歧管接口沖壓成形研究

劉穎輝，于海平，董淑輝

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，其工作狀況直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能，同時(shí)對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性和使用耐久性也有一定影響，經(jīng)受冷熱交變的熱沖擊，其溫度范圍可達(dá)0～1 000℃，導(dǎo)致因熱疲勞而損壞［1］。由熱疲勞產(chǎn)生的損壞表現(xiàn)在一是破裂，二是變形。破裂就會(huì)漏氣從而報(bào)廢，變形就會(huì)導(dǎo)致歧管無法安裝。在保證強(qiáng)度的前提下盡可能減小氣道壁厚，以減輕排氣歧管重量，降低成本。大多數(shù)的不銹鋼歧管和沖壓式歧管的坯料板材厚度都在1.5～2.0 mm之間，鑄造式排氣歧管壁厚在 4.0～5.0 mm［2］。隨著汽車輕量化的大勢所趨以及發(fā)動(dòng)機(jī)增壓導(dǎo)致的排氣溫度升高，排氣歧管過去采用鑄造制品，現(xiàn)在正在用耐熱性高的薄板不銹鋼制管或沖壓制品代替，不銹鋼排氣歧管已經(jīng)被大量的應(yīng)用于汽油機(jī)中。

1 歧管殼體件對接口部缺損

本文主要研究歧管沖壓成形過程中所遇到歧管殼體件對接口部缺損這一缺陷，進(jìn)行工藝方案分析和試驗(yàn)研究，從而解決該缺陷。

歧管沖壓工藝流程：

殼A工藝：沖工藝孔、一次成形、二次成形、切邊1、切邊2（對接口部缺損產(chǎn)生）、沖孔、翻邊、整形。

殼B工藝：沖工藝豁孔、一次成形、二次成形、切邊1、切邊2（對接口部缺損產(chǎn)生）、整形。

針對所產(chǎn)生的缺陷，本次研究的主要內(nèi)容可以歸納為以下幾點(diǎn)：

1）對材料參數(shù)再次進(jìn)行測定，以確保材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，測定的方法為拉伸試驗(yàn)。

2）根據(jù)所測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的計(jì)算，確定下來最小彎曲半徑，從而確定第一套方案的可行性和第二套方案的剪裁力大小。

3）針對第二套方案要設(shè)計(jì)局部對接口的模具，試驗(yàn)件要進(jìn)行不同尺寸余量的切割處理。

4）實(shí)際工藝試驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理。

2 原成形模具特點(diǎn)分析及改進(jìn)方案確定

2.1 二次成形模具特點(diǎn)分析

若要對接口部對接效果達(dá)到理想狀態(tài)，只有在二次成形模具或二次切邊模具前后工藝進(jìn)行著手解決［3－4］。如果在二次成形模具上著手解決對接口部的缺損問題，首要解決的就是模具圓角的問題，只有將圓角減小到理想值（如圖1所示），在二次切邊時(shí)才能做出高質(zhì)量的制件。

圖1 切邊時(shí)圓角大小對對接口的影響

由圖1可以看出解決缺損的問題，對圓角值進(jìn)行改良有可能且可行。

經(jīng)過測量，二次成形模具成形圓角處圓角值為R=2.5，如果將二次成形模具的圓角減小至理想的零值那就需要對材料的最小彎曲半徑進(jìn)行校核計(jì)算［5］。

將板料總數(shù)伸長率的試驗(yàn)測定值δ=0.234代入計(jì)算公式中，可知在冷沖的情況下板料的最小彎曲半徑為3.27 mm。如果將局部加熱后再進(jìn)行局部成形，則生產(chǎn)成本會(huì)很高，故將圓角減小至零的方案很難實(shí)現(xiàn)。

2.2 二次切邊模具特點(diǎn)分析

歧管殼體件的二次切邊模具在二次切邊后對接口部的局部缺損現(xiàn)象就產(chǎn)生了，由歧管對接口局部放大圖不難看出，要想解決歧管對接口部缺損的問題就要從二次切邊模具的刃口上著手。

