【摘要】论述了安全气囊气体发生器壳体的基本结构形式及其不同的成形方法。提出了流动控制成形力的计算公式、控制腔位置的判断准则及其形状和尺寸的设计方法。通过试验表明，所开发的流动控制成形技术可节约原材料、提高工作效率及产品质量，具有显著的技术经济效益。
主题词：安全气囊；气体发生器；壳体；成形
1 气体发生器的工作原理及其关键零部件结构
轿车安全气囊系统的气体发生器主要有压缩气瓶式、烟火式和由两者组成的混合式3种类型。由于烟火式气体发生器结构简单、充气迅速（仅需34-50ms）、贮存时间长、无漏气现象、安全性好，因而成为目前的主要使用型式。
图1 为烟火式气体发生器的结构示意图。其工作原理为：当汽车发生碰撞时，点火具13 接到传感器输出的信号后迅速发生燃烧反应，从点火孔12喷出的火焰直接点燃燃烧室14中的气体发生剂。气体发生剂燃烧所产生的气体迅速从燃烧室的喷嘴11冲出，经过滤室中的筛网滤去燃烧产物中的固体残渣后，经气体发生器的出气孔1流向出气孔9后喷出，充满气囊。
1.出气孔1 2.筛网2 3.安全气袋 4.筛网3 5.筛网1 6.气体发生剂 7.壳体
8.过滤室2 9.出气孔2 10.过滤室1 11.喷嘴 12.点火孔 13.点火具 14.燃烧室
图1 烟火式气体发生器结构示意图
2 气体发生器壳体的结构型式及其制造方法
气体发生器壳体主要有薄板焊接结构（图1）和由螺纹连接的组合结构（图2）。
1.压盖 2.筒体 3.安全气袋
图2 壳体结构示意图
对于图2所示的气体发生器壳体，国内外均以LC4超硬铝合金或其他高强度铝合金为原材料，目前有以下3种成形制造方法：
a. 采用压铸工艺生产壳体零件毛坯，然后通过机械加工制成零件。此方法的废品率高，产品质量难以满足现代轿车安全气囊的要求。
b. 采用实心棒通过切削加工方法生产。该方法制造的壳体耐压程度比压铸件的高，可以满足安全气囊的使用标准，但材料利用率低（在10%以下），生产效率低。
c. 采用流动控制成形（Flow Control Forming，简称FCF技术生产压盖和筒体的高精密毛坯，然后通过机械加工制成零件。流动控制成形技术特别适合于铝、镁等轻合金复杂零件的近/净成形。采用该项技术生产的壳体零件其材料利用率约为上述第2种方法的5倍，耐压程度和生产效率均高于前2 种方法。
3 流动控制成形（FCF）技术及应用
3.1 FCF 技术的特点
a.可以精确控制金属材料的非均匀塑性流动，提高其成形性能，实现复杂结构件的精密成形。
b. 可以有效避免折叠、充不满等缺陷的产生，使制件金属流线连续致密，提高产品的机械性能。
c. 可以使制件表面更加光洁，尺寸精度更高，公差可达到IT8-9级。
基于FCF技术特点，采用FCF技术对轿车安全气囊壳体的高强度铝合金压盖和筒体进行精密成形，得到了金属最后充满位置的判据和模具上控制腔形状及尺寸的设计与计算方法。
3.2 成形力的计算模型及公式
采用塑性成形理论和有限元仿真模拟分析了金属流动成形过程及规律，提出了以闭式反挤压变形为特征的流动控制成形力的计算模型并推导出力的计算公式。文献［1］提出，对于回转体锻件闭式模锻，所有复杂锻件的轴向截面均可分解为若干简单矩形单元，其变形区模型相当于各简单矩形截面区模型的组合。所以，只利用简单矩形截面的变形区模型计算出回转体闭式镦粗和反挤的变形力，然后将其叠加即可计算出任意复杂锻件闭式模锻的变形力。
选择闭式反挤成形方案来分析，根据上述理论所建立的压盖成形力的计算模型如图3所示。
1、2、3杯筒单元 4环形单元
图3 闭式挤压力的计算模型
由图3可以得出，总成形力P为杯筒单元1、2、3和环形单元4的单位反挤压力p1、p2、p3、p4分别乘以所作用面积之和。即：
采用主应力法并依据参考文献［1］、［2］可以导
出单元体在流动控制成形时的单位压力计算公式：
式中，σs为材料的流动应力；r为环形单元4外圆上、下端面的圆角半径；μ为摩擦因数。
3.3 纵向圆筒控制腔的设计
3.3.1 控制腔位置的设计
若将控制腔设置在模具所有圆筒形模膛中最后充满的模膛的端部，首先必须判断出哪个模膛（模膛厚度不同、高度不同）最后充满。
根据塑性成形最小流动阻力定律和试验观测，应当由模膛对变形金属产生的流动阻力的大小来判断。为此，可通过圆筒形模膛的高宽比%来判断，即
k = h/t (6)
式中，h为模膛高度，t为模膛宽度（图4）。
图4 反向挤压模具示意图
对于压盖锻件，首先分别计算内、中、外筒的h1/t1、h2/t2、h3/t3，得到k1、k2、k3的数值，然后根据数值的大小做出判断。显然，k值最大的圆筒形模膛端部才是模锻时最后充满的部位。因为在所有圆筒形模膛尺寸精度，尤其是模膛表面粗糙度一致的条件下，越是窄而深的模膛其流动阻力越大，无论是冷态挤压模锻还是热态挤压模锻均是如此。
3.3.2 控制腔高度尺寸（hi）的确定
当圆筒形模膛中最后充满的模膛被确定后，若其外径为di，则相应的控制腔的内径为di-2ti。因此尺寸hi即可根据控制腔的体积约等于坯料上多余金属体积（vk）的2倍来确定，有：
4 工艺试验与效果
设计制造了2套可分凹模模具，安装在Y28-400/400型数控双动挤压机上进行试验。图5为分别采用LY12、LC4材料试制成功的轿车安全气囊压盖和筒体的精密模锻件。
图5 压盖与筒体精密模锻件照片
以压盖为例，当其采用LC4超硬铝棒通过机加工生产时，单件用料为1.2kg，材料利用率10%。而采用流动控制成形精密模锻生产时，零件质量仅为0.104kg，其材料利用率相对于机加工提高了5倍以上。
5 结束语
a 对气体发生器壳体的基本结构型式及相应的制造方法进行了分析比较，可供开发或生产单位选择时参考。
b 基于流动控制成形理论，分析了流动控制成形的关键技术，提出了反挤压成形力的计算模型，导出了计算公式。设计出合理的流动控制成形工艺方案和可分凹模模具F在双动或单动液压机上实现安全气囊铝合金压盖及筒体等零件的闭式精密挤压模锻是切实可行的。
c 采用流动控制成形技术，一是可节约原材料，二是减少了机加工工作量，提高了工作效率，三是提高了产品质量。
参考文献
1 林治平 锻压变形力的工程计算 北京： 机械工业出版社 1986
2 夏巨谌等 闭式模锻 北京：机械工业出版社 1993(end)
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