CN105556087B - 集成有催化剂壳体的排气歧管及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成有催化剂壳体的排气歧管(歧管转化器)，包括排气歧管部段和催化剂壳体部段。催化剂壳体部段包括保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将壳体主体与排气歧管部段相互连接的锥形部、以及连接至壳体主体的下游侧的出口侧壳。排气歧管部段和催化剂壳体部段通过对特制坯件进行压制成型而形成，其中特制坯件通过焊接材料种类不同和/或厚度不同的至少两个金属坯件而获得。另外，排气歧管部段和催化剂壳体部段的锥形部由同一金属坯件形成。该集成有催化剂壳体的排气歧管和制造该集成有催化剂壳体的排气歧管的方法能够减少部件等的数量，由此能够节省制造成本。

Description

集成有催化剂壳体的排气歧管及其制造方法
技术领域
(相关申请的交叉引用)
本申请基于2013年9月18日提交的日本专利申请No.2013-192682要求享有优先权，该日本专利申请的全部公开内容通过参引并入本文。
本发明涉及用于车辆发动机的集成有催化剂壳体的排气歧管及其制造方法。
背景技术
集成有催化剂壳体的排气歧管(也称为歧管转化器)是用于车辆的发动机的其中一个排气部件，其具有用于收集来自发动机的气缸的排气的排气歧管(也缩写为“ekimani”)、以及与排气歧管直接连通的催化转化器。例如，专利文献1(日本专利未审特开No.2000-204945A)的图8示出了排气系统的结构；在该排气系统中，催化剂壳体布置在用于V型多缸发动机的排气歧管的紧下游。专利文献1详细地公开了排气歧管的结构，但没有公开催化剂壳体的结构。例如，如本公开的图15中示出的，常规的歧管转化器由下述一些部件组成：排气歧管壳91、壳体主体96、锥形部(入口侧壳)97以及出口侧壳98。排气歧管过去惯于被提供为一体式铸造产品。近来，为了满足对轻量化的一般要求，通过金属压制而制造出的排气歧管变得普及，从而现今主要使用的是下述类型的排气歧管，其中：通过压制而形成的两个半壳(91A、91B)被焊接在一起以形成歧管壳91的整个外壳。这同样适用于布置在壳体主体96的下游侧的外侧壳98，从而可以看到两个压制的半壳(98A、98B)被焊接在一起以形成外侧壳98的整个壳这样的设计。应当指出的是，大致筒状的壳体主体96可以通过钢板的滚轧加工而形成，大致锥形部97可以通过金属筒状件的压制而形成。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利未审特开No.2000-204945A
发明内容
技术问题
本公开提出了以下分析。
在示出为图15中的示例的常规的歧管转化器中，使用了多达六个组成部件，即，形成排气歧管的两个半壳91A、91B；锥形部97；壳体主体96；以及形成出口侧壳的半壳98A、98B。由于组成部件的数量较多，因此用于相互连接的焊接点(焊缝)的数量以及焊接长度必然会增加。另外，还需要例如用于提供相邻的部件之间的焊缝的搭接公差的操作。在这些情况下，根据制造歧管转化器的常规方法，操作步骤的数量增加，从而难以降低制造成本。
此外，为了满足现在变得更加严格的针对排气的规定，并且为了满足日益增加的对降低燃料成本的需求，在排气系统的最上游侧中流动的、特别是在歧管转化器的情况下在排气歧管和锥状(锥形)部中流动的排气的温度不可避免地被设定得较高。这种高温设定会导致歧管转化器部件的表面温度升高。因此，迫切需要使用具有优异的高温强度的SUS(不锈钢)。然而，通常而言，由高温强度优异的SUS制成的板(或片材)难以成型。因此，为了使用由SUS制成的这种(难以成型的)板作为形状复杂的歧管转化器部件的坯件，本领域中需要确立一种新的成型技术。
