汽车排气管内高压成形技术

简 介

哈尔滨工业大学

2003年3月

一、项目必要性分析

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，这些方面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的变化。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用于汽车排气管的制造，美国和日本轿车的排气系统已经全部采用不锈钢制做。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。

近年来，哈尔滨工业大学针对目前汽车工业对减轻重量、降低油耗的迫切需求，大力开展了空心轻体构件内高压成形的先进制造技术研究，并取得了丰硕的成果。采用内高压技术制造排气系统中的管件可以进一步减轻排气系统的重量，焊缝数量减少，内表面光滑，排气阻力小，使得成形产品的质量和使用寿命得到进一步提高。同时，与传统的生产工艺相比，利用内高压成形技术生产排气管件可以大大节约生产时间，与铸造生产方式相比，大约降低40%的重量。排气管件的内高压成形技术在国外一些发达国家已经应用于实际生产中，在国内还属空白，其在汽车制造领域有着广泛的应用前景和市场背景。

二、项目可行性分析

1、国内外应用现状

排气管除了以往的铸造成形工艺外，目前国内外生产排气管主要采取的工艺是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。

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枝杈管等，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它零件进行装配，如今，一些零件已经应用于一些实际生产中。图1是国外生产的一些形状较复杂的排气管件。

图1 国外生产的一些排气管样件

目前，发达国家中美国克莱斯勒(Chrysler)，德国奔驰（Benz）等汽车公司的排气系统均采用了内高压成形的排气管件，德国的DaimlerChrysler AG 汉堡（Hamburg）工厂1994年开始双层间隙排气歧管的内高压成形的研究工作，并于95年开始正式投入生产，到1999年止，已采用此技术生产大约3.5百万件排气管件。Daimler-Benz 汉堡（Hamburg）工厂也已采用此技术开始排气管件的生产，并应用于Mercedes-Benz汽车。图2为可以用此工艺成形的一些典型的排气管件。

图2 可用内高压成形技术制造的排气管件

在我国国内轿车行业的生产中目前主要采用的是冲压件和管材弯曲件，目前国内还没有汽车生产厂引进此项技术。

2、技术原理和优点

利用钢管（材料大多为不锈钢）弯曲成要求的形状，然后用内高压成形加工出带枝杈的管件，再将这些带枝杈焊成排气管件总成，如图3所示。

对于形状简单一些的直壁枝杈类管件一般需要轴向加力补料来进行内高压成形，如图4所示。

图4 直壁斜枝杈管内高压成形工艺原理

1.平衡凸模 2.下半凹模 3,4. 右、左送料模具

对于许多形状较复杂的排气管件的制造通常无法实现端部补料，一般需要把管坯预弯成接近零件形状，然后加压成形。其成形过程一般需经管件弯曲、预成形、退火，而后采用内高技术成形最终形状，其成形工序如图5所示。

原始管坯 预弯曲及预成形 内高压成形 最后成品件

图5 复杂形状排气管件成形工序

3、优点

排气管件传统制造工艺是整体铸造，缺点是壁厚大，重量大。与铸件相比，内高压成形排气管件优点：

（1） 重量减轻30%－40％;

（2） 成本降低20％左右；

（3） 寿命提高2－3倍。

4、市场预测

国内目前合资企业生产的Audi A6, Passat B5，Bora使用的内高压排气管是采用SKD(进口管件散件组焊)，急需在国内配套内高压件。需求量为：

Audi A6, 3万件/年

Passat B5 8－10万件/年

Bora 3－4万件/年

此外沈阳金杯汽车公司和哈尔滨东安发动机公司均有需求。

由于三元催化技术需求双层排气管件，而内高压技术正适合制造双层排气管件，因此应用范围不断扩大，国际市场需求量在100万件以上。

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，有着广泛的市场前景，与传统的冲压成形工艺相比，采用内高压技术成形排气管件成本可降低20%左右，而且成形的产品质量好，由于焊缝数量减少，可以降低排气管件发生泄漏的几率，提高产品的使用寿命，在加入WTO形式下，还可以进一步开拓国际市场。

