發動機排氣系統金屬波紋管構造及加工工藝自動化改進

李蜀予　張清林+黃建文　李發紅

摘要：隨著汽車產業的不斷發展，金屬波紋管的需求量越來越大，傳統加工制造工藝已開始制約波紋撓性節的生產效率。本文從實際應用考慮，改進了金屬波紋管傳統加工制造工藝，節省了人力，提高了金屬波紋管的生產效率與產品質量。

關鍵詞：發動機；排氣系統；波紋管；加工工藝

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

汽車是現代生活不可或缺的交通工具，隨著人們生活質量的逐步提高，對汽車產品舒適度的要求也日漸提升。汽車NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）是衡量汽車舒適度的一個重要指標，因此汽車發動機排氣消聲器的設計和研發受到汽車行業的廣泛重視。如何優化汽車消聲器的設計對于降低汽車噪聲具有重要的現實意義和應用價值，因此降低排氣的振動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，尤其是發動機后置的汽車排氣系統中，由于排氣管短、系統剛性大、來自發動機和車架兩種不同步的振動會使排氣管承受較大的交變應力，導致汽車排氣管經常出現早期斷裂。因此，可以在排氣系統中加裝一個柔性裝置——撓性節，用來解決以上問題 [2-3]。本文研究的目的是通過進行發動機排氣系統撓性節的加工制造工藝改進，提高撓性節的生產效率和產品質量，最終制造出生產效率高、使用壽命長的波紋管，同時提高波紋管的裝配精度和可靠性能。

一、金屬波紋管的結構及其在排氣系統中的作用

汽車排氣系統金屬波紋撓性節也稱為金屬波紋管，是汽車排氣系統重要的連接組件，安裝于發動機排氣歧管與三元催化器之間[4]，可以吸收多方面的震動、降低噪音、補償安裝偏與熱脹冷縮、方便安裝和延長排氣消聲系統壽命的作用。波紋管結構尺寸如圖1所示，其中1是網套，2是波紋管，3是纏繞管。波紋管在汽車排氣系統中安裝部位如圖2所示。

金屬波紋撓性節的結構是由雙層波紋管外覆一層鋼絲網套，兩端口再外套卡環構成的，管體呈波紋狀，兩端管徑與發動機配用的排氣管相等，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構，內層、中層是兩層重疊的用不銹鋼薄板制成的波數為7～19的波紋管體，通過找相位使內外兩層的焊縫錯位180°左右，外層是不銹鋼編織的絲網外罩，用卡環與管體兩端固定使其緊貼波紋管體。為使消聲效果更佳，波紋管內部可配伸縮節或網套，增加纏繞管和網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在惡劣路況下的使用壽命[5]。波紋管主要材質采用不銹鋼SUS 201、304、321、409L等，卡套和接管材質可選用鍍鋁鋼。波紋管主要用于微型車、小轎車和大客車發動機的排氣系統中。

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

二、金屬波紋管傳統加工制造工藝及特點

金屬波紋管的生產工藝其實比較簡單，生產效率也不是很低，但隨著汽車產業的不斷發展，金屬波紋管的需求量越來越大，傳統加工制造工藝已開始制約波紋管的生產效率。傳統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，要改進金屬波紋管的加工工藝，對原材料進行嚴格的處理是關鍵。

第一步先進行不銹鋼的熱處理，波紋管熱處理的目的是在波紋管制造工藝過程中，改變金屬的組織結構，消除加工硬化，同時強化材料，降低硬度和強度，獲得塑性與彈性。波紋管熱處理內在質量要求是熱處理后獲得一定的組織狀態、晶粒度和力學性能。第二步是表面處理，除油、疏松動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，波紋管在制作過程中，由于彈性回縮使波紋管的波距、波形與設計要求存在差異，需要進行整形。主要的方法是將波紋管裝入時效夾具中進行時效，穩定波紋管的波形，達到整形效果。第四步是穩定處理工藝，波紋管在加工過程中，組織內會產生相應的內應力，彈性和幾何尺寸變得不穩定。在使用過程中動載荷的作用對波紋管的影響也是很大的，因此還要避免實際使用過程中因為外部的激振力頻率與波紋管的固有頻率一致而產生的共振，從而導致波紋管損壞 [6]。波紋管的穩定處理目的就在于消除內應力，穩定幾何尺寸與結構，從根本上消除發動機和車架產生的頻率與波紋管的固有頻率發生共振現象。