本公开的目的在于提供这样的一种集成有催化剂壳体的排气歧管(歧管转化器)，该集成有催化剂壳体的排气歧管能够减少其部件以及其部件之间的焊接点的数量，由此能够节省制造成本。本公开的另一目的在于提供这样的一种制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，该方法能够通过使用高温性能优异但难以成型的铁基材料而减少排气歧管的部件的数量。
问题的解决方案
本公开的第一方面涉及集成有催化剂壳体的排气歧管。该集成有催化剂壳体的排气歧管包括排气歧管部段和催化剂壳体部段。催化剂壳体部段具有保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将壳体主体与排气歧管部段相互连接的锥形(锥状)部、以及连接至壳体主体的下游侧的出口侧壳。
排气歧管部段和催化剂壳体部段通过特制坯件的压制成型而形成，所述特制坯件通过焊接材料种类不同和/或厚度不同的至少两个金属坯件而形成。排气歧管部段和催化剂壳体部段的锥形部由同一金属坯件形成。
更优选地，在上述集成有催化剂壳体的排气歧管中，催化剂壳体部段的壳体主体和出口侧壳由与形成排气歧管部段和锥形部的金属坯件不同的至少一个金属坯件形成。
根据第一方面，排气歧管部段和催化剂壳体部段源自于特制坯件，并且排气歧管部段和催化剂壳体部段通过特制坯件的压制成型而被一体地预先成型。因此，能够减少所需组装的部件的数量。另一方面，由于部件数量的减少，组装时所需的焊接点(焊缝)的数量会减少，同时总焊接长度也会减小，从而制造成本可以降低。此外，排气歧管部段和催化剂壳体部段的(处于最上游区域的)锥形部由金属坯件中形成特制坯件的一个金属坯件形成，即，由同一金属坯件形成。因此，耐热性等优良的昂贵的金属坯件被指定作为所述同一金属坯件，以满足高水平的性能需求。另一方面，布置在催化剂壳体部段的中游区域中的壳体主体和布置在催化剂壳体部段的下游区域中的催化剂壳体部段的出口侧壳由与形成排气歧管部段和催化剂壳体部段的锥形部的金属坯件不同的至少一个其它金属坯件形成。因此，耐热性等不太优良的相对便宜的金属坯件被指定作为这样的金属坯件，以满足节省成本的需求。
本公开的第二方面涉及制造集成有催化剂壳体的排气歧管(本公开的第一方面)的方法。即，该方法用于制造这样的集成有催化剂壳体的排气歧管，该集成有催化剂壳体的排气歧管包括排气歧管部段和催化剂壳体部段；催化剂壳体部段具有保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将壳体主体与排气歧管部段相互连接的锥形部、以及连接至壳体主体的下游侧的出口侧壳。
该方法包括：
A)特制坯件制备步骤：将通过焊接至少两个金属坯件而形成的特制坯件制备为如下金属板：所述金属板呈预压平板形状并且形成与完成的集成有催化剂壳体的排气歧管的一半形状对应的半壳，其中所述至少两个金属坯件由材料种类不同和/或厚度不同的铁基金属制成；
B)整体加热步骤：将特制坯件整体加热至700摄氏度至950摄氏度的高温范围；
C)局部冷却步骤：使冷却块与已经加热的特制坯件上包括设计成通过压制而形成锥形部的部分在内的至少一个局部部分接触，以使所述至少一个局部部分和所述至少一个局部部分的相邻区域冷却至100摄氏度至600摄氏度的低温范围；
D)压制成型步骤：在局部冷却之后对特制坯件进行压制成型，以产生与集成有催化剂壳体的排气歧管的半壳对应的三维形状；以及
E)焊接步骤：使两个通过步骤A至步骤D形成的半壳对接，并且在这两个半壳的对接部分处焊接这两个半壳以完成集成有催化剂壳体的排气歧管的整体形状。
