文／吳金虎，陸翰，任純磊，王衛(wèi)星，朱榮?！ぬK州事達(dá)同泰汽車零部件有限公司

隨著人們對(duì)汽車減重、節(jié)能、降耗等問(wèn)題的關(guān)注，汽車輕量化成為汽車制造企業(yè)重要研究課題。汽車排氣用不銹鋼管材的彎管和液壓成形技術(shù)為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化提供了技術(shù)保障。我公司能夠針對(duì)汽車排氣系統(tǒng)各種異形管件難加工問(wèn)題，進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化加工，制備相應(yīng)生產(chǎn)模具，為汽車企業(yè)生產(chǎn)各類性能優(yōu)異的零部件。

汽車排氣管材在事達(dá)應(yīng)用實(shí)例

汽車排氣系統(tǒng)

隨著人民生活水平的提高，汽車已成為人們出行的首選交通工具。汽車工業(yè)的發(fā)展以及機(jī)動(dòng)車保有量的提高給我們的生活增添許多便利，但同時(shí)汽車尾氣排放帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。

汽車排氣系統(tǒng)(圖1)一般包括排氣熱端的排氣歧管、熱端排氣管、催化轉(zhuǎn)換器以及冷端的共鳴器、消聲器和排氣尾管等。良好的排氣系統(tǒng)能夠降低汽車廢氣的污染，也可以減少汽車噪聲。鐵素體不銹鋼具有熱膨脹系數(shù)小，熱導(dǎo)率高，同時(shí)在反復(fù)加熱和冷卻的條件下耐高溫氧化性能好，而且具有良好的抗點(diǎn)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車排氣管材首選材料。

圖1 汽車排氣系統(tǒng)

目標(biāo)管件

根據(jù)某汽車企業(yè)需求，制備如圖2 所示汽車排氣系統(tǒng)熱端管件。管件為異形彎曲結(jié)構(gòu)，材質(zhì)選擇439系列不銹鋼，管的均勻外徑為65mm，壁厚為1.9mm，管長(zhǎng)385mm。管的彎曲半徑為65mm，管的一端為擴(kuò)口結(jié)構(gòu)，一端為具有斜面特征的異形結(jié)構(gòu)，管側(cè)面同時(shí)留有一直徑為φ28mm 的孔洞。根據(jù)客戶要求，管件最大壁厚減薄率小于30%。

圖2 汽車排氣熱端管件三維示意圖

目標(biāo)管件制造流程

根據(jù)客戶目標(biāo)管件要求，可看出管件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，屬于難加工管件，我公司根據(jù)自身優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)管件制造加工流程，如圖3 所示。第一步，根據(jù)客戶數(shù)模進(jìn)行CAE 分析(減薄量、起皺等)，做分析報(bào)告，與客戶討論設(shè)計(jì)改進(jìn)，優(yōu)化管件加工工序；第二步，依照設(shè)計(jì)凍結(jié)的管件數(shù)模結(jié)構(gòu)，進(jìn)行管件加工工藝路線的設(shè)計(jì)，考慮是否需要預(yù)成形以及中間管件是否需要退火工藝處理等；第三步，根據(jù)確定的工藝路線，進(jìn)行管件的CAE 分析，通過(guò)分析報(bào)告進(jìn)行內(nèi)高壓成形模具設(shè)計(jì)，同時(shí)根據(jù)內(nèi)高壓模具數(shù)模設(shè)計(jì)彎管模具、過(guò)程檢具等；第四步，進(jìn)行模具的加工方案設(shè)計(jì)及模具加工，檢測(cè)模具；第五步，為OTS 試樣的制造以及對(duì)試樣的檢測(cè)，檢測(cè)方法包括管件壁厚的測(cè)量、三維掃描、CMM 等檢測(cè)方法，檢測(cè)樣管是否符合設(shè)計(jì)。

