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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(wú)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(guò)程較國(guó)外同類成形工藝更簡(jiǎn)捷,脹形時(shí)不用中間控制模且無(wú)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(guò)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(lái)世界各國(guó)皆致力于用無(wú)縫鋼管通過(guò)脹形來(lái)制造驅(qū)動(dòng)橋殼的技術(shù)開(kāi)發(fā)。具有代表性的有法國(guó)索瑪公司的機(jī)械脹形與日本Terumori Ueda 等開(kāi)發(fā)的液壓脹形工藝[1].前者在我國(guó)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)度為L(zhǎng),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(guò)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);
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(guò)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(wú)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(kāi)起,模具開(kāi)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(guò)酸洗處理后,放進(jìn)開(kāi)啟的模具中。再進(jìn)行一次與首次脹形相同的脹形過(guò)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(jiàn)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(wú)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(wàn)次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的中值壽命80 萬(wàn)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(wú)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(wàn)件驅(qū)動(dòng)橋殼,則新工藝可創(chuàng)年節(jié)約資金1000 萬(wàn)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(wú)油氣污染。
本工藝技術(shù)先進(jìn),穩(wěn)定可靠。通過(guò)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(wú)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(zhǎng)春,中國(guó)
3 Богоявленийк·H,CеряковЕ·И。 Гидравлическая формовкатройникови Кр е смовин。 Кузнечно-Штамповочное Производство, 1972, No.4, 22——25
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