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汽车制造专业论文|汽车驱动壳液压胀形工艺研究
[摘要] 为了达到节材、节能和提高产品质量的目的，研究成功了用无缝管作毛坯，采用液压胀形生产汽车驱动桥壳的新工艺。该工艺过程较国外同类成形工艺更简捷，胀形时不用中间控制模且无需工序间退火处理。本研究工作为汽车驱动桥壳液压胀形产业化打下基础。关键词：驱动桥壳 液压胀形 工艺简捷
冲压焊接式汽车驱动桥壳，虽然较铸造桥壳具有重量轻，强度与刚度较好，制造成本较低等优势。但其制造工艺过程繁琐，焊接工作量大，污染环境，产品的疲劳寿命低，且易发生渗漏。因此，近三十年来世界各国皆致力于用无缝钢管通过胀形来制造驱动桥壳的技术开发。具有代表性的有法国索玛公司的机械胀形与日本Terumori Ueda 等开发的液压胀形工艺[1].前者在我国已应用于工程机械行业；后者则因技术不太成熟，未能用于批量生产。本文作者基于多年从事汽车零部件先进制造技术研究的工作基础，采用产学研方式，开发成功了轻型车驱动桥壳液压胀形新工艺[2].该成形工艺过程简捷，并且具有显著的综合经济效益。
1 液压胀形工艺原理及工艺力概算
驱动桥壳属于中央带凸肚的轴对称直长轴空收件（图1a）。其中央凸肚（装差速器）的直径为D,两侧圆柱部分的直径为d,总长度为L,其中两侧圆柱段的壁厚为t.通常这些参数之间的比例关系为：
D/d=2.5——3
L/D = 5——5.6
t/D = 0.055——0.06
1—桥壳本体 2—三角形镶块 3—钢板弹簧座
4—半轴套管 5—前加强环 6—后加强环 7—后堵盖
a ） 1608 型农用车冲压焊接式桥壳
b） 整体式桥壳
图1 汽车驱动桥壳本体产品图
1.1 产品设计的改进
为了达到用液压胀形成形的目的，首先将原设计的冲压拼镶焊接的驱动桥壳，改进成整体式桥壳（图1b）。从而省略了原设计中的三角镶块、下加强环及后堵盖等件，并大幅度减少了焊接工作量。当然，整体式桥壳应满足于相关件之间的装配关系。
1.2 驱动桥壳液压胀形原理
用管坯液压胀形成形驱动桥壳的工作原理如图2 所示。
图2 驱动桥壳液压胀形的原理
将管坯2 置于滑动式组合模具3、4 闭合后的型腔中，在轴向由压塑柱塞2 施加轴向力Q1,同时由两端充入高压液体。于是管坯便在液体内压力p 和压塑力Q1 的复合作用下，在中央形成胀形的凸肚。因轴向压塑力作用使材料流入胀形区，至胀形的部位与模腔贴紧时，使可胀成整体式驱动桥壳。
由于管坯的初始直径与所要胀形的中央球形壳体的直径之比为1:3,用一次胀形难以达到。故根据文献[3]和我们的实验研究结果，采用了较为稳妥的两次胀形工艺。
1.3 胀形成形工艺力概算
为了设计成形工艺与专用液压机，需事先对液压胀形的工艺力进行概算。以图1b 所示的1608 型农用车（CA1020 轻型车桥壳与其基本相同）的驱动桥壳为例，先将所用管坯的尺寸规格及材料的性能和实验参数列于表1.
表1 管坯材料的机械性能与几何参数
通过多次实验并参照文献[3]等，得出如下计算驱动桥壳液压胀形工艺力计算的经验公式：
（1）工作液体内压力计算公式
（1）
式中△h/D─—轴向压塑柱塞的相对行程；
m,k ─—经验系数，根据胀形件的特点取；
m = 50,k=600 .
代入有关参数后计算得出p = 4045MPa
（2）轴向压塑力Q1 的计算公式
（2）
式中β─—洛德系数，取β=1.15.
带入有关参数计算出Q1= 3216kN
（3）垂直方向合模压紧力的计算公式
（3）
式中 F─—工件在模腔内的投影面积。
经计算得出Q2 = 4200kN.
