引起晶粒粗化，造成窄槽凸模韌性不足。

3.2.3 熱處理后的機械加工［3］

對于熱處理后變形量小的工具鋼，熱處理前的半精加工，預留鉗工研修或砂光量0.05～0.08mm；對于尺寸比較大或熱處理后變形量大的工具鋼，熱處理前的半精加工，預留磨量0.10～0.35mm，經淬火后，磨削加工。但淬火時是連續(xù)冷卻，窄凸模內部內有大量的殘留奧氏體時，在磨削熱的作用下，發(fā)生回火轉變，從而產生組織應力，導致模具開裂。

4 解決方案

4.1 重新選擇材料［4］

通過以上分析，該產品要順利實現(xiàn)批量生產，窄槽凸模的選材是關鍵因素。工、模具鋼作材料已被實踐證明無法滿足要求，工、模具鋼等由于含碳量不低于0.55%，淬火后變得脆硬，韌性急劇下降，是產生窄槽凸模工作部分失效的主要原因。因此，必須選擇一種具有一定強度、硬度，且具有韌性的綜合性能鋼種。經查閱發(fā)現(xiàn)，滿足以上性能要求的鋼，只有中碳鋼和中碳合金鋼，選取45鋼、中碳合金鋼40Cr作為窄槽凸模材料。

4.2 熱處理工藝［4］

4.2.1 40Cr熱處理工藝

加熱溫度過高或在高溫下停留時間過長時易發(fā)生脫碳，有時還伴有嚴重的表面氧化。40Cr最佳的熱處理工藝為經850℃保溫，60min正火，硬度為22～26HBC，正火后組織為索氏體（S）；再經780℃淬火，保溫30min后水冷，硬度達52HRC左右，淬火所得組織為板條狀馬氏體和針狀馬氏體；最后經200℃低溫回火后，硬度維持在HRC50及以上，所得組織為回火馬氏體（S）；經淬火及回火后，試樣耐磨性得到顯著提高，但在低溫下使用容易軟化。

4.2.2 45鋼熱處理工藝

在中碳鋼中，45鋼屬于優(yōu)質碳素結構鋼，其磷、硫質量分數低于普通碳素結構鋼，（≤0.035%）， 45鋼的平均含碳量為0.45%，其強度、硬度較高，塑性、韌性較好，采用熱處理工藝為淬火+高溫回火（俗稱調質處理），為多邊等軸鐵素體和粒狀滲碳體的混合物。

在淬火時，整個零件淬不透，其淬硬層顯微組織為細針狀馬氏體（M），經過高溫回火后得到均勻的索氏體（S），硬度為22～35HRC，高溫回火經過了回復與再結晶，材料中的固溶強化作用已完全消失，硬度和強度顯著降低，而塑性和韌性卻顯著提高，因此，得到的組織綜合力學性能好，符合生產要求。

40Cr和45鋼的熱處理工藝性能基本相差不大，但在低溫下使用容易軟化。綜合考慮，決定選取45鋼作為窄槽凸模材料。

5 窄槽凸模加工制造工藝［3］

5.1 機械加工工藝

根據以上分析，確定窄槽凸模的加工依序為：備料→鍛→熱處理（正火）→铇→磨→鉗～銑（半精加工）→鉗→最終熱處理（調質處理）→磨→銑（精加工）→鉗（研光）→涂層。

在窄槽凸模半精加工時，對窄槽寬度最小處（0.5mm），考慮到磨損、修磨等因素，實際設計為（0.75±0.02mm），此處單面留余量1.5～2.0mm，防止最終熱處理（調質處理）后窄槽凸模變形和崩裂。

在窄槽凸模精加工時，精加工時銑去最終熱處理前半精加工的預留余量，然后鉗工研修拋光、涂層、裝配。

5.2 熱處理工藝

45鋼淬火溫度在A3上浮30～50℃，在實際操作中，高的淬火溫度可以使工件加熱速度更快，表面氧化減少，且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化，應保證足夠的保溫時間，否則可能會出現(xiàn)因加熱不均勻造成的硬度嚴重不足。但保溫時間過長，也會出現(xiàn)晶粒粗大、氧化脫碳嚴重的問題，影響淬火質量。在凸模使用時，凸模變軟，承載載荷能力，因此，確定窄槽凸模淬火溫度在820～830℃。