在第二方面中，由铁基材料制成的特制坯件是压制产品(合起来对应于完整的集成有催化剂壳体的排气歧管产品的两个半壳中的一个半壳)的前体。在特制坯件中，在压制成型之后，形成锥形部(即，金属坯件的一部分)和锥形部的相邻部的至少一个被冷却部(即，冷却块接触部)的温度被设定至(100摄氏度至600摄氏度的)低温范围，而其余部分的温度被设定至(700摄氏度至950摄氏度的)高温范围。特制坯件在所谓的整体加热/局部冷却的这种情况下被压制成型。这是因为下述原因：一个压制成型产品(一个半壳)中混合有不同的部分，即，在较高温度范围中通过压制难以产生裂纹或类似缺陷的一个部分、以及在较低温度范围中难以产生裂纹或类似缺陷的另一部分。更具体地，因此，其余部分或由于未与冷却块接触而未被局部冷却的部分由于高温加热而具有优良的伸长率属性，即使特制坯件被压制成型为具有相对复杂的形状也能如此。相比之下，在由于与冷却块接触而被局部冷却的被冷却部上，由于以下原因而容易导致裂纹或类似缺陷：如果构成特制坯件的铁基材料具有非常优良的伸长率，那么拉应力会导致局部颈缩，从而导致过度变薄，由此容易出现裂纹或类似缺陷。根据本公开，能够通过局部(部分)冷却来抑制铁基金属的特定部分的伸长，同时能够保持该部分的高的屈服强度。因此，拉应力几乎不会被均匀地传递至局部冷却部和局部冷却部的相邻部分，因此，在这些部分中几乎不会产生由于拉应力而造成的局部颈缩。因此，根据本公开，即使在通过对铁基金属进行压制成型而制造形成集成有催化剂壳体的排气歧管的半壳的情况下，通过(适于每个部分的)精确的温度控制，能够通过压制成型安全可靠地形成形状相对较复杂的半壳。因此，根据该方法，通过使用高温强度优良但难以成型的铁基材料，能够由数量相对较少的部件制造出集成有催化剂壳体的排气歧管。另一方面，由于能够减少部件的数量，因此能够减少焊接步骤即最后的组装阶段中焊接点的数量，同时能够减小总焊接长度。
应当指出的是，在部分(或局部)冷却过程中，一对冷却块更优选地与已经加热的特制坯件的被冷却部的前后两个表面接触，即，所述被冷却部被夹在两个冷却块之间。这是因为通过冷却块与已经加热的特制坯件的前后两侧接触，已经加热的特制坯件的冷却块接触部(待被冷却部)及冷却块接触部的相邻区域能够在短时间内无温度差异地冷却至100摄氏度至600摄氏度的较低的温度。
优选地，冷却块由铜形成。在冷却块由铜形成的情况下，不仅可以改进冷却块的冷却(除热)性能，而且可以在冷却块与被加热的特制坯件接触时将冷却块从特制坯件释放(拆下)而不会(由于熔化)而粘附于特制坯件。
在本公开的更优选的示例性实施方式中，在局部冷却步骤中，特制坯件上的与冷却块接触的至少一个局部部分包括：
适于在压制成型之后形成锥形部的部位(C1)；以及下述部位中的至少一个部位：
适于在所述压制成型之后形成分叉部的部位(C2)，所述分叉部用于将设置在所述排气歧管部段中的两个相邻的管状分支部的根部处的侧壁部段相互连接；
适于在压制成型之后形成位于布置在排气歧管部段的侧向最外侧处的管状分支部的根部与管状分支部汇集在一起的汇集部之间的连接部分的部位(C3)；以及
适于在压制成型之后在出口侧壳上形成位于管状的EGR分支部的根部与壳体主体之间的连接部分的部位(C 4)。
在集成有催化剂壳体的排气歧管(或其半壳)中，上述部位C1至C4是在较高温度情况下可能产生裂纹或类似缺陷的典型的部位，因为铁基金属(或通常金属坯件)在这种情况下会过度伸长；由此，在压制成型中，拉应力会造成局部颈缩和过度变薄。
在本公开的更优选的形式中，形成特制坯件的铁基材料是具有特殊属性的金属坯件，即：即使从700摄氏度至950摄氏度的(第一)高温范围快速地冷却至100摄氏度至600摄氏度的(第二)低温范围也不会被淬火硬化。基于这种特殊属性，可以在整体加热和局部(部分)冷却之后对特制坯件进行压制成型而不会有任何麻烦。
