發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)金屬波紋管構(gòu)造及加工工藝自動(dòng)化改進(jìn)

李蜀予　張清林+黃建文　李發(fā)紅

摘要：隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，金屬波紋管的需求量越來(lái)越大，傳統(tǒng)加工制造工藝已開(kāi)始制約波紋撓性節(jié)的生產(chǎn)效率。本文從實(shí)際應(yīng)用考慮，改進(jìn)了金屬波紋管傳統(tǒng)加工制造工藝，節(jié)省了人力，提高了金屬波紋管的生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：發(fā)動(dòng)機(jī)；排氣系統(tǒng)；波紋管；加工工藝

中圖分類號(hào)：U464.134.4 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2016）030-000-02

汽車是現(xiàn)代生活不可或缺的交通工具，隨著人們生活質(zhì)量的逐步提高，對(duì)汽車產(chǎn)品舒適度的要求也日漸提升。汽車NVH（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）是衡量汽車舒適度的一個(gè)重要指標(biāo)，因此汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器的設(shè)計(jì)和研發(fā)受到汽車行業(yè)的廣泛重視。如何優(yōu)化汽車消聲器的設(shè)計(jì)對(duì)于降低汽車噪聲具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值，因此降低排氣的振動(dòng)和再生輻射噪聲已逐漸引起了人們的重視[1]。但是在汽車中，尤其是發(fā)動(dòng)機(jī)后置的汽車排氣系統(tǒng)中，由于排氣管短、系統(tǒng)剛性大、來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)和車架兩種不同步的振動(dòng)會(huì)使排氣管承受較大的交變應(yīng)力，導(dǎo)致汽車排氣管經(jīng)常出現(xiàn)早期斷裂。因此，可以在排氣系統(tǒng)中加裝一個(gè)柔性裝置——撓性節(jié)，用來(lái)解決以上問(wèn)題 [2-3]。本文研究的目的是通過(guò)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)撓性節(jié)的加工制造工藝改進(jìn)，提高撓性節(jié)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，最終制造出生產(chǎn)效率高、使用壽命長(zhǎng)的波紋管，同時(shí)提高波紋管的裝配精度和可靠性能。

一、金屬波紋管的結(jié)構(gòu)及其在排氣系統(tǒng)中的作用

汽車排氣系統(tǒng)金屬波紋撓性節(jié)也稱為金屬波紋管，是汽車排氣系統(tǒng)重要的連接組件，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管與三元催化器之間[4]，可以吸收多方面的震動(dòng)、降低噪音、補(bǔ)償安裝偏與熱脹冷縮、方便安裝和延長(zhǎng)排氣消聲系統(tǒng)壽命的作用。波紋管結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，其中1是網(wǎng)套，2是波紋管，3是纏繞管。波紋管在汽車排氣系統(tǒng)中安裝部位如圖2所示。

金屬波紋撓性節(jié)的結(jié)構(gòu)是由雙層波紋管外覆一層鋼絲網(wǎng)套，兩端口再外套卡環(huán)構(gòu)成的，管體呈波紋狀，兩端管徑與發(fā)動(dòng)機(jī)配用的排氣管相等，并分別與排氣管前、中段焊接相連，其特征是管體為三層狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)層、中層是兩層重疊的用不銹鋼薄板制成的波數(shù)為7～19的波紋管體，通過(guò)找相位使內(nèi)外兩層的焊縫錯(cuò)位180°左右，外層是不銹鋼編織的絲網(wǎng)外罩，用卡環(huán)與管體兩端固定使其緊貼波紋管體。為使消聲效果更佳，波紋管內(nèi)部可配伸縮節(jié)或網(wǎng)套，增加纏繞管和網(wǎng)套減小了波紋管軸徑向的最大位移，可以提高波紋管和汽車排氣系統(tǒng)在惡劣路況下的使用壽命[5]。波紋管主要材質(zhì)采用不銹鋼SUS 201、304、321、409L等，卡套和接管材質(zhì)可選用鍍鋁鋼。波紋管主要用于微型車、小轎車和大客車發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)中。

