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汽車制造專業論文|汽車驅動殼液壓脹形工藝研究
[摘要] 為了達到節材、節能和提高產品質量的目的，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業化打下基礎。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，制造成本較低等優勢。但其制造工藝過程繁瑣，焊接工作量大，污染環境，產品的疲勞壽命低，且易發生滲漏。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。具有代表性的有法國索瑪公司的機械脹形與日本Terumori Ueda 等開發的液壓脹形工藝[1].前者在我國已應用于工程機械行業；后者則因技術不太成熟，未能用于批量生產。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，采用產學研方式，開發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 6—后加強環 7—后堵蓋
a ） 1608 型農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品圖
1.1 產品設計的改進
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，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。故根據文獻[3]和我們的實驗研究結果，采用了較為穩妥的兩次脹形工藝。
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格及材料的性能和實驗參數列于表1.
表1 管坯材料的機械性能與幾何參數
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 ─—經驗系數，根據脹形件的特點取；
m = 50,k=600 .
代入有關參數后計算得出p = 4045MPa
（2）軸向壓塑力Q1 的計算公式
（2）
式中β─—洛德系數，取β=1.15.
帶入有關參數計算出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，對輕型車與農用車的驅動橋殼進行液壓脹形。以1608 型農用車為例，所用鋼管的規格為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。
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見表2.
表2 1608 型驅動橋殼液壓脹形的主要力能參數
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 產品質量與經濟效益分析
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的整體式驅動橋殼質量明顯優于沖壓焊接式橋殼。
（1）產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）產品的靜扭強度與剛度高于沖壓焊接式橋殼。
（3）由于該產品無焊縫，消除了滲漏油液現象，而且產品外觀質量好。
3.2 經濟效益分析
采用液壓脹形新工藝生產驅動橋殼，具有顯著的綜合經濟效益，并且具有無廢料、節約工時費用等優點。下面對經濟效益加以分析。
（1）節材效益顯著
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）節約能源
經統計分析，液壓脹形工藝比沖壓焊接工藝，每生產1 件橋殼節能為：
節電11kWh,節約電費8.8 元。
節約氣體效益6 元。
合計節能效益14.8 元。
（3）節約工時費與工人工資
采用新工藝后驅動橋殼的生產工序由11 序減為6 序。大大縮短了制造工藝過程，減少生產工人與檢查人員12——14 人。此項可使每件節約資金1.2——1.5 元。
（4）節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%.攤銷至每件可節約費用7 元。
綜合上述各項每件可節約資金100 元。若年產10 萬件驅動橋殼，則新工藝可創年節約資金1000 萬元的綜合經濟效益。
4 結論
采用液壓脹形工藝用管坯制造汽車驅動橋殼，能快速簡捷的生產整體式驅動橋殼。產品質量明顯優于沖壓焊接式橋殼。新工藝具有顯著的節材、節能與節約制造工時等綜合經濟效益，并且具有綠色制造特征，無油氣污染。
本工藝技術先進，穩定可靠。通過更換模具可實現3T 以下輕型車的驅動橋殼系列化生產。
本工藝具有自主知識產權，較文獻[1]的工藝更為先進、簡捷。主要表現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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