金屬絲纏繞線隙式過濾器工藝研究

張立峰 ,解劍鋒 ,倪雪峰

1.洛陽(yáng)理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023;2.湖北航鵬化學(xué)動(dòng)力科技有限責(zé)任公司，湖北襄陽(yáng) 441003

0 引言

汽車安全氣囊主要由氣體發(fā)生器、CPU和氣袋組成。氣體發(fā)生器是安全氣囊的核心部件，由能快速引爆的點(diǎn)火管、產(chǎn)氣藥劑、過濾器、金屬外殼組成。

氣體發(fā)生器過濾器在安全氣囊中起重要作用，其主要功能是過濾燃爆釋放氣體的殘?jiān)?duì)高溫氣體進(jìn)行充分的冷卻，進(jìn)而防止固體殘?jiān)鼘?duì)氣袋的沖擊和氣體發(fā)生器內(nèi)膨脹氣體溫度過高發(fā)生燒袋。過濾器的種類比較多，主要有針織過濾壓縮網(wǎng)過濾器、編織網(wǎng)卷制過濾器、拉伸鋼板網(wǎng)卷制過濾器、金屬絲纏繞線隙式過濾器等[1]，其基本形式都是根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用不同的過濾材料加工成筒狀。每種過濾器都有其不同的結(jié)構(gòu)形式和使用范圍，其制作工藝也會(huì)有很大的不同。本文針對(duì)安全氣囊氣體發(fā)生器線隙式過濾器的制造工藝進(jìn)行研究，提出了可行的工藝解決方案，通過專機(jī)設(shè)計(jì)和一系列的試制試驗(yàn)，很好地解決了汽車安全氣囊氣體發(fā)生器線隙式過濾器的制造工藝技術(shù)問題。

1 汽車安全氣囊氣體發(fā)生器過濾器的類型

圖1為針織過濾壓縮網(wǎng)過濾器，其優(yōu)點(diǎn)是殘?jiān)^濾性能、氣體冷卻性能及阻火性能都很好。缺點(diǎn)是耐壓性能比較差，需要另外加裝加強(qiáng)套，制造工藝比較復(fù)雜。圖2為編織網(wǎng)卷制過濾器，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、無密度梯度，尤其是殘?jiān)^濾及阻火性能非常優(yōu)秀。缺點(diǎn)是納污量小、出氣量小、制造工藝復(fù)雜。圖3為拉伸鋼板網(wǎng)過濾器，其優(yōu)點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單、無廢料、成本低；徑向和軸向強(qiáng)度高、耐壓性能好；性能再現(xiàn)性好、不會(huì)出現(xiàn)層疊效應(yīng)。缺點(diǎn)是對(duì)制造設(shè)備要求高、過濾性能不太好，阻火性能差。圖4為金屬絲纏繞線隙式過濾器[2]，其優(yōu)點(diǎn)是徑向強(qiáng)度高、可對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)向、出氣量大、可加入陶瓷纖維濾紙。缺點(diǎn)是軸向強(qiáng)度低、裝配彈性度很低。

圖1 針織過濾壓縮網(wǎng)過濾器

圖2 編織網(wǎng)卷制過濾器

圖3 拉伸鋼板網(wǎng)過濾器

圖4 金屬絲纏繞線隙式過濾器

2 金屬絲纏繞線隙式過濾器的參數(shù)要求

金屬絲纏繞線隙式過濾器由于其強(qiáng)度高、耐壓能力強(qiáng)、出氣量大、反應(yīng)速度快、過濾器軸向密度梯度小、耐熱性能好、工作穩(wěn)定可靠，同時(shí)可對(duì)氣流進(jìn)行導(dǎo)向并進(jìn)行流量限制[3]。

線隙式過濾器的參數(shù)要求見表1。

表1 線隙式過濾器的參數(shù)要求

3 單絲纏繞成形技術(shù)及纏繞機(jī)設(shè)計(jì)