波紋管原材料經過熱處理、表面處理、整形工藝、穩定處理工藝后，再經過卷管→焊管→截斷→倒角→找相位→套管→成型（波紋成型機）→去水（烘干機）→波距調整→滾切余量→套網套→套圈→剪斷網套→檢測（拉應力、壓應力、尺寸）→包裝一系列制造工藝，就完成了金屬波紋管整個加工過程。

以江蘇某金屬波紋管生產廠家為例，波紋管的加工制造是通過機器制作原材料，人工進行組裝來完成的。單條生產線具體人員配備如下：上料1人、外管擴口1人、套管1人、成型機上料人員1人、烘干1人、雙斷單1人、切兩端余料1人、套網斷網2人、網圈定位1人、連網滾切余料1人、壓網1人、裝配纏繞管1人、扣壓1人、檢測1人，共需15人。以8小時工作制來算，生產效率為800～850件/天，換算成單人生產效率就是53.3～56.7件/天/人，單個波紋管生產需要時間為33.9～36秒。

三、金屬波紋管加工制造工藝的改進方案

為了提高生產效率，節省人力，在原有工藝線上增加自動化機械設備，包括擴口套管專機、套網斷網專機、檢測專機、波紋成型機械手、滾切余料機械手、網圈定位機械手、長度調整機械手等設備。工藝步驟為：內管焊管→斷料→外管焊管→斷料→擴口、相位、套管、擴口（新加設備）→成型機（自動上下料機械手→烘干（留擴展接口）→滾切兩端余料→調整波距→套網斷網上圈→網圈定位→連網滾切余料→壓網→纏繞管裝配定位→扣壓（內漲外扣）→切割纏繞管余料→雙頭回脹→檢測→包裝。

與傳統波紋管的工藝線相比，改進方案最主要是采用自動連線技術：第一部分是套管專機套管擴口。擴口完成后由皮帶輸送機送到成型機料倉，成型機料倉滿后，放入周轉料倉，周轉箱滿后推到成型機上料位置，由機械手從料倉抓料送入成型機成型，成型后再由機器人將成型好的工件拿下放入料倉，機器人由兩個手爪，分別抓成型前和成型后的工件。第二部分是人工從料倉中取料，放入自動線料倉，料倉容量50個，料倉工件釋放裝置將工件依次放入輸送帶，再由機械手將工件從輸送帶取下依次放入各設備，完成后再取回輸送帶送入下一個工位，每臺設備各配備一個機械手，最后經過檢測后放入下料箱，不合格工件分別放入廢料倉?，F在單條生產線人員配置：上下料2人、烘干1人、生產線維護人員2人，共需5人。還以8小時工作制來算，生產效率為960～1000件/天，換算成單人生產效率就是192～200件/天/人，單個波紋管生產需要時間為28.8～30秒。

四、結論

1.金屬波紋管位于發動機排氣歧管與三元催化器之間，主要作用是吸收發動機與車架產生的震動、降低發動機的噪音、補償排氣管安裝的偏差與熱脹冷縮、達到安裝方便和延長發動機排氣系統壽命的作用?？梢哉f金屬波紋管是發動機排氣系統中最理想的柔性補償零件。

2.波紋管成型技術采用液壓成型，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，增強了耐高溫和耐腐蝕的能力，最大程度保證排氣系統整體壽命設計需求。

3.經過自動化改造后的波紋管生產線，單件的生產時間可以縮短3.9～7.2秒，單條生產線生產效率可以提高17.6%左右。從經濟效益來計算，單條生產線每班人力可以節省10人，如果按照三班計算可以節省30人，按照每人每年八萬的工資福利來算，每年可以節約240 萬元的人工成本。

參考文獻：

[1]賀強，黃家城，李文勇.汽車排氣系統波紋管性能試驗分析與改進設計[J].裝備制造技術，2015（14）：13-15.

[2]鄭鄖，寧健.汽車排氣系統用金屬波紋管的開發[J].噪聲與振動控制，1995（02）：35-36.

[3]陸宏偉，季振林，孟瑞雪.柴油機排氣系統振動特性數值仿真與分析[J].噪聲與振動控制，2012（C3）：41-44.

[4]董善燕，王家華.隨排放升級排氣系統的材料發展趨勢[J].汽車實用技術，2013（11）：79-82.

[5]馬晗森.汽車排氣系統波紋管剛度和阻尼的測量分析[J].汽車實用技術，2013（12）：20-25.

[6]熊永華，杜發榮，鐘玉平.金屬波紋管的動態特性分析與振動試驗研究[J].中國機械工程，2008（10）：104-107.