3 新工藝方案的制定

要將歧管對接口部的缺損現(xiàn)象控制到理想效果，就要在切邊2工序時(shí)留有足夠的余量，在切邊2工序后增加一道工藝，使所保留圓角余量的遠(yuǎn)端根部在切斷后，在模具凸模上與刃口垂直的推直區(qū)的作用下，將所留余量的圓角反彎曲展平。在不斷試驗(yàn)下達(dá)到理想的扣合效果。

新工藝流程：

殼A工藝：沖工藝孔、一次成形、二次成形、切邊1、切邊 2、三次成形（對接口成形）、沖孔、翻邊、整形。

殼B工藝：沖工藝豁孔、一次成形、二次成形、切邊1、切邊2、三次成形（對接口成形）、整形。

4 材料性能測試

在本次拉伸試驗(yàn)中最主要的目的是測得材料JFE-MH1的伸長率和抗拉強(qiáng)度。

試驗(yàn)中測得材料JFE-MH1的8個(gè)試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖2、圖3。

圖2 JFE-MH1拉伸試驗(yàn)長度方向應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 JFE-MH1拉伸試驗(yàn)寬度方向應(yīng)力應(yīng)變曲線

試驗(yàn)中測得的材料機(jī)械性能數(shù)據(jù)如表1所示，它包括彈性模量、拉伸應(yīng)力、拉伸強(qiáng)度（即抗拉強(qiáng)度）和拉伸最大值應(yīng)變（即伸長率）。

表1 JFE-MH1實(shí)際機(jī)械性能參數(shù)

將表1中的拉伸強(qiáng)度和最大應(yīng)變的數(shù)據(jù)分別提取出來，去掉最高與最低的兩個(gè)數(shù)，并分別取其平均數(shù)，得到抗拉強(qiáng)度為493.4 MPa，伸長率為23.4%，屈服強(qiáng)度為333.2 MPa。

5 模具優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

5.1 試驗(yàn)件的前處理

選取歧管殼體件的一個(gè)對接口作為試驗(yàn)件，將殼A和殼B相對應(yīng)的對接口部分別切割下來，以留作沖壓試驗(yàn)備用件，殼A的切割方法是在對應(yīng)對接口左右的平面上取中線，用線切割設(shè)備將其割下，同時(shí)留下預(yù)沖的余量。殼B則是在與殼A相對應(yīng)的對接口左右的工藝豁口處取中線，同樣用線切割設(shè)備切割下來并留有不同尺寸的預(yù)沖余量。

5.2 試驗(yàn)效果

5.2.1 2.5 mm余量試驗(yàn)效果

以對接口部外表面圓弧的切線為基準(zhǔn)，向外留有2.5 mm的余量尺寸，將處理好的試驗(yàn)件在模具中成形。以殼A為例，對成形的試件的對接口部進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

將制件取出與殼B（下殼）進(jìn)行對接如，觀察對接的程度和效果，發(fā)現(xiàn)實(shí)際成形后，雖然對接口部的平面平整度良好，但反彎曲余料展平的長度比計(jì)算的數(shù)值要長，根部有撕裂的現(xiàn)象發(fā)生，并且伴有毛刺產(chǎn)生。導(dǎo)致對接的效果不理想，如圖4所示。

圖4 余量2.5 mm試驗(yàn)件成形效果

實(shí)際測量成形件的對接口部展平區(qū)的尺寸，測得展平后毛坯長度（不計(jì)毛刺）為6.54 mm。根部突出約1°，毛刺長度約為1 mm，與原設(shè)計(jì)方案相比，效果基本吻合，但是預(yù)留余料的尺寸規(guī)格還需調(diào)試。