單絲纏繞成形技術(shù)是指采用單一絲徑的金屬扁絲在專用設(shè)備和工裝上按一定規(guī)律纏繞成形。所以纏繞機(jī)的設(shè)計(jì)制造及其精度就成為整個(gè)項(xiàng)目的研究核心。傳統(tǒng)的單絲纏繞線隙式過濾器主要用于石化行業(yè)，一般使用非金屬材料，由于非金屬材料相互之間摩擦力大、柔性好、不打結(jié)、定形溫度低、過濾精度要求低，并且沒有大批量規(guī)?；a(chǎn)要求，所以制造技術(shù)比較簡(jiǎn)單。而金屬單絲纏繞線隙式過濾器[4]在纏繞過程中需要解決由于其相互之間摩擦力小導(dǎo)致金屬絲之間的串動(dòng)、纏繞精度及密度梯度要求高，纏繞過程可能出現(xiàn)的金屬絲自身轉(zhuǎn)動(dòng)扭曲、打死結(jié)，以及產(chǎn)品最終的大批量規(guī)?；a(chǎn)問題。因此在纏繞技術(shù)及纏繞設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)同時(shí)要考慮軋絲、扁絲導(dǎo)向引導(dǎo)，預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)、纏繞機(jī)構(gòu)精度及自動(dòng)化回轉(zhuǎn)等滿足高精度、大批量規(guī)?；a(chǎn)的要求。綜合以上分析，最終采用PC控制專機(jī)設(shè)計(jì)制造，滿足了產(chǎn)品性能及生產(chǎn)效率要求。

3.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)繞制產(chǎn)品內(nèi)孔孔徑為φ30～60 mm，長(zhǎng)度不超過100 mm。

(2)繞制圈數(shù)及螺距由伺服電機(jī)控制。

(3)整機(jī)由機(jī)架、放絲桶、漲力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)線架、左自動(dòng)夾緊及繞線動(dòng)力頭、排線機(jī)構(gòu)、右退料機(jī)構(gòu)、飛剪機(jī)構(gòu)、可編程序電器控制系統(tǒng)等組成。

3.2 矩形截面纏繞角計(jì)算

單絲纏繞軌跡如圖5所示。

圖5 單絲纏繞軌跡

經(jīng)推導(dǎo)矩形截面纏繞角的計(jì)算公式[5]為：

(1)

式中：θc為矩形截面纏繞角；lc為纏繞螺距；tanα相為筒身“相當(dāng)圓”的纏繞角；a、b為矩形截面的邊長(zhǎng)。

矩形截面的筒身面展開如圖6所示。

圖6 矩形截面的筒身面展開

3.3 運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)

在鋼絲纏繞過程中，纏繞速度是影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要工藝參數(shù)。運(yùn)動(dòng)曲線是所有工藝參數(shù)的核心，主要有梯形、三角形和雙曲線三類。雙曲線運(yùn)動(dòng)曲線由于計(jì)算非常麻煩，不太適合工程應(yīng)用;梯形運(yùn)動(dòng)曲線比較適合工程應(yīng)用，其速度控制曲線如圖7所示。

圖7 梯形速度控制曲線

根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用，纏繞時(shí)纏繞加速度的計(jì)算公式為：

(2)

式中：N為主軸電機(jī)工作速度；T為主軸電機(jī)加速或減速的周數(shù)；ta為時(shí)間；acc為電機(jī)的加速度。

3.4 工作原理

原料放入儲(chǔ)絲桶，線頭經(jīng)由漲力器導(dǎo)輪穿過導(dǎo)線架上繞絲嘴，伸出位置至繞線芯軸夾線口，啟動(dòng)自動(dòng)按鈕，機(jī)床自動(dòng)按以下程序工作：芯軸伸出自動(dòng)夾緊線頭→繞絲機(jī)頭旋轉(zhuǎn)及排線機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)→達(dá)到設(shè)定匝數(shù)自動(dòng)停機(jī)→導(dǎo)絲嘴回到原點(diǎn)→飛剪刀切斷繞線→右退料機(jī)構(gòu)芯軸和擋料板縮回→繞好線圈落入箱內(nèi)→導(dǎo)線架下降→線頭送至芯軸夾線口。按以上動(dòng)作周而復(fù)始繞制每只線圈，一只線圈繞制結(jié)束后，采用冷焊機(jī)焊接后，飛剪刀切斷繞線。此設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)效率極高，特別適合大批量規(guī)?；a(chǎn)。

3.5 操作工藝規(guī)程

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)方案的要求，確定產(chǎn)品的規(guī)格：產(chǎn)品內(nèi)孔孔徑為φ30～60 mm，長(zhǎng)度35 mm，外徑為φ60 mm，金屬絲寬度為0.58 mm，螺距為16.25 mm。在成型的過程中統(tǒng)一繞制方向的金屬絲之間保持平行，將確定好的碳素鋼絲用夾盤夾在纏繞機(jī)設(shè)備的指定地點(diǎn)待用。

