汽车发动机排气歧管的内高压成形技术.pdf

第14卷 第3期2007年6月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY EN GINEERINGVol114No13Jun1 2007汽车发动机排气歧管的内高压成形技术(哈尔滨工业大学 材料科学与工程学院,哈尔滨150001)滕步刚 刘 钢 苑世剑 苑文婧 杨 华摘 要:研究了Y型三通管的内高压成形工艺过程,分析了成形过程中过渡区起皱及支管破裂等缺陷产生的原因,从而为实际生产中的Y型三通管内高压成形工艺设计提供了相关指导。利用所成形的Y型三通管制造了汽车发动机排气歧管样件,为内高压成形技术在汽车行业的推广应用奠定了理论与实验基础。关键词:内高压成形;液压成形;Y型三通管;排气管中图分类号:TG306 文献标识码:A 文章编号:100722012(2007)0320088205滕步刚 E2mail:bgteng hit1edu1cn作者简介:滕步刚,男,1969年生,哈尔滨工业大学,副教授,主要研究方向为壳体液力成形、内高压成形、弯曲成形和数值模拟收稿日期:2006207229;修订日期:2006212222 引 言近年来,由于世界能源的紧张和环保问题的日趋严重,汽车工业面临着严峻的挑战。一方面是提高燃气的热效率,减少废气排放;另一方面是减轻汽车自身重量,提高行驶速度、降低油耗,这些对汽车排气系统提出了更高的要求。汽车工业作为国家的支柱产业之一,其排气系统所用的材料和成形工艺也在发生不断地变化。汽车用排气管件以往常用铸铁管、镀锌钢管和镀铝钢管,目前耐热性能高的不锈钢薄壁焊管和轧制管也用于汽车排气管的制造。排气管以往除了铸造成形工艺外,根据排气系统中管件的形状特征主要采取的成形工艺是冲压两个半壳而后组焊成形,或采用管材做坯料进行数控弯曲、扩管、缩管加工而后组焊成形。这种方法虽然选材、制造灵活,但由于零件数目多,存在装配精度低,焊接量大,刚度差,冲压、装配成本高等缺点。因而,一种既能减轻车身自重,又能提高制造质量、降低生产成本的内高压成形技术IHPF(Internal High Pressure Forming)发展起来,采用内高压技术成形的排气管件与传统的冲压焊接成形件相比,其优点为:减少了制造工序;焊接量小,产品可靠性好;焊缝减少,内表面光滑,排气阻力小;成本降低20%左右12。管件内高压成形技术过去主要用来研究生产一些简单的零件,如直壁三通管等。汽车用排气管件的内高压成形技术是近10年来国外刚刚发展起来的新工艺,其形状和成形工艺要更为复杂一些。采用内高压成形技术可以较精确地控制零件的尺寸精度,故可以很方便地在后续工序中与其他零件进行装配,如今,一些零件已经应用于实际的生产中。图1是国外生产的形状较复杂的排气管件3。图1 排气系统的内高压成形件Fig11Exhaust parts formed by IHPF本文介绍了内高压成形的基本工艺原理,并对汽车发动机排气系统中所用的Y型三通管内高压成形进行了研究,并采用所成形的Y型三通管制造了汽车发动机排气歧管样件。1 内高压成形工艺原理及分类内高压成形原理是通过内部加压和轴向加力补料,将管坯压入到模具型腔使其成形(如图2所示),成形时内压和轴向进给按事先给定的匹配关系,由计算机精确控制。其基本工艺过程为:首先将管坯1放到下模2内,然后闭合上模3;将管的两端用水平冲头4和5密封,并使管坯内充满液体;在加压胀形的过程中,两端的冲头同时向内推进补料,这样在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成形为所需的工件。图2 内高压成形原理a)合模充液;b)加压成形Fig12The principle of IHPF管材的内高压成形可以分为有轴向进给和无轴向进给,同时根据成形零件形状又可分为3种工艺类型:直线零件成形(如图2)、带凸台或枝杈零件成形(如图3)、曲线零件成形(如图4)。带凸台或枝杈零件成形时,需要3个水平冲头,其中,管端两个冲头按给定加载路径向内送料,凸台或枝杈上的冲头按与内压一定的匹配关系向后退出,以保证枝管不胀破。图3为直三通管成形示意图。对于轴线为曲线的零件,先在数控弯管机上弯曲到要求的形状(见图4a),再放到模具内加压成形(见图4b)。图3 直三通管成形Fig13Straight T shape tube图4 曲线零件成形a)弯曲;b)内高压成形Fig14Part with curving axis2Y型三通管的内高压成形Y型和T型三通管主要应用在汽车发动机排气系统中,传统的制造方法通常是采用冲压焊接工艺,而采用内高压技术成形的三通管能够减少后续加工工序和模具数量而降低成本。目前国内外学者对T型三通管进行了广泛的研究,而对Y型三通管的研究还比较少。