汽車制造專業(yè)論文|汽車驅動殼液壓脹形工藝研究

　　[摘要] 為了達到節(jié)材、節(jié)能和提高產(chǎn)品質量的目的，研究成功了用無縫管作毛坯，采用液壓脹形生產(chǎn)汽車驅動橋殼的新工藝。該工藝過程較國外同類成形工藝更簡捷，脹形時不用中間控制模且無需工序間退火處理。本研究工作為汽車驅動橋殼液壓脹形產(chǎn)業(yè)化打下基礎。
　　
　　關鍵詞：驅動橋殼 液壓脹形 工藝簡捷
　　
　　沖壓焊接式汽車驅動橋殼，雖然較鑄造橋殼具有重量輕，強度與剛度較好，制造成本較低等優(yōu)勢。但其制造工藝過程繁瑣，焊接工作量大，污染環(huán)境，產(chǎn)品的疲勞壽命低，且易發(fā)生滲漏。因此，近三十年來世界各國皆致力于用無縫鋼管通過脹形來制造驅動橋殼的技術開發(fā)。具有代表性的有法國索瑪公司的機械脹形與日本Terumori Ueda 等開發(fā)的液壓脹形工藝[1].前者在我國已應用于工程機械行業(yè)；后者則因技術不太成熟，未能用于批量生產(chǎn)。本文作者基于多年從事汽車零部件先進制造技術研究的工作基礎，采用產(chǎn)學研方式，開發(fā)成功了輕型車驅動橋殼液壓脹形新工藝[2].該成形工藝過程簡捷，并且具有顯著的綜合經(jīng)濟效益。
　　
　　1 液壓脹形工藝原理及工藝力概算
　　
　　驅動橋殼屬于中央帶凸肚的軸對稱直長軸空收件（圖1a）。其中央凸肚（裝差速器）的直徑為D,兩側圓柱部分的直徑為d,總長度為L,其中兩側圓柱段的壁厚為t.通常這些參數(shù)之間的比例關系為：
　　
　　D/d=2.5——3
　　
　　L/D = 5——5.6
　　
　　t/D = 0.055——0.06
　　
　　1—橋殼本體 2—三角形鑲塊 3—鋼板彈簧座
　　
　　4—半軸套管 5—前加強環(huán) 6—后加強環(huán) 7—后堵蓋
　　
　　a ） 1608 型農(nóng)用車沖壓焊接式橋殼
　　
　　b） 整體式橋殼
　　
　　圖1 汽車驅動橋殼本體產(chǎn)品圖
　　
　　1.1 產(chǎn)品設計的改進
　　
　　為了達到用液壓脹形成形的目的，首先將原設計的沖壓拼鑲焊接的驅動橋殼，改進成整體式橋殼（圖1b）。從而省略了原設計中的三角鑲塊、下加強環(huán)及后堵蓋等件，并大幅度減少了焊接工作量。當然，整體式橋殼應滿足于相關件之間的裝配關系。
　　
　　1.2 驅動橋殼液壓脹形原理
　　
　　用管坯液壓脹形成形驅動橋殼的工作原理如圖2 所示。
　　
　　圖2 驅動橋殼液壓脹形的原理
　　
　　將管坯2 置于滑動式組合模具3、4 閉合后的型腔中，在軸向由壓塑柱塞2 施加軸向力Q1,同時由兩端充入高壓液體。于是管坯便在液體內壓力p 和壓塑力Q1 的復合作用下，在中央形成脹形的凸肚。因軸向壓塑力作用使材料流入脹形區(qū)，至脹形的部位與模腔貼緊時，使可脹成整體式驅動橋殼。
　　
　　由于管坯的初始直徑與所要脹形的中央球形殼體的直徑之比為1:3,用一次脹形難以達到。故根據(jù)文獻[3]和我們的實驗研究結果，采用了較為穩(wěn)妥的兩次脹形工藝。
　　
　　1.3 脹形成形工藝力概算
　　
　　為了設計成形工藝與專用液壓機，需事先對液壓脹形的工藝力進行概算。以圖1b 所示的1608 型農(nóng)用車（CA1020 輕型車橋殼與其基本相同）的驅動橋殼為例，先將所用管坯的尺寸規(guī)格及材料的性能和實驗參數(shù)列于表1.
