迂回工藝在發動機管類零件試制驗證中的應用

劉俊鋒　周黎明　方林　王斌

摘 要：在產品研發鏈中試制驗證是承上啟下的重要一環，為后續試驗驗證提供實物產品的同時，可以快速校正設計方案。結合東風公司自主品牌發動機管類零件的開發和試制過程，系統地研究了發動機管類零件常用迂回工

藝。對今后新機型開發中管類零件試制工藝設計有一定的借鑒作用。關鍵詞：試制驗證；管類零件；迂回工藝；內高壓成形；快速成型；機械加工

發動機是汽車的心臟，發動機的性能和質量很大程度上直接影響整車性能和品質。隨著國家排放和油耗法規要求越來越嚴格，為了應對法規，開展小排量發動機研發工作越來越緊迫。發動機是集眾多精密部件于一體的關鍵動力總成，管類零件開發是發動機開發的重要組成部分，管類零件廣泛應用于發動機進排氣系統、燃油供給系統、冷卻系統、潤滑系統等。汽車市場競爭日趨激烈，發動機開發周期直接影響整車的開發周期，這樣就要求產品試制驗證工作必須在較短的周期內花費較低試制費用成本制造出具備代表性的實物樣件，對上游充分驗證產品設計，對下游支撐試驗驗證。

管類零件涉及常規制造工藝種類較多，比如彎管成型、注塑成型、冷鐓、焊接等。在短周期、低費用、代表性的要求下制造出滿足試制目的的實物樣件，很多時候在試制驗證階段采用迂回工藝方式制造驗證產品設計方案。迂回工藝種類較多，例如內高壓成形、快速成型技術、機械加工等，下面分別介紹幾種常用管件迂回工藝。

1 內高壓成形工藝

1.1 工藝原理

內高壓成形，即利用液體作為傳力介質，通過控制壓力和材料流動來實現成形中空零件的材料成形工藝方法。基本原理是通過內部加壓和軸向加力補料把管坯壓入到模具內腔使其成形為所設計的零件。部分零件的軸線為曲線，在成形前須把管坯預彎，然后放入模具中加壓成形 [1]。

1.2 工藝優點

內高壓成形以管料為加工對象，液體作為穿力介質，該工藝有如下幾個突出優點：

內高壓成形的零件質量相對傳統沖壓成型工藝較輕，且成型性好，不受傳統沖壓成形工藝性限制，產品設計可以更加靈活，工藝過程更簡單，幾乎接近凈成形，在汽車輕量化方面得到了比較廣泛的應用。通過合理的截面、壁厚設計，發動機管類零件較多能用標準管材，通過內高壓成形實現試制結構比較復雜的整體構件。一般情況下液壓成形只需一個與零件形狀吻合的凸模（或液壓成形沖頭），成形機上的橡膠隔膜充當凹模的作用，所以模具成本比傳統彎管成形模具少減少約 50%。與傳統多道工序彎管成形相比，液壓成形只需一步即可制取所需產品。

與普通彎管成型件、拼焊件相比，管材液壓成形的零件質量減輕，結構件一般可減重約 25%，并且減少了后續機加工和組焊等工作量，降低了產品的制造成本；還可以實現提高構件強度、剛度，由于焊點減少而提高疲勞強度，材料利用率約為 95% [4]。

1.3 典型應用

多應用于發動機冷卻系統鋼管零件、排氣歧管等空間形狀復雜，普通彎管成型難度較大且試制周期無法滿足項目開發需要（如下圖）。以管材為加工對象通過內高壓成形工藝，以成型模具的內腔表面作為產品外輪廓，以軸向進給補料方式增加變形量，制造排氣管、冷卻鋼管等異型管件 [3]。

2 快速成型技術

快速成型技術和傳統采用去除材料方式制作產品的方法不同，通過積累材料的方式制作零件模型，大致工藝過程可分為預處理、疊層制作和后處理等三個工序。

依據快速成型來制造原型樣模，然后采用復制方式（如噴涂、復合材料澆注等）快速制造模具的凸模、凹模等主要工作部件，再利用模具生產出試制樣品的方法?？焖倌＞叩闹圃熘芷诩s為傳統數控加工方法的 1/5︿ 1/10，而模具費用成本僅為傳統模具的 1/3﹀ 1/5[2]。