由于Y型三通管属于非对称零件,成形的难度比T型三通管要大45。211Y型三通管内高压成形的基本过程一般的内高压成形过程通常是将管坯放入下模,闭合模具管内充满液体,并用左右冲头进行密封,然后左右冲头施加轴向力补料,同时内部加上一定的压力来使管坯成形。而对于枝杈类零件如Y型三通管,则还需要反推冲头在胀形过程中对枝管顶部施加反推力,以避免枝管的过早破裂。图5是Y型三通管内高压成形原理图。图5Y型三通管内高压成形原理Fig15The principle of hydroforming of Y shaped tubes影响Y型三通管内高压成形质量的因素比较多,主要有压力、左右轴向的补料量、中间冲头的后退量以及摩擦等。由于结构的不对称性,对于Y型三通管内高压成形,内压、管端的2个轴进给量和控制枝管位移的一个轴后退量这4个工艺参数必须合理匹配控制。Y型枝杈管内高压成形过程可分为3个阶段(如图6所示)。成形初期,内压首先迅速增加到胀形压力,然后缓慢增加;左右冲头同时补料,中间冲头不动,支管顶部尚未接触中间冲头,支管顶部处于自由胀形状态,壁厚存在一定程度的减薄。成形中期,从支管顶部与中间冲头接触开始,到基本贴靠结束,在该阶段内压继续增加,左右冲头继续补料,中间冲头不动。在成形后期,内压继续增加,左右冲头继续补料,同时中间冲头后退,后退中要保持着与支管顶部的接触,以防止支管顶部的过度减薄。98 第3期滕步刚 等:汽车发动机排气歧管的内高压成形技术图6Y型枝杈管内高压成形的不同阶段a)初期;b)中期;c)后期Fig16Different deformation stages ofhydroforming Y shaped tube212实验设备本实验所用设备为哈尔滨工业大学自主研制的内高压成形机,如图7所示。该设备由增压器、合模机构、3个水平推缸以及液压伺服系统、计算机控制系统组成。能提供的最高压力为400MPa,合模力为315t。图7315t内高压成形机Fig17315t hydroforming press213Y型三通管的内高压成形研究实验用原材料为42mm2mm,SUS 304不锈钢无缝管,管材的屈服强度为245MPa,延伸率为62%。所成形枝杈与原管坯轴线夹角为47,其结构简图如图8所示。采用有限元模拟软件eta/DYNAFORM对Y型三通管的内高压成形过程进行了数值模拟。有限元模型如图9所示。通过数值模拟,对内压、管端的图8Y型三通管尺寸结构图,mmFig18Geometry of the Y2shaped branch pipe2个轴进给量和控制枝管位移的中间冲头后退量这4个工艺参数进行合理匹配,给出合理的加载路径来指导实验,并可以预测成形中可能产生的缺陷。图9 有限元模型Fig19FEM model本实验最终成形压力为200MPa。图10是采用内高压工艺制造的Y型三通管实验件,成形过程中,通过对成形工艺参数匹配控制,得到了壁厚差 016mm、支管高度满足设计要求的Y型三通管。图10 内高压成形的Y型三通管Fig110Y shaped tube formed by IHBF3Y型三通管内高压成形缺陷分析311 起皱时典型点的应变分析在Y型三通管内高压成形过程中,如果两端轴向进给过快、中间冲头后退太慢或内压过低都会产生图11所示的起皱现象。在三通管上取图12所示的D点和E点,这两点为起皱处的典型点,分析其起皱时应变的变化。09塑性工程学报第14卷图11 成形过程中产生的起皱Fig111Wrinkling during hydrofoming process通过研究不同加载路径下D点和E点的应变轨迹,通常内压相对较低时,成形过程中易发生起皱,且此时环向拉应变值相对较小,而轴向应变为压应变,其数值较环向应变大。起皱时D点和E点应变轨迹如图13所示。图12 起皱点位置示意图Fig112Sketching position of wrinkling图13D点和E点应变轨迹Fig113Strain change of pointDandE312 破裂时典型点的应变分析成形时,如果两端轴向进给过慢、中间冲头后退太快或内压过高都会产生图14所示的枝管顶部破裂现象。枝管破裂时,一般破裂点在其枝管的顶部,为图14 成形过程中产生的破裂Fig114Bursting during hydrofoming process了更好的分析破裂的原因,分析枝管顶部破裂点F的应变变化。F点的位置示意如图15所示。图15 破裂点位置示意图Fig115Sketching position of bursting通过研究不同加载路径下F点的应变轨迹,通常内压相对较高时,枝管容易发生破裂,此时F点后期轴向应变由压应变状态转变为拉应变状态。而模拟过程中,发现枝管不产生破裂时,通常F点的轴向应变一直保持为压应变。