　　
　　表1 管坯材料的機械性能與幾何參數(shù)
　　
　　通過多次實驗并參照文獻[3]等，得出如下計算驅動橋殼液壓脹形工藝力計算的經(jīng)驗公式：
　　
　�。�1）工作液體內壓力計算公式
　　
　　（1）
　　
　　式中△h/D─—軸向壓塑柱塞的相對行程；
　　
　　m,k ─—經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)脹形件的特點�。�
　　
　　m = 50,k=600 .
　　
　　代入有關參數(shù)后計算得出p = 4045MPa
　　
　�。�2）軸向壓塑力Q1 的計算公式
　　
　　（2）
　　
　　式中β─—洛德系數(shù)，取β=1.15.
　　
　　帶入有關參數(shù)計算出Q1= 3216kN
　　
　　（3）垂直方向合模壓緊力的計算公式
　　
　�。�3）
　　
　　式中 F─—工件在模腔內的投影面積。
　　
　　經(jīng)計算得出Q2 = 4200kN.
　　
　　2 驅動橋殼液壓脹形工藝過程
　　
　　基于上述脹形工藝力參數(shù)的概算，設計了專用脹形液壓機與滑動式組合脹形模具，對輕型車與農(nóng)用車的驅動橋殼進行液壓脹形。以1608 型農(nóng)用車為例，所用鋼管的規(guī)格為t= 4 mm,外徑d = 114 mm 的熱軋無縫鋼管（GB8162-87），供貨條件為退火狀態(tài)。
　　
　　2.1 首次液壓脹形
　　
　　將滑動上模3 與上模一同由液壓機的提升缸開起，模具開啟。同時兩個串聯(lián)在一起的軸向壓縮油缸退回。這時將管坯1 放進下模中。之后壓機下行壓緊下模；與此同時向管坯內充高壓液油并將壓塑柱塞5 沿軸向同步推進。在軸向力 Q1 與液體內高壓p 的聯(lián)合作用下，壓塑柱塞至預定行程時，管坯中部即進行脹形，得到如圖3b 所示的首次脹形件。
　　
　　a） 液壓脹形示意圖 b） 首次脹形得到的預成形件
　　
　　圖3 驅動橋殼的首次脹形
　　
　　1—管坯 2—上模 3—可分式模塊
　　
　　4—滑動模鑲塊 5—壓塑柱塞
　　
　　2.2 第二次液壓脹形
　　
　　如圖4 所示，第二次脹形所用的模具結構與首次脹形的模具結構相同，只是成形模腔不同。將首次脹形件經(jīng)過酸洗處理后，放進開啟的模具中。再進行一次與首次脹形相同的脹形過程。在軸向推進力Q1和內高壓p 的聯(lián)合作用下，管坯中央進一步脹形并貼滿終成型模具腔。至此得到了所要求的橋殼中央球形殼體。
　　
　　1—管坯 2—上模 3—可分式模塊
　　
　　4—滑動模鑲塊 5—壓塑柱塞
　　
　　a）液壓脹形示意圖
　　
　　b）最終得到的脹形件
　　
　　圖4 驅動橋殼的第二次液壓脹形
　　
　　在制定脹形成型工藝時，兩次脹形時管坯中央部分直徑的擴大率控制在50%以內，從而避免了破裂。實際脹形所用的力能參數(shù)見表2.
　　
　　表2 1608 型驅動橋殼液壓脹形的主要力能參數(shù)
　　
　　最終得到的脹形件還需要在臥式液壓機上進行縮徑，使管坯中央橋殼的兩側圓柱部分的外徑為72mm.
