汽車制造專業(yè)論文|汽車驅(qū)動(dòng)殼液壓脹形工藝研究

　　[摘要] 為了達(dá)到節(jié)材、節(jié)能和提高產(chǎn)品質(zhì)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(qū)動(dòng)橋殼的新工藝。該工藝過程較國外同類成形工藝更簡(jiǎn)捷，脹形時(shí)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(qū)動(dòng)橋殼液壓脹形產(chǎn)業(yè)化打下基礎(chǔ)。
　　
　　關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)橋殼 液壓脹形 工藝簡(jiǎn)捷
　　
　　沖壓焊接式汽車驅(qū)動(dòng)橋殼，雖然較鑄造橋殼具有重量輕，強(qiáng)度與剛度較好，制造成本較低等優(yōu)勢(shì)。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(qū)動(dòng)橋殼的技術(shù)開發(fā)。具有代表性的有法國索瑪公司的機(jī)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(yīng)用于工程機(jī)械行業(yè)；后者則因技術(shù)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(jìn)制造技術(shù)研究的工作基礎(chǔ)，采用產(chǎn)學(xué)研方式，開發(fā)成功了輕型車驅(qū)動(dòng)橋殼液壓脹形新工藝[2].該成形工藝過程簡(jiǎn)捷，并且具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　1 液壓脹形工藝原理及工藝力概算
　　
　　驅(qū)動(dòng)橋殼屬于中央帶凸肚的軸對(duì)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(cè)圓柱部分的直徑為d,總長度為L,其中兩側(cè)圓柱段的壁厚為t.通常這些參數(shù)之間的比例關(guān)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(qiáng)環(huán) 6—后加強(qiáng)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(qū)動(dòng)橋殼本體產(chǎn)品圖
　　
　　1.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)
　　
　　為了達(dá)到用液壓脹形成形的目的，首先將原設(shè)計(jì)的沖壓拼鑲焊接的驅(qū)動(dòng)橋殼，改進(jìn)成整體式橋殼（圖1b）。從而省略了原設(shè)計(jì)中的三角鑲塊、下加強(qiáng)環(huán)及后堵蓋等件，并大幅度減少了焊接工作量。當(dāng)然，整體式橋殼應(yīng)滿足于相關(guān)件之間的裝配關(guān)系。
　　
　　1.2 驅(qū)動(dòng)橋殼液壓脹形原理
　　
　　用管坯液壓脹形成形驅(qū)動(dòng)橋殼的工作原理如圖2 所示。
　　
　　圖2 驅(qū)動(dòng)橋殼液壓脹形的原理
　　
　　將管坯2 置于滑動(dòng)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(shí)由兩端充入高壓液體。于是管坯便在液體內(nèi)壓力p 和壓塑力Q1 的復(fù)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(shí)，使可脹成整體式驅(qū)動(dòng)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(dá)到。故根據(jù)文獻(xiàn)[3]和我們的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)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(shè)計(jì)成形工藝與專用液壓機(jī)，需事先對(duì)液壓脹形的工藝力進(jìn)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(qū)動(dòng)橋殼為例，先將所用管坯的尺寸規(guī)格及材料的性能和實(shí)驗(yàn)參數(shù)列于表1.
　　
　　表1 管坯材料的機(jī)械性能與幾何參數(shù)
　　
　　通過多次實(shí)驗(yàn)并參照文獻(xiàn)[3]等，得出如下計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋殼液壓脹形工藝力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式：
　　
　　（1）工作液體內(nèi)壓力計(jì)算公式
　　
　�。�1）
　　
　　式中△h/D─—軸向壓塑柱塞的相對(duì)行程；
　　
　　m,k ─—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)脹形件的特點(diǎn)取；
　　
　　m = 50,k=600 .
　　
　　代入有關(guān)參數(shù)后計(jì)算得出p = 4045MPa
　　
　�。�2）軸向壓塑力Q1 的計(jì)算公式
　　
　�。�2）
　　
　　式中β─—洛德系數(shù)，取β=1.15.
　　
　　帶入有關(guān)參數(shù)計(jì)算出Q1= 3216kN
　　
　�。�3）垂直方向合模壓緊力的計(jì)算公式
　　
　�。�3）
　　
　　式中 F─—工件在模腔內(nèi)的投影面積。
　　
　　經(jīng)計(jì)算得出Q2 = 4200kN.