因此,要避免枝管顶部的破裂,要保证枝管顶部的轴向应变为压应变状态。破裂时F点应变轨迹如图16所示。图16F点应变轨迹Fig116Strain change of pointF19 第3期滕步刚 等:汽车发动机排气歧管的内高压成形技术4排气歧管的集成图17所示为汽车发动机不锈钢排气歧管样件,整个排气歧管通过上述工艺制造的Y型三通管将各支管汇聚,各个支管是通过数控弯管机来进行弯曲,而后与法兰盘相连成整个排气歧管。图17 内高压成形的排气歧管Fig117Exhaust manifold formed by IHPF5 结 论采用内高压技术成形的排气管件具有质量轻、刚度好、降低零件数量、减少后续组装焊接量等优点,可以减少模具,降低生产成本,提高产品质量,是汽车轻量化和提高整车性能的重要方法,目前已成为国际汽车制造技术上最具突破性的应用,并已跃升为主流制造技术之一。排气管件的内高压成形在国外刚刚应用于汽车的生产制造中,在国内尚属空白,国内目前某些合资企业使用的内高压排气管均是采用SKD(进口管件散件组焊),本文的研究成果将为国内内高压排气管的制造提供相关理论与实验指导,从而促进我国汽车工业的发展。参考文献 1 苑世剑,王仲仁.内高压成形的应用进展J.中国机械工程,2002.(5):783786 2 Koc M,Altan T.An overall review of the tube hydro2forming(THF)technology J.Journal of MaterialsProcessing Technology,2001.108(3):384393 3 Klaus Siegert,Markus Haussermann,Bruno Losch,Ralf Rieger,Recent developments in hydoforming tech2nologyJ.Journal of Material Processing Technology.2000.98,251258 4 Dohman F,HartlC.Hydroforming:Research and Prac2tical Application C.Proceedings of 2th InternationalConference on Innovations in Hydroforming Technolo2gy,Ohio,USA,1997 5 Suwat Jirathearanat,Christoph Hartl,Taylan Altan.Hydroforming of Y2shapes2product and process designsimulation and experiments J.Journal of MaterialsProcessing Technology,2004.146,124129Internal high pressure forming technology used for manufacturingexhaust pipes of automotive engineTENGBu2gangLIU GangYUAN Shi2jianYUAN Wen2jingYANG Hua(School of Materials Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150001China)Abstract:An investigation has been conducted for hydroforming Y2shaped branch tubes.Failure modes are analyzed such as thetransition zone wrinkling and the protrusion bursting.This gives guidance for manufacturing the Y2shaped tubes used in automo2tive exhaust system.And also a sample of exhaust pipes of automotive engine is assembled in this research.It provided theoreti2cal and experimental fundament for extending the application of internal high pressure forming technology into automotive indus2try.Key words:internal high pressure forming;hydroforming;Y2shaped tube;exhaust pipe29塑性工程学报第14卷