　　
　　3 產(chǎn)品質量與經(jīng)濟效益分析
　　
　　3.1 液壓脹形的整體式驅動橋殼質量好
　　
　　用無縫鋼管采用液壓脹形式工藝生產(chǎn)的整體式驅動橋殼質量明顯優(yōu)于沖壓焊接式橋殼。
　　
　　（1）產(chǎn)品的疲勞壽命大幅度提高
　　
　　將液壓脹形的整體式驅動橋殼，按照標準JB3803-84《汽車驅動臺架試驗方法》進行臺架試驗，考核橋殼的疲勞壽命。臺架試驗結果表明，該類橋殼的垂直彎曲疲勞壽命大于120 萬次，遠遠高于標準要求的中值壽命80 萬次。
　　
　�。�2）產(chǎn)品的靜扭強度與剛度高于沖壓焊接式橋殼。
　　
　�。�3）由于該產(chǎn)品無焊縫，消除了滲漏油液現(xiàn)象，而且產(chǎn)品外觀質量好。
　　
　　3.2 經(jīng)濟效益分析
　　
　　采用液壓脹形新工藝生產(chǎn)驅動橋殼，具有顯著的綜合經(jīng)濟效益，并且具有無廢料、節(jié)約工時費用等優(yōu)點。下面對經(jīng)濟效益加以分析。
　　
　�。�1）節(jié)材效益顯著
　　
　　液壓脹形工藝的材料利用率為95%,而沖壓焊接工藝的材料利用率為70%——75%.
　　
　　具體的兩種工藝材料消耗對比見表3.
　　
　　表3 液壓脹形工藝與沖壓焊接工藝耗材量對比
　　
　�。�2）節(jié)約能源
　　
　　經(jīng)統(tǒng)計分析，液壓脹形工藝比沖壓焊接工藝，每生產(chǎn)1 件橋殼節(jié)能為：
　　
　　節(jié)電11kWh,節(jié)約電費8.8 元。
　　
　　節(jié)約氣體效益6 元。
　　
　　合計節(jié)能效益14.8 元。
　　
　�。�3）節(jié)約工時費與工人工資
　　
　　采用新工藝后驅動橋殼的生產(chǎn)工序由11 序減為6 序。大大縮短了制造工藝過程，減少生產(chǎn)工人與檢查人員12——14 人。此項可使每件節(jié)約資金1.2——1.5 元。
　　
　　（4）節(jié)約工藝設備與工藝模具投資
　　
　　主要工藝設備減少2/3,工裝模具減少50%.攤銷至每件可節(jié)約費用7 元。
　　
　　綜合上述各項每件可節(jié)約資金100 元。若年產(chǎn)10 萬件驅動橋殼，則新工藝可創(chuàng)年節(jié)約資金1000 萬元的綜合經(jīng)濟效益。
　　
　　4 結論
　　
　　采用液壓脹形工藝用管坯制造汽車驅動橋殼，能快速簡捷的生產(chǎn)整體式驅動橋殼。產(chǎn)品質量明顯優(yōu)于沖壓焊接式橋殼。新工藝具有顯著的節(jié)材、節(jié)能與節(jié)約制造工時等綜合經(jīng)濟效益，并且具有綠色制造特征，無油氣污染。
　　
　　本工藝技術先進，穩(wěn)定可靠。通過更換模具可實現(xiàn)3T 以下輕型車的驅動橋殼系列化生產(chǎn)。
　　
　　本工藝具有自主知識產(chǎn)權，較文獻[1]的工藝更為先進、簡捷。主要表現(xiàn)在首次液壓脹形時不需要中間控制模，同時采用20GB699-88 材質的管坯脹形時，兩次脹形工序之間無需退火處理。
　　
　　本研究工作得到了吉林省科學技術委員會與吉林省遼源重型機械廠的資助與支持，在此一并致謝。
　　
　　參考文獻
　　
　　1 Terumori Ueda, Differential Gear Casings for Automobiles: by Liquid Bulge forming Processes, par two, Sheet Metal Industries, April 1983, 220——224
　　
　　2 吉林省汽車高技術工程中心，吉林工業(yè)大學，輕型車后橋殼液壓脹形新工藝研究技術總結，1999.4,長春，中國
　　
　　3 Богоявленийк·H,CеряковЕ·И。 Гидравлическая формовкатройникови Кр е смовин。 Кузнечно-Штамповочное Производство， 1972, No.4, 22——25

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