金屬波紋管將車架與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的不同頻率的振動(dòng)呈撓性聯(lián)接在一起，提高排氣系統(tǒng)的耐久力及改善了汽車的NVH，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)產(chǎn)生的能量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音，提高了乘車的舒適度。同時(shí)完全切斷廢氣的泄漏，最小化環(huán)境污染，可以吸收由于廢氣的排氣系統(tǒng)熱造成的管路膨脹，可以較大程度降低排氣系統(tǒng)各零件在制造過(guò)程產(chǎn)生的誤差，保障了排氣歧管的壽命。金屬波紋管在汽車行駛中急出發(fā)、急停止指令后或者在險(xiǎn)峻的道路條件下，起到緩沖作用，能夠防止構(gòu)成排氣系統(tǒng)的各種配件及焊接部位等的破損。

二、金屬波紋管傳統(tǒng)加工制造工藝及特點(diǎn)

金屬波紋管的生產(chǎn)工藝其實(shí)比較簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率也不是很低，但隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，金屬波紋管的需求量越來(lái)越大，傳統(tǒng)加工制造工藝已開(kāi)始制約波紋管的生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)工藝所用的原材料不銹鋼的性能影響到金屬波紋管的使用壽命，要改進(jìn)金屬波紋管的加工工藝，對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格的處理是關(guān)鍵。

第一步先進(jìn)行不銹鋼的熱處理，波紋管熱處理的目的是在波紋管制造工藝過(guò)程中，改變金屬的組織結(jié)構(gòu)，消除加工硬化，同時(shí)強(qiáng)化材料，降低硬度和強(qiáng)度，獲得塑性與彈性。波紋管熱處理內(nèi)在質(zhì)量要求是熱處理后獲得一定的組織狀態(tài)、晶粒度和力學(xué)性能。第二步是表面處理，除油、疏松動(dòng)氧化皮和酸洗等工藝降低熱處理后的表面氧化程度。第三步是整形工藝，波紋管在制作過(guò)程中，由于彈性回縮使波紋管的波距、波形與設(shè)計(jì)要求存在差異，需要進(jìn)行整形。主要的方法是將波紋管裝入時(shí)效夾具中進(jìn)行時(shí)效，穩(wěn)定波紋管的波形，達(dá)到整形效果。第四步是穩(wěn)定處理工藝，波紋管在加工過(guò)程中，組織內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的內(nèi)應(yīng)力，彈性和幾何尺寸變得不穩(wěn)定。在使用過(guò)程中動(dòng)載荷的作用對(duì)波紋管的影響也是很大的，因此還要避免實(shí)際使用過(guò)程中因?yàn)橥獠康募ふ窳︻l率與波紋管的固有頻率一致而產(chǎn)生的共振，從而導(dǎo)致波紋管損壞 [6]。波紋管的穩(wěn)定處理目的就在于消除內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定幾何尺寸與結(jié)構(gòu)，從根本上消除發(fā)動(dòng)機(jī)和車架產(chǎn)生的頻率與波紋管的固有頻率發(fā)生共振現(xiàn)象。

波紋管原材料經(jīng)過(guò)熱處理、表面處理、整形工藝、穩(wěn)定處理工藝后，再經(jīng)過(guò)卷管→焊管→截?cái)唷菇恰蚁辔弧坠堋尚停úy成型機(jī)）→去水（烘干機(jī)）→波距調(diào)整→滾切余量→套網(wǎng)套→套圈→剪斷網(wǎng)套→檢測(cè)（拉應(yīng)力、壓應(yīng)力、尺寸）→包裝一系列制造工藝，就完成了金屬波紋管整個(gè)加工過(guò)程。

以江蘇某金屬波紋管生產(chǎn)廠家為例，波紋管的加工制造是通過(guò)機(jī)器制作原材料，人工進(jìn)行組裝來(lái)完成的。單條生產(chǎn)線具體人員配備如下：上料1人、外管擴(kuò)口1人、套管1人、成型機(jī)上料人員1人、烘干1人、雙斷單1人、切兩端余料1人、套網(wǎng)斷網(wǎng)2人、網(wǎng)圈定位1人、連網(wǎng)滾切余料1人、壓網(wǎng)1人、裝配纏繞管1人、扣壓1人、檢測(cè)1人，共需15人。以8小時(shí)工作制來(lái)算，生產(chǎn)效率為800～850件/天，換算成單人生產(chǎn)效率就是53.3～56.7件/天/人，單個(gè)波紋管生產(chǎn)需要時(shí)間為33.9～36秒。