　　
　　2 驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)了專用脹形液壓機(jī)與滑動(dòng)式組合脹形模具，對(duì)輕型車與農(nóng)用車的驅(qū)動(dòng)橋殼進(jìn)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(dòng)上模3 與上模一同由液壓機(jī)的提升缸開起，模具開啟。同時(shí)兩個(gè)串聯(lián)在一起的軸向壓縮油缸退回。這時(shí)將管坯1 放進(jìn)下模中。之后壓機(jī)下行壓緊下模；與此同時(shí)向管坯內(nèi)充高壓液油并將壓塑柱塞5 沿軸向同步推進(jìn)。在軸向力 Q1 與液體內(nèi)高壓p 的聯(lián)合作用下，壓塑柱塞至預(yù)定行程時(shí)，管坯中部即進(jìn)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(yù)成形件
　　
　　圖3 驅(qū)動(dòng)橋殼的首次脹形
　　
　　1—管坯 2—上模 3—可分式模塊
　　
　　4—滑動(dòng)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(jié)構(gòu)與首次脹形的模具結(jié)構(gòu)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(jìn)開啟的模具中。再進(jìn)行一次與首次脹形相同的脹形過程。在軸向推進(jìn)力Q1和內(nèi)高壓p 的聯(lián)合作用下，管坯中央進(jìn)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(dòng)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(qū)動(dòng)橋殼的第二次液壓脹形
　　
　　在制定脹形成型工藝時(shí)，兩次脹形時(shí)管坯中央部分直徑的擴(kuò)大率控制在50%以內(nèi)，從而避免了破裂。實(shí)際脹形所用的力能參數(shù)見表2.
　　
　　表2 1608 型驅(qū)動(dòng)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(jī)上進(jìn)行縮徑，使管坯中央橋殼的兩側(cè)圓柱部分的外徑為72mm.
　　
　　3 產(chǎn)品質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益分析
　　
　　3.1 液壓脹形的整體式驅(qū)動(dòng)橋殼質(zhì)量好
　　
　　用無縫鋼管采用液壓脹形式工藝生產(chǎn)的整體式驅(qū)動(dòng)橋殼質(zhì)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(qū)動(dòng)橋殼，按照標(biāo)準(zhǔn)JB3803-84《汽車驅(qū)動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)方法》進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，考核橋殼的疲勞壽命。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，該類橋殼的垂直彎曲疲勞壽命大于120 萬次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的中值壽命80 萬次。
　　
　�。�2）產(chǎn)品的靜扭強(qiáng)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(zhì)量好。
　　
　　3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析
　　
　　采用液壓脹形新工藝生產(chǎn)驅(qū)動(dòng)橋殼，具有顯著的綜合經(jīng)濟(jì)效益，并且具有無廢料、節(jié)約工時(shí)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。下面對(duì)經(jīng)濟(jì)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(duì)比見表3.
　　
　　表3 液壓脹形工藝與沖壓焊接工藝耗材量對(duì)比
　　
　�。�2）節(jié)約能源
　　
　　經(jīng)統(tǒng)計(jì)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(fèi)8.8 元。
　　
　　節(jié)約氣體效益6 元。
　　
　　合計(jì)節(jié)能效益14.8 元。
　　
　�。�3）節(jié)約工時(shí)費(fèi)與工人工資
　　
　　采用新工藝后驅(qū)動(dòng)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(xiàng)可使每件節(jié)約資金1.2——1.5 元。
　　
　�。�4）節(jié)約工藝設(shè)備與工藝模具投資
　　
　　主要工藝設(shè)備減少2/3,工裝模具減少50%.攤銷至每件可節(jié)約費(fèi)用7 元。
　　
　　綜合上述各項(xiàng)每件可節(jié)約資金100 元。若年產(chǎn)10 萬件驅(qū)動(dòng)橋殼，則新工藝可創(chuàng)年節(jié)約資金1000 萬元的綜合經(jīng)濟(jì)效益。
　　
　　4 結(jié)論
　　
　　采用液壓脹形工藝用管坯制造汽車驅(qū)動(dòng)橋殼，能快速簡(jiǎn)捷的生產(chǎn)整體式驅(qū)動(dòng)橋殼。產(chǎn)品質(zhì)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(shí)等綜合經(jīng)濟(jì)效益，并且具有綠色制造特征，無油氣污染。
　　
　　本工藝技術(shù)先進(jìn)，穩(wěn)定可靠。通過更換模具可實(shí)現(xiàn)3T 以下輕型車的驅(qū)動(dòng)橋殼系列化生產(chǎn)。
　　
　　本工藝具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，較文獻(xiàn)[1]的工藝更為先進(jìn)、簡(jiǎn)捷。主要表現(xiàn)在首次液壓脹形時(shí)不需要中間控制模，同時(shí)采用20GB699-88 材質(zhì)的管坯脹形時(shí)，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(xué)技術(shù)委員會(huì)與吉林省遼源重型機(jī)械廠的資助與支持，在此一并致謝。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　
　　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(shù)工程中心，吉林工業(yè)大學(xué)，輕型車后橋殼液壓脹形新工藝研究技術(shù)總結(jié)，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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