又因為45鋼淬透性低，采用冷卻速度大的10%（質量分數）鹽水溶液。工件入水后，淬透，但不能冷透，如果工件在鹽水中冷卻至室溫，工件會開裂。當工件冷卻到180℃左右時，奧氏體迅速轉變?yōu)轳R氏體，造成過大的組織應力。因此，當淬火工件快冷到該溫度區(qū)域，應轉為采取緩冷的方法。出水溫度很難控制，找經驗豐富的熱處理師傅憑經驗操作；當水中的工件抖動停止，即出水空冷，但水冷容易產生氫脆和氧化皮。圖2所示的凸模由于存在嚴重的厚薄不均，如水冷會使最薄處變形，產生氫脆而崩裂，同時產生氧化皮。所以采用油冷，工件入油宜動不宜靜，按照工件的幾何形狀，作規(guī)則運動。靜止的冷卻介質加上靜止的工件，會導致硬度不均勻，而使工件變形增大，甚至開裂。

45鋼淬火后的硬度達到HRC53～59，截面大的位置硬度低些，但不會低于HRC48，組織中出現(xiàn)索氏體，甚至會出現(xiàn)鐵素體組織，這種組織通過回火，仍然保留在基體中，凸模該處變軟，硬度不足，凸模在沖壓成型時出現(xiàn)聳塌。因此，45鋼作為此窄槽凸模材料時，不能采取淬火+低溫回火的熱處理工藝。

5.3 高溫回火溫度與回火時間

45鋼淬火+高溫回火的熱處理工藝，回火后的硬度取決于回火溫度，與回火時間關系不大，但要保證溫度均勻，空冷，回火溫度選取為590～600℃，硬度為HRC28～35。調質的目的是提高綜合機械性能，硬度范圍比較寬。調質后還要進行銑、磨加工。工件回火總保溫時間在100min以上，通過反復試驗，工件回火保溫時間控制在105～110min，硬度為HRC32～35之間。

5.4 加熱設備

采用常規(guī)的電阻箱式加熱爐KJ-M1200-12LZ，其全輻射加熱部件嵌在兩側和頂部，有堅固的低熱質隔熱材料，硬質、無塵、陶瓷爐膛底面，強加熱功率，有效保證了加熱溫度的均勻性、加熱效率和溫度控制的精度等。

6 結 論

通過以上的熱處理和機械加工，采用45鋼制造的窄槽凸模生產批量可以達到10萬件以上，大大提高了模具壽命，同時，45鋼的價格相對于工、模具鋼而言價格相對便宜，從而大大降低了散熱器主片加工的沖壓成本。用45鋼淬火+高溫回火，只要保證淬火溫度、冷卻介質、回火溫度選擇合理，回火時間控制得當，零件回火時回透，就可以滿足有色金屬的復合板薄板的成型要求，取得較好的經濟效益。本研究為類似產品的復合板件窄槽的成型提供了借鑒和參考。

參考文獻：

［1］楊建華，徐貴勇.汽車散熱器主片拉伸成型工藝及模具［J］.模具工業(yè).2004（07）， 32-35.

YANG J H， XU G Y. Auto radiator main plate drawing forming process and mold ［J］. Mold Industry， 2004（07）， 32-35.

［2］楊曉潔，楊軍，袁國良.金屬材料失效分析［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2019.

YANG X J， YANG J， YUAN G L. Failure Analysis of Metal Materials ［M］. Beijing： Chemical Industry Press， 2019.

［3］范崇洛.機械工工藝學［M］.南京：東南大學出版社，2009：50-80.

FAN C L. Mechanical Engineering Technology ［M］. Nanjing： Southeast University Press， 2009：50-80.

［4］王學武.金屬材料及熱處理［M］.2版.北京：機械工業(yè)出版社，2021.

WANG X W. Metal Materials and Heat treatment ［M］. 2nd ed. Beijing： China Machine Press， 2021.