三、金屬波紋管加工制造工藝的改進(jìn)方案

為了提高生產(chǎn)效率，節(jié)省人力，在原有工藝線上增加自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，包括擴(kuò)口套管專機(jī)、套網(wǎng)斷網(wǎng)專機(jī)、檢測(cè)專機(jī)、波紋成型機(jī)械手、滾切余料機(jī)械手、網(wǎng)圈定位機(jī)械手、長(zhǎng)度調(diào)整機(jī)械手等設(shè)備。工藝步驟為：內(nèi)管焊管→斷料→外管焊管→斷料→擴(kuò)口、相位、套管、擴(kuò)口（新加設(shè)備）→成型機(jī)（自動(dòng)上下料機(jī)械手→烘干（留擴(kuò)展接口）→滾切兩端余料→調(diào)整波距→套網(wǎng)斷網(wǎng)上圈→網(wǎng)圈定位→連網(wǎng)滾切余料→壓網(wǎng)→纏繞管裝配定位→扣壓（內(nèi)漲外扣）→切割纏繞管余料→雙頭回脹→檢測(cè)→包裝。

與傳統(tǒng)波紋管的工藝線相比，改進(jìn)方案最主要是采用自動(dòng)連線技術(shù)：第一部分是套管專機(jī)套管擴(kuò)口。擴(kuò)口完成后由皮帶輸送機(jī)送到成型機(jī)料倉(cāng)，成型機(jī)料倉(cāng)滿后，放入周轉(zhuǎn)料倉(cāng)，周轉(zhuǎn)箱滿后推到成型機(jī)上料位置，由機(jī)械手從料倉(cāng)抓料送入成型機(jī)成型，成型后再由機(jī)器人將成型好的工件拿下放入料倉(cāng)，機(jī)器人由兩個(gè)手爪，分別抓成型前和成型后的工件。第二部分是人工從料倉(cāng)中取料，放入自動(dòng)線料倉(cāng)，料倉(cāng)容量50個(gè)，料倉(cāng)工件釋放裝置將工件依次放入輸送帶，再由機(jī)械手將工件從輸送帶取下依次放入各設(shè)備，完成后再取回輸送帶送入下一個(gè)工位，每臺(tái)設(shè)備各配備一個(gè)機(jī)械手，最后經(jīng)過(guò)檢測(cè)后放入下料箱，不合格工件分別放入廢料倉(cāng)?，F(xiàn)在單條生產(chǎn)線人員配置：上下料2人、烘干1人、生產(chǎn)線維護(hù)人員2人，共需5人。還以8小時(shí)工作制來(lái)算，生產(chǎn)效率為960～1000件/天，換算成單人生產(chǎn)效率就是192～200件/天/人，單個(gè)波紋管生產(chǎn)需要時(shí)間為28.8～30秒。

四、結(jié)論

1.金屬波紋管位于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管與三元催化器之間，主要作用是吸收發(fā)動(dòng)機(jī)與車架產(chǎn)生的震動(dòng)、降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音、補(bǔ)償排氣管安裝的偏差與熱脹冷縮、達(dá)到安裝方便和延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)壽命的作用。可以說(shuō)金屬波紋管是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中最理想的柔性補(bǔ)償零件。

2.波紋管成型技術(shù)采用液壓成型，很大程度提高了撓度，氣密性好，主要原材料為不銹鋼201、304、321、409L等，增強(qiáng)了耐高溫和耐腐蝕的能力，最大程度保證排氣系統(tǒng)整體壽命設(shè)計(jì)需求。

3.經(jīng)過(guò)自動(dòng)化改造后的波紋管生產(chǎn)線，單件的生產(chǎn)時(shí)間可以縮短3.9～7.2秒，單條生產(chǎn)線生產(chǎn)效率可以提高17.6%左右。從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)計(jì)算，單條生產(chǎn)線每班人力可以節(jié)省10人，如果按照三班計(jì)算可以節(jié)省30人，按照每人每年八萬(wàn)的工資福利來(lái)算，每年可以節(jié)約240 萬(wàn)元的人工成本。

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