(2)確定芯軸尺寸：φ30～60±0.5 mm，與產(chǎn)品內(nèi)徑匹配確定。

(3)將低碳鋼絲線頭經(jīng)由漲力器導(dǎo)輪穿過導(dǎo)線架上繞絲嘴，伸出位置至繞線芯軸下端，開動(dòng)機(jī)器讓夾線模具頭自動(dòng)夾緊線頭，隨后讓導(dǎo)線架來回?cái)[動(dòng)及芯軸圓周轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行繞制，在端頭圓周纏繞一圈后重復(fù)螺旋纏繞。

(4)當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到尺寸要求后飛剪刀剪短繞線，然后去掉芯軸一端的擋盤將產(chǎn)品取下，并將最后的線頭插到絲團(tuán)內(nèi)部固定下來。

(5)做好本工序過程的檢驗(yàn)記錄，并將產(chǎn)品一起送入質(zhì)檢部門檢驗(yàn)，合格后進(jìn)入下一道工序。

該工藝裝備精度高、生產(chǎn)率高、能整體成型。同時(shí)該工藝裝備生產(chǎn)的線隙式過濾器無須特殊加工，耐壓性能好。

4 擴(kuò)散焊定形技術(shù)及設(shè)備設(shè)計(jì)

由于金屬絲纏繞線隙式過濾器焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)上焊接頭多、焊接面積大、窄間隙焊接可達(dá)性不好，接頭用其他方法難以實(shí)現(xiàn)焊接，只能用釬焊或者擴(kuò)散焊進(jìn)行焊接連接。釬焊工藝由于釬劑及釬料給料困難，同時(shí)釬焊接頭耐熱性差，難以承受氣體發(fā)生器內(nèi)1 000 ℃以上的使用環(huán)境，所以不適合用于焊接金屬絲纏繞線隙式過濾器。擴(kuò)散焊是一種新型的固體連接技術(shù)，其接頭質(zhì)量好，可以實(shí)現(xiàn)大面積復(fù)雜結(jié)構(gòu)多個(gè)焊接接頭工件的連接，所以擴(kuò)散焊是金屬絲纏繞線隙式過濾器焊接的唯一選擇。

為了防止金屬絲之間的錯(cuò)動(dòng)，保證纏繞精度，提高產(chǎn)品的強(qiáng)度及耐壓性能，纏繞成形后的過濾器必須進(jìn)行固態(tài)連接。根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀，選擇采用擴(kuò)散焊連接工藝。低碳鋼的擴(kuò)散焊溫度在1 250 ℃，擴(kuò)散焊工藝目前采用真空、惰性氣體或還原性氣氛保護(hù)幾種，在工作形式上采用固定爐或連續(xù)爐加熱擴(kuò)散焊兩種。由于產(chǎn)品主要配套的汽車產(chǎn)業(yè)屬于規(guī)?；a(chǎn)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量性能指標(biāo)及生產(chǎn)能力的前提條件下要考慮其經(jīng)濟(jì)性，最終選擇分解氨保護(hù)氣氛連續(xù)爐擴(kuò)散焊連接工藝。

本文的安全氣囊線隙式過濾器采用單一絲徑的金屬梯形絲在專門設(shè)計(jì)的設(shè)備和芯軸上按要求纏繞成形，再用分解氨保護(hù)氣氛連續(xù)爐擴(kuò)散焊接定型。金屬絲纏繞過濾器結(jié)構(gòu)是用金屬絲纏繞時(shí)相互交叉所形成的孔隙進(jìn)行過濾。由于整個(gè)結(jié)構(gòu)焊接點(diǎn)多，所以剛性極好且過濾器工作非常穩(wěn)定。

本文的技術(shù)方法和路線為：根據(jù)過濾技術(shù)要求選定單絲直徑→確定軋絲工藝方法→設(shè)計(jì)計(jì)算編繞(纏繞)參數(shù)和工藝裝備→編繞(纏繞)試驗(yàn)驗(yàn)證確定→真空擴(kuò)散焊技術(shù)工藝試驗(yàn)確定→壓力、過濾度、流量測(cè)試試驗(yàn)確認(rèn)。

5 過濾器的生產(chǎn)方法及工藝流程

原材料采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AISI1008(國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)08F)、1010(國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)10#) 優(yōu)質(zhì)低碳鋼無氧絲。低碳鋼無氧圓絲經(jīng)過軋制成一定規(guī)格的扁絲或其他形狀的截面絲，再經(jīng)專用設(shè)備按工藝參數(shù)纏繞成筒形體，經(jīng)真空擴(kuò)散焊定形，形成所需的過濾器。其工藝流程為：原材料進(jìn)廠→進(jìn)廠檢驗(yàn)→軋制→纏繞→清洗→擴(kuò)散焊→檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)→發(fā)貨。