三、 项目研究内容、经费预算和实施计划

1、主要研究内容

本项目将针对上述枝杈类管件和一些预弯形状较复杂的排气管件进行内高压成形研究。具体研究内容包括：

（1）枝杈类管件内压力与轴向位移的匹配关系及其控制。对于三个枝杈管件，二个轴进给量和一个轴后退量与内压匹配，每种排气管件的匹配关系又各有不同，需要分别研究。

（2）管材弯曲形状对枝杈类管件成形影响。

（3）预成形坯设计和壁厚分布控制。即如何通过预成形形状的设计调节控制壁厚分布。

（4） CNC弯曲件对质量对枝杈类管件成形影响。

五、 经费预算

研发经费：120－150万元，用于模具、材料、试验、数值模拟，典型样件试制及产业化开发。

2．经费预算

序号	支出项目	经费（万元）
1	试验模具材料及加工	7.1
2	内高压设备改造费（由二轴数控升级到三轴控制）	7.5
3	材料费及数控弯曲费	4.8
4	计算机数值模拟	1.6
5	内高压成形试验费	2.5
6	科研业务费等	2.4
7	管理费（7％）	2
6	合计	27.9

3．进度安排

（1）2003年7月～2003年12月

内高压设备由二轴数控升级到三轴数控，试验方案和模具设计制造

（2）2004年1月～2004年8月

直壁枝杈类排气管件成形研究，斜枝杈排气管件的样件试制，支管的相对高度达到h/d=0.8；

（3）2004年9月～2005年7月

试制一种复杂形状不锈钢排气管件，包括钢管弯曲质量控制，预成形坯的制作和排气管件的最终成形。

4、承担单位能力分析

哈尔滨工业大学是国内最早系统开展液力成形研究的单位。1999年前国内在内高压领域为空白。哈工大液力成形课题组获得国家自然科学基金和黑龙江省科委的资助，在国内首家开展了内高压工艺理论和成形机理方面的基础研究，研制国内首台内高压成形机（专利号：ZL 00208694.8），该机采用计算机控制，可以按给定的加载路径控制内压与轴向进给匹配。该机主要参数为：内压400MPa；水平侧推力1500KN；可加工零件尺寸：直径100mm，长度1000mm。

在这台机器上以某型号战斗机铝合金管件、某型号火箭动力系统不锈钢接头为背景进行了初步探索研究，并试制了不锈钢厚壁阶梯轴等典型零件。还对汽车结构件—奥迪轿车后轴纵臂进行了实验。重点对减轻结构质量具有显著效应的低塑性铝合金材料的内高压成形进行了研究，而国外目前研究主要集中在钢管，哈工大在低塑性铝合金内高压成形工艺基础研究是处在本领域前沿水平。另外，组合式空心凸轮轴的研究已经获得成功，开始进入产业化阶段。2001年8月，“内高压设备研制及其应用”项目通过黑龙江省科技厅主持的技术鉴定，项目总体水平达到国际先进。

博士生导师苑世剑教授长期从事液力成形技术的研究。在美国做博士后研究其间，曾参加美国三大汽车和十大钢铁公司联合进行的内高压液力成形在汽车上应用项目的部分工作，对液力成形关键技术和前沿课题有一定的掌握。曾主持完成多项国家自然科学基金项目和省市重点项目，并获得多项省部级科技进步奖。研究所工程师和高级工程师具有丰富模具设计的经验，熟悉仪器设备的使用，多名博士生和硕士生可以参加实验和数值模拟工作。

该内高压成形机经过改造成三轴数控，完全可以实现排气管件的内高压成形。课题组还拥有国际先进的数值模拟软件DEFORM和DYNAFORM，可用于对该技术开发涉及到的塑性加工问题的数值模拟研究。