根據快速模具制作方式和零件成型工藝不同，以硅膠模為例介紹快速模具制造技術：

2.1 硅膠模

在快速成型樣模外以涂刷或灌注的方式制作硅膠型殼而成型的模具；產品成型工藝大都采用真空注射成型，即在真空條件下向模具型腔內注射液體材料，固化后得到所需求的產品；產品成型材料大部分是樹脂 [2]。

硅膠模試制產品大致工藝流程如下：母型加工——預處理——確定分型面——構建框架——配制與澆注硅膠——固化——分?！獫沧㈩A處理——噴脫模劑——合?！嬃繕渲婵兆⑿汀銣毓袒筇幚怼獓娖?。

硅膠模現的運用已經很成熟，用于快速制造單件或少量塑料件，優點是模具成本與傳統注塑模具相對較低，制造工藝相比傳統注塑成型而言更簡單一些，另外硅膠模具有一定彈性，相對注塑模具更容易脫模。局限性主要是模具精度受原型影響比較大，且模具壽命較低一般為 15-30件，且保存期限較短（一般最長不超過 6個月）。

2.2 典型應用

進氣歧管是發動機進氣系統的主要零部件，由形狀較為復雜的空間曲面構成，產品性能對整機試驗和整車性能均有比較大的影響。在進氣歧管的試制驗證過程中，需要保證試制樣件和設計圖紙的符合性，以滿足整機及整車搭載試驗目的。通過硅膠模試制的樣件基本滿足進氣歧管設計方案驗證，在發動機臺架試驗過程中沒有發生泄漏、關鍵部位開裂等質量問題。

3 機械加工

機械加工工藝是利用機械力對各種工件進行加工的方法。機械加工的方法很多，常用的主要有 ：車、銑、刨、磨、鉆、鏜、數控、剪切、折彎等。

管類零件開發和試制驗證過程中，尺寸驗證是非常重要的一部分。以東風某機型管接頭零件為例，管口與缸體采用過盈配合方式實現裝配并保證密封性。管接頭的管口零件尺寸設計要求精度較高（公差要求為 +0.085～ +0.060㎜），為了快速驗證這種裝配方式能否保證冷卻液密封要求，管端及鼓包暫時不采用模具擠壓成型實現，而是采用在原管材（厚壁鋼管）基礎上車削、磨削等機械加工工藝來實現鼓包及設計要求管口尺寸值，試制費用成本比傳統模具降低約 70%，試制周期比傳統方式縮短約 60%。通過第一輪試制驗證，管接頭和缸體采取過盈配合方式，冷卻液未發生泄漏現象。

以厚壁毛坯管為原材，通過普通機加工方式制造產品，能夠在較短的試制周期內，用較低的試制費用成本，獲得符合設計要求的實物樣件，驗證產品方案通過后，再通過傳統模具加工制取零件，以便開展進一步可靠性、耐久性驗證。

4 結語

試制驗證過程中，采用迂回工藝試制的發動機管類零件基本可以滿足尺寸驗證、臺架試驗、搭載試驗等試制目的。迂回工藝相對傳統制造工藝，試制周期較短，試制費用成本較低，對降低產品開發風險有較大幫助，適合于發動機開發過程中管類零件的試制及小批量生產。

參考文獻：

[1]何曉燕，周林，錢紅 .淺談內高壓成形工藝與設備 .鍛壓裝備與制造技術 J.2006（6） .

[2]郭永生，周豐松，張軼斌 .快速成型和快速模具在發動機進氣管開發試制中的應用 .新技術新工藝J. 2010（4）.

[3]李洪洋，劉海軍，呂海源，謝望，陸懿琛 .管材內高壓成型國內研究進展及發展趨勢 .中國機械工程 .2016-12-30.

[4]袁華，孫友松，肖小亭 .汽車制造與塑性加工技術 .鍛壓裝備與制造技術 .2005-6-30.