6 試驗(yàn)結(jié)果與分析

6.1 線隙式過濾器產(chǎn)品

傳統(tǒng)過濾器一般采用絲徑為0.5 mm的不銹鋼絲，本文采用絲徑為0.8 mm的低碳鋼絲，原材料生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單且成本低，同時(shí)保證了過濾器的強(qiáng)度與剛性，如圖8所示。

圖8 線隙式過濾器產(chǎn)品及分解剖面

6.2 過濾性能測(cè)試

發(fā)生器工作時(shí)，其快速燃燒的藥劑會(huì)產(chǎn)生膨脹的氣體，過濾網(wǎng)必須能夠充分過濾掉氣流中的固體顆粒。發(fā)生器設(shè)計(jì)允許少量顆粒物從過濾網(wǎng)通過，但是飛出發(fā)生器外的顆粒物質(zhì)量必須小于1 g。經(jīng)測(cè)試產(chǎn)品的過濾精度不大于85 μm，不揮發(fā)殘留物(殘?jiān)?小于0.8 g。

6.3 線隙式過濾器壓力測(cè)試

線隙式過濾器壓力試驗(yàn)曲線(-40～85 ℃)如圖9所示。傳統(tǒng)過濾器采用細(xì)絲徑時(shí)最大耐壓為15 MPa，本項(xiàng)目產(chǎn)品采用粗絲徑最大耐壓不小于38 MPa，過濾器強(qiáng)度高，高壓氣體輸出時(shí)變形小，能夠提高過濾精度。

圖9 線隙式過濾器壓力試驗(yàn)曲線(-40～85 ℃)

由線隙式過濾器壓力試驗(yàn)曲線可以看到，產(chǎn)品的出氣量不小于80 L，且能夠在3～5 ms范圍內(nèi)使燃料燃燒產(chǎn)生的氣體充滿整個(gè)氣袋。由此可見，該產(chǎn)品能夠最大限度上保護(hù)乘客的人身安全。

6.4 線隙式過濾器輸出壓力測(cè)試

線隙式過濾器輸出壓力試驗(yàn)曲線(-40～85 ℃)如圖10所示。過濾器輸出壓力試驗(yàn)曲線在-40～85 ℃范圍內(nèi)一致性好，輸出壓力穩(wěn)定，好于試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)樣件，且在上限與下限范圍內(nèi)，保證了氣體及時(shí)穩(wěn)定輸出。

圖10 線隙式過濾器輸出壓力試驗(yàn)曲線(-40～85 ℃)

6.5 導(dǎo)熱性及熱儲(chǔ)性能

安全氣囊氣體發(fā)生器用過濾網(wǎng)的功能主要是過濾燃爆釋放氣體的殘?jiān)?，并?duì)高溫氣體進(jìn)行充分的冷卻，從而減少氣囊模塊展開時(shí)發(fā)生器內(nèi)膨脹氣體對(duì)氣袋的沖擊和灼傷。過濾網(wǎng)熱傳導(dǎo)系數(shù)和熱容對(duì)降低通過其內(nèi)部的氣體溫度也起著關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)過濾器導(dǎo)熱系數(shù)為16 W/mK，本項(xiàng)目產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)為45 W/mK，導(dǎo)熱系數(shù)高2.8倍，熱氣降溫快，擁有良好的熱儲(chǔ)能力，能更有效降低安全氣囊的溫度。經(jīng)測(cè)試本項(xiàng)目產(chǎn)品的排氣口溫度小于800 ℃。

7 結(jié)束語

線隙式過濾器經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)、測(cè)試試驗(yàn)、試用、撞車試驗(yàn)符合汽車安全氣囊氣體發(fā)生器過濾器的性能要求，與其他類型的過濾器相比，線隙式過濾器出氣量大(不小于80 L)，壓力穩(wěn)定，過濾器強(qiáng)度高，耐壓性能好；降溫性能良好，排氣口溫度不超過800 ℃；過濾性能良好，殘?jiān)占怀^0.8 g；成本低，價(jià)格只有原來金屬針織網(wǎng)的60%，金屬編織網(wǎng)的50%；產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠，該項(xiàng)目技術(shù)可以進(jìn)行規(guī)模化大批量生產(chǎn)。