迂回工艺在发动机管类零件试制验证中的应用

刘俊锋　周黎明　方林　王斌

摘 要：在产品研发链中试制验证是承上启下的重要一环，为后续试验验证提供实物产品的同时，可以快速校正设计方案。结合东风公司自主品牌发动机管类零件的开发和试制过程，系统地研究了发动机管类零件常用迂回工

艺。对今后新机型开发中管类零件试制工艺设计有一定的借鉴作用。关键词：试制验证；管类零件；迂回工艺；内高压成形；快速成型；机械加工

发动机是汽车的心脏，发动机的性能和质量很大程度上直接影响整车性能和品质。随着国家排放和油耗法规要求越来越严格，为了应对法规，开展小排量发动机研发工作越来越紧迫。发动机是集众多精密部件于一体的关键动力总成，管类零件开发是发动机开发的重要组成部分，管类零件广泛应用于发动机进排气系统、燃油供给系统、冷却系统、润滑系统等。汽车市场竞争日趋激烈，发动机开发周期直接影响整车的开发周期，这样就要求产品试制验证工作必须在较短的周期内花费较低试制费用成本制造出具备代表性的实物样件，对上游充分验证产品设计，对下游支撑试验验证。

管类零件涉及常规制造工艺种类较多，比如弯管成型、注塑成型、冷镦、焊接等。在短周期、低费用、代表性的要求下制造出满足试制目的的实物样件，很多时候在试制验证阶段采用迂回工艺方式制造验证产品设计方案。迂回工艺种类较多，例如内高压成形、快速成型技术、机械加工等，下面分别介绍几种常用管件迂回工艺。

1 内高压成形工艺

1.1 工艺原理

内高压成形，即利用液体作为传力介质，通过控制压力和材料流动来实现成形中空零件的材料成形工艺方法。基本原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具内腔使其成形为所设计的零件。部分零件的轴线为曲线，在成形前须把管坯预弯，然后放入模具中加压成形 [1]。

1.2 工艺优点

内高压成形以管料为加工对象，液体作为穿力介质，该工艺有如下几个突出优点：

内高压成形的零件质量相对传统冲压成型工艺较轻，且成型性好，不受传统冲压成形工艺性限制，产品设计可以更加灵活，工艺过程更简单，几乎接近净成形，在汽车轻量化方面得到了比较广泛的应用。通过合理的截面、壁厚设计，发动机管类零件较多能用标准管材，通过内高压成形实现试制结构比较复杂的整体构件。一般情况下液压成形只需一个与零件形状吻合的凸模（或液压成形冲头），成形机上的橡胶隔膜充当凹模的作用，所以模具成本比传统弯管成形模具少减少约 50%。与传统多道工序弯管成形相比，液压成形只需一步即可制取所需产品。

与普通弯管成型件、拼焊件相比，管材液压成形的零件质量减轻，结构件一般可减重约 25%，并且减少了后续机加工和组焊等工作量，降低了产品的制造成本；还可以实现提高構件强度、刚度，由于焊点减少而提高疲劳强度，材料利用率约为 95% [4]。

1.3 典型应用

多应用于发动机冷却系统钢管零件、排气歧管等空间形状复杂，普通弯管成型难度较大且试制周期无法满足项目开发需要（如下图）。以管材为加工对象通过内高压成形工艺，以成型模具的内腔表面作为产品外轮廓，以轴向进给补料方式增加变形量，制造排气管、冷却钢管等异型管件 [3]。

2 快速成型技术

快速成型技术和传统采用去除材料方式制作产品的方法不同，通过积累材料的方式制作零件模型，大致工艺过程可分为预处理、叠层制作和后处理等三个工序。

依据快速成型来制造原型样模，然后采用复制方式（如喷涂、复合材料浇注等）快速制造模具的凸模、凹模等主要工作部件，再利用模具生产出试制样品的方法。快速模具的制造周期约为传统数控加工方法的 1/5︿ 1/10，而模具费用成本仅为传统模具的 1/3﹀ 1/5[2]。

根据快速模具制作方式和零件成型工艺不同，以硅胶模为例介绍快速模具制造技术：

2.1 硅胶模

在快速成型样模外以涂刷或灌注的方式制作硅胶型壳而成型的模具；产品成型工艺大都采用真空注射成型，即在真空条件下向模具型腔内注射液体材料，固化后得到所需求的产品；产品成型材料大部分是树脂 [2]。

硅胶模试制产品大致工艺流程如下：母型加工——预处理——确定分型面——构建框架——配制与浇注硅胶——固化——分模——浇注预处理——喷脱模剂——合模——计量树脂——真空注型——恒温固化——后处理——喷漆。

硅胶模现的运用已经很成熟，用于快速制造单件或少量塑料件，优点是模具成本与传统注塑模具相对较低，制造工艺相比传统注塑成型而言更简单一些，另外硅胶模具有一定弹性，相对注塑模具更容易脱模。局限性主要是模具精度受原型影响比较大，且模具寿命较低一般为 15-30件，且保存期限较短（一般最长不超过 6个月）。

2.2 典型应用

进气歧管是发动机进气系统的主要零部件，由形状较为复杂的空间曲面构成，产品性能对整机试验和整车性能均有比较大的影响。在进气歧管的试制验证过程中，需要保证试制样件和设计图纸的符合性，以满足整机及整车搭载试验目的。通过硅胶模试制的样件基本满足进气歧管设计方案验证，在发动机台架试验过程中没有发生泄漏、关键部位开裂等质量问题。

3 机械加工

机械加工工艺是利用机械力对各种工件进行加工的方法。机械加工的方法很多，常用的主要有 ：车、铣、刨、磨、钻、镗、数控、剪切、折弯等。

管类零件开发和试制验证过程中，尺寸验证是非常重要的一部分。以东风某机型管接头零件为例，管口与缸体采用过盈配合方式实现装配并保证密封性。管接头的管口零件尺寸设计要求精度较高（公差要求为 +0.085～ +0.060㎜），为了快速验证这种装配方式能否保证冷却液密封要求，管端及鼓包暂时不采用模具挤压成型实现，而是采用在原管材（厚壁钢管）基础上车削、磨削等机械加工工艺来实现鼓包及设计要求管口尺寸值，试制费用成本比传统模具降低约 70%，试制周期比传统方式缩短约 60%。通过第一轮试制验证，管接头和缸体采取过盈配合方式，冷却液未发生泄漏现象。

以厚壁毛坯管为原材，通过普通机加工方式制造产品，能够在较短的试制周期内，用较低的试制费用成本，获得符合设计要求的实物样件，验证产品方案通过后，再通过传统模具加工制取零件，以便开展进一步可靠性、耐久性验证。

4 结语

试制验证过程中，采用迂回工艺试制的发动机管类零件基本可以满足尺寸验证、台架试验、搭载试验等试制目的。迂回工艺相对传统制造工艺，试制周期较短，试制费用成本较低，对降低产品开发风险有较大帮助，适合于发动机开发过程中管类零件的试制及小批量生产。

参考文献：

[1]何晓燕，周林，钱红 .浅谈内高压成形工艺与设备 .锻压装备与制造技术 J.2006（6） .

[2]郭永生，周丰松，张轶斌 .快速成型和快速模具在发动机进气管开发试制中的应用 .新技术新工艺J. 2010（4）.

[3]李洪洋，刘海军，吕海源，谢望，陆懿琛 .管材内高压成型国内研究进展及发展趋势 .中国机械工程 .2016-12-30.

[4]袁华，孙友松，肖小亭 .汽车制造与塑性加工技术 .锻压装备与制造技术 .2005-6-30.