2 驱动桥壳液压胀形工艺过程
基于上述胀形工艺力参数的概算，设计了专用胀形液压机与滑动式组合胀形模具，对轻型车与农用车的驱动桥壳进行液压胀形。以1608 型农用车为例，所用钢管的规格为t= 4 mm,外径d = 114 mm 的热轧无缝钢管（GB8162-87），供货条件为退火状态。
2.1 首次液压胀形
将滑动上模3 与上模一同由液压机的提升缸开起，模具开启。同时两个串联在一起的轴向压缩油缸退回。这时将管坯1 放进下模中。之后压机下行压紧下模；与此同时向管坯内充高压液油并将压塑柱塞5 沿轴向同步推进。在轴向力 Q1 与液体内高压p 的联合作用下，压塑柱塞至预定行程时，管坯中部即进行胀形，得到如图3b 所示的首次胀形件。
a） 液压胀形示意图 b） 首次胀形得到的预成形件
图3 驱动桥壳的首次胀形
1—管坯 2—上模 3—可分式模块
4—滑动模镶块 5—压塑柱塞
2.2 第二次液压胀形
如图4 所示，第二次胀形所用的模具结构与首次胀形的模具结构相同，只是成形模腔不同。将首次胀形件经过酸洗处理后，放进开启的模具中。再进行一次与首次胀形相同的胀形过程。在轴向推进力Q1和内高压p 的联合作用下，管坯中央进一步胀形并贴满终成型模具腔。至此得到了所要求的桥壳中央球形壳体。
1—管坯 2—上模 3—可分式模块
4—滑动模镶块 5—压塑柱塞
a）液压胀形示意图
b）最终得到的胀形件
图4 驱动桥壳的第二次液压胀形
在制定胀形成型工艺时，两次胀形时管坯中央部分直径的扩大率控制在50%以内，从而避免了破裂。实际胀形所用的力能参数见表2.
表2 1608 型驱动桥壳液压胀形的主要力能参数
最终得到的胀形件还需要在卧式液压机上进行缩径，使管坯中央桥壳的两侧圆柱部分的外径为72mm.
3 产品质量与经济效益分析
3.1 液压胀形的整体式驱动桥壳质量好
用无缝钢管采用液压胀形式工艺生产的整体式驱动桥壳质量明显优于冲压焊接式桥壳。
（1）产品的疲劳寿命大幅度提高
将液压胀形的整体式驱动桥壳，按照标准JB3803-84《汽车驱动台架试验方法》进行台架试验，考核桥壳的疲劳寿命。台架试验结果表明，该类桥壳的垂直弯曲疲劳寿命大于120 万次，远远高于标准要求的中值寿命80 万次。
（2）产品的静扭强度与刚度高于冲压焊接式桥壳。
（3）由于该产品无焊缝，消除了渗漏油液现象，而且产品外观质量好。
3.2 经济效益分析
采用液压胀形新工艺生产驱动桥壳，具有显著的综合经济效益，并且具有无废料、节约工时费用等优点。下面对经济效益加以分析。
（1）节材效益显著
液压胀形工艺的材料利用率为95%,而冲压焊接工艺的材料利用率为70%——75%.
具体的两种工艺材料消耗对比见表3.
表3 液压胀形工艺与冲压焊接工艺耗材量对比
（2）节约能源
经统计分析，液压胀形工艺比冲压焊接工艺，每生产1 件桥壳节能为：
节电11kWh,节约电费8.8 元。
节约气体效益6 元。
合计节能效益14.8 元。
（3）节约工时费与工人工资
采用新工艺后驱动桥壳的生产工序由11 序减为6 序。大大缩短了制造工艺过程，减少生产工人与检查人员12——14 人。此项可使每件节约资金1.2——1.5 元。
（4）节约工艺设备与工艺模具投资
主要工艺设备减少2/3,工装模具减少50%.摊销至每件可节约费用7 元。
综合上述各项每件可节约资金100 元。若年产10 万件驱动桥壳，则新工艺可创年节约资金1000 万元的综合经济效益。
4 结论
采用液压胀形工艺用管坯制造汽车驱动桥壳，能快速简捷的生产整体式驱动桥壳。产品质量明显优于冲压焊接式桥壳。新工艺具有显著的节材、节能与节约制造工时等综合经济效益，并且具有绿色制造特征，无油气污染。
本工艺技术先进，稳定可靠。通过更换模具可实现3T 以下轻型车的驱动桥壳系列化生产。
本工艺具有自主知识产权，较文献[1]的工艺更为先进、简捷。主要表现在首次液压胀形时不需要中间控制模，同时采用20GB699-88 材质的管坯胀形时，两次胀形工序之间无需退火处理。
本研究工作得到了吉林省科学技术委员会与吉林省辽源重型机械厂的资助与支持，在此一并致谢。
参考文献
1 Terumori Ueda, Differential Gear Casings for Automobiles: by Liquid Bulge forming Processes, par two, Sheet Metal Industries, April 1983, 220——224
2 吉林省汽车高技术工程中心，吉林工业大学，轻型车后桥壳液压胀形新工艺研究技术总结，1999.4,长春，中国
3 Богоявленийк·H,CеряковЕ·И。 Гидравлическая формовкатройникови Кр е смовин。 Кузнечно-Штамповочное Производство， 1972, No.4, 22——25
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