圖3 設(shè)計(jì)加工流程圖

針對(duì)目標(biāo)管件，優(yōu)化設(shè)計(jì)加工流程，為提高加工效率以及節(jié)省材料，考慮利用對(duì)稱性結(jié)構(gòu)一次成形2件目標(biāo)管件，設(shè)計(jì)了如圖4 所示目標(biāo)管件原始管材數(shù)模。圖5 為最初設(shè)計(jì)目標(biāo)管件液壓數(shù)模示意圖，根據(jù)圖5 進(jìn)行液壓成形CAE 分析，液壓過(guò)程中容易在管件中心補(bǔ)縮頸位置處出現(xiàn)成形缺陷，這主要是液壓成形過(guò)程中金屬材料流動(dòng)產(chǎn)生的，由于縮頸位置金屬無(wú)處流動(dòng)，故成形過(guò)程中容易在此位置形成鼓包等缺陷。我們根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了管件液壓成形數(shù)模，如圖6 所示，即在管件中心位置設(shè)計(jì)一小鼓肚，使管件在液壓成形過(guò)程中縮頸位置金屬可以流動(dòng)到此鼓肚位置。經(jīng)過(guò)CAE 分析，此設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)要求，目標(biāo)管件成形效果良好，次品率較之前明顯降低。另外根據(jù)事達(dá)液壓成形機(jī)特征，設(shè)計(jì)一模雙腔結(jié)構(gòu)，模具圖如圖7 和圖8 所示，經(jīng)過(guò)一次液壓成形可得四件目標(biāo)管件，很大程度上提高了管件加工速率。

圖4 目標(biāo)管件原始管材數(shù)模示意圖

圖5 目標(biāo)管件液壓數(shù)模示意圖

圖6 優(yōu)化后液壓數(shù)模示意圖

圖7 一模雙腔模具示意圖

圖8 一模雙腔模具圖

目標(biāo)管的CAE 分析

CAE分析是利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、彈塑性等力學(xué)性能進(jìn)行分析計(jì)算以及對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的一種近似數(shù)值分析方法。使用計(jì)算機(jī)CAE輔助分析目標(biāo)管件彎曲和液壓成形過(guò)程中出現(xiàn)的壁厚減薄、成形極限等，優(yōu)化材料成形工藝參數(shù)，可以減少實(shí)際成形試驗(yàn)中的材料浪費(fèi)，節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，提高管件的加工效率。

圖9 至圖12 分別為彎管工序管件和液壓成形工序管件的成形極限圖和壁厚分布圖。從CAE 分析結(jié)果可以看出，彎管工序管件在成形范圍內(nèi)，彎管設(shè)計(jì)參數(shù)滿足彎管生產(chǎn)工藝要求，彎管壁厚分布較均勻，在彎曲外徑部位壁厚最薄，壁厚為1.412mm，見圖13。經(jīng)過(guò)液壓成形后，符合管件成形范圍，液壓成形后管件壁厚最薄位置同彎管最薄位置，液壓成形后壁厚最薄為1.397mm，見圖14。

圖9 彎曲工序管件成形極限圖

圖10 彎曲工序管件壁厚分布圖

圖11 液壓工序管件成形極限圖

圖12 液壓工序管件壁厚分布圖

圖13 彎曲壁厚最薄處

圖14 液壓成形后壁厚最薄處

本零件為1D 彎曲且彎曲角度大，彎管減薄至少為20%，液壓成形過(guò)程中易產(chǎn)生開裂。通過(guò)對(duì)液壓成形模具的特殊設(shè)計(jì)，目前成形后零件最小壁厚幾乎不發(fā)生變化。經(jīng)CAE 分析可得，所得產(chǎn)品最小壁厚約為1.4mm，減薄量為22%，小于目標(biāo)值30%的減薄要求，滿足客戶要求。

通過(guò)CAE 分析，可以發(fā)現(xiàn)：彎管減薄量至少為20%。從CAE 結(jié)果來(lái)看：受端部喇叭形結(jié)構(gòu)的影響，液壓成形過(guò)程中補(bǔ)料對(duì)壁厚的影響十分有限，補(bǔ)料過(guò)度的話反而產(chǎn)生起皺。為滿足總體減薄小于30%的要求，液壓成形模具應(yīng)限制彎管外側(cè)的材料流動(dòng)，使材料變形只發(fā)生在彎管內(nèi)側(cè)，這樣可得到符合要求的零件。

目標(biāo)管的實(shí)物樣品

圖15 目標(biāo)管件各工序加工實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

蘇州事達(dá)同泰汽車零部件有限公司秉承“一站式購(gòu)齊服務(wù)”的經(jīng)營(yíng)理念，經(jīng)、弘揚(yáng)“專注、進(jìn)取、和合、關(guān)愛(ài)”的企業(yè)文化，不斷創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)管理信息化、設(shè)備智能化、生產(chǎn)自動(dòng)化，繼續(xù)拓展商用車排氣系統(tǒng)以及民用不銹鋼焊管的業(yè)務(wù)范圍，在全球范圍內(nèi)，以穩(wěn)定的質(zhì)量和極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格為客戶提供更環(huán)保、更優(yōu)質(zhì)的汽車排氣系統(tǒng)全系列產(chǎn)品，并可以與客戶同步開發(fā)，提供先進(jìn)的產(chǎn)品制造理念等增值服務(wù)。