由以上的試驗(yàn)效果總結(jié)出導(dǎo)致對接口扣合狀況不理想的原因有以下幾種可能性：

1）口部前處理時(shí)所留的余量尺寸過長。

2）凸模刃口間的間隙稍小或展直區(qū)的圓角半徑過小，在沒有切斷根部的情況下，展直區(qū)已將開始工作，從而導(dǎo)致毛刺的產(chǎn)生。

3）刃口側(cè)壁的圓角過小導(dǎo)致局部有撕裂的現(xiàn)象發(fā)生。

綜合以上考慮，為解決以上幾點(diǎn)問題，需要現(xiàn)場鉗工修模，將凸模刃口間的整體間距進(jìn)行手工修整，并將刃口的側(cè)壁修整成可變圓角 （由刃口的外側(cè)的點(diǎn)到根部，圓角半徑值由0逐漸變到2 mm）。

5.2.2 1.5 mm余量試驗(yàn)效果

將以對接口部外表面圓弧的切線為基準(zhǔn)，向外留有1.5 mm的余量尺寸的試驗(yàn)件用線切割處理好。將處理好的試驗(yàn)件在模具鉗工修整好的模具中成形。

通過對模具的修整和修改試驗(yàn)件的預(yù)留余量尺寸規(guī)格，可以看出對接口局部缺損的現(xiàn)象得到了明顯的改善。相對預(yù)留2.5 mm余量的成形件，根部撕裂現(xiàn)象有了明顯的改善，毛刺現(xiàn)象也有了不小的改善，見圖5。

圖5 余量為1.5 mm試驗(yàn)件成形后毛刺和撕裂效果圖

實(shí)際測量得到，測得展平后毛坯長度 （不計(jì)毛刺）為4.64 mm。根部突出角度不明顯，毛刺長度約為0.54 mm。與余量為2.5 mm的成形件有了很大的改善。雖然有所改善，但是在扣合時(shí)撕裂現(xiàn)象和毛刺共同作用下，使扣合不盡理想。

綜合來看，撕裂的現(xiàn)象和成形過程中產(chǎn)生毛刺的現(xiàn)象是不可避免的。在凸模向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖切刃口還沒有完全將預(yù)留料的根部切斷，展平區(qū)就開始工作了，這就產(chǎn)生了撕裂和毛刺的現(xiàn)象，由模具的結(jié)構(gòu)，凸凹模刃口的形式導(dǎo)致了這兩種現(xiàn)象只能盡量的削弱，而不能避免。在制件的處理上，可以將減弱畸變程度，減小毛刺尺寸，放到整形模具中進(jìn)行矯形。預(yù)計(jì)整體的成形效果會(huì)有所改善。

6 結(jié)論

在歧管殼體件對接口部缺損控制試驗(yàn)研究中，根據(jù)已有的條件和初步的模具模型，進(jìn)行工藝試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)不銹鋼排氣歧管的對接口部缺損狀況，確定了解決方案。在整體工藝流程上增加一道工藝，即在二次切邊后增加一道成形對接口的工序。

2）通過提供的基本模型，在模型上進(jìn)行關(guān)鍵尺寸的修改。將二次切邊模具的對接口部的凸模刃口尺寸減小至1.5 mm，凹模刃口尺寸進(jìn)行相應(yīng)的修改。

3）設(shè)計(jì)制造了歧管殼體件對接口部成形模具，在理論計(jì)算數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。通過進(jìn)一步修整調(diào)整模具的工藝參數(shù)，最終獲得了合格的不銹鋼歧管制件，滿足設(shè)計(jì)要求。

［1］王斌.JFE鋼公司生產(chǎn)的鐵素體不銹鋼及在汽車上的應(yīng)用［J］.世界金屬導(dǎo)報(bào)，2004（7）：15－18.

［2］胡世杰.沖裁模工作刃口尺寸計(jì)算中需注意的幾個(gè)問題［J］.模具制造，2001，6（3）：27－29.

［3］朱學(xué)誠.多功能復(fù)合模的設(shè)計(jì)［J］.鍛壓技術(shù)，1994，4（2）：54－56.

［4］劉曉冰.藥盒沖壓工藝分析及模具設(shè)計(jì)［J］.模具技術(shù)，2000，6（3）：43－46.

［5］閆長海，李鵬德，馬建.冷沖板類零件壓力機(jī)噸位的選擇［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2010，1（1）：93－94.