在第三方面中，提供了制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，该集成有催化剂壳体的排气歧管包括排气歧管部段和催化剂壳体部段；催化剂壳体部段具有保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将壳体主体与排气歧管部段相互连接的锥形部、以及连接至壳体主体的下游侧的出口侧壳。该方法包括下述步骤，
A)特制坯件制备步骤：将通过焊接至少两个金属坯件而形成的特制坯件制备为如下金属板：所述金属板呈预压平板形状并且形成与完成的集成有催化剂壳体的排气歧管的一半形状对应的半壳，其中所述至少两个金属坯件的材料种类不同和/或厚度不同；
B)整体加热步骤：将特制坯件整体加热至允许在后续的压制成型步骤中当快速冷却时进行淬火的第一高温范围；
C)局部冷却步骤：使冷却块与已经加热的特制坯件上的包括设计成通过压制而形成锥形部的部分在内的至少一个局部部分接触，以使所述至少一个局部部分和所述至少一个局部部分的相邻区域冷却至比第一高温范围显著地低的第二低温范围，使得在经历压制成型步骤时导致淬火；
D)压制成型步骤：在局部冷却之后对特制坯件进行压制成型，以产生与集成有催化剂壳体的排气歧管的半壳对应的三维形状；以及
E)焊接步骤：使两个通过步骤A至步骤D形成的半壳对接，并且在这两个半壳的对接部分处焊接这两个半壳以完成集成有催化剂壳体的排气歧管的整体形状。
发明的有益效果
与常规的排气歧管的部件的数量相比，在根据本公开的集成有催化剂壳体的排气歧管的情况下，能够减少部件的数量，同时能够减少焊接点等的数量，由此能够节省制造成本。
在根据本公开的制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法的情况下，通过使用高温属性优良但难以成型的特定的(例如，铁基)材料，能够制造出由较少数量的部件形成的集成有催化剂壳体的排气歧管。
附图说明
[图1]图1是示出在本公开的示例性实施方式1中使用的特制坯件的平面图。
[图2]图2(A)和图2(B)示出了在示例性实施方式1中使用的部分冷却装置，其中，图2(A)是在将特制坯件放置在该装置上之前该装置的立体图，图2(B)是在将该特制坯件放置在该装置上之后该装置的立体图。
[图3]图3是示出根据示例性实施方式1的被整体加热和部分冷却的特制坯件的温度分布的平面图。
[图4]图4是示意性地示出通过压制成型而形成的半壳中的一个半壳的立体图。
[图5]图5是示出连接在一起的两个半壳的立体图。
[图6]图6是示出所用的不锈钢的伸长率对温度的属性的曲线图。
[图7]图7是示出所用的不锈钢的0.2％屈服强度对温度的属性的曲线图。
[图8]图8(A)和图8(B)是示出在局部部分上出现裂纹等的参考情况的立体图。
[图9]图9是示出在本公开的示例性实施方式2中使用的特制坯件的平面图。
[图10]图10是示出与被加热的特制坯件接触的冷却块的示意性侧视图。
[图11]图11是示出示例性实施方式2中的被整体加热和部分冷却的特制坯件的温度分布的示意性平面图。
[图12]图12是示出通过压制成型而形成的半壳中的一个半壳的示意性立体图。
[图13]图13(A)、图13(B)和图13(C)是局部剖视立体图，用于图示在两个半壳连接在一起、同时催化剂载体被保持之前的步骤。
[图14]图14是示出连接在一起的两个半壳的立体图。
[图15]图15是示出常规的歧管转化器的示意性分解立体图。
具体实施方式
现将参照附图对本公开的一些优选示例性实施方式进行说明。可以看到，图1至图8总体上针对于示例性实施方式1，而图9至图14总体上针对于示例性实施方式2。
<示例性实施方式1>
图5示出了根据示例性实施方式1的集成有催化剂壳体的排气歧管(歧管转化器)的完整形式。参照图5，歧管转化器由布置在排气系统的上游侧的排气歧管部段1和布置在排气系统的下游的催化剂壳体部段5形成。排气歧管部段1与催化剂壳体部段5彼此串联连接。排气歧管部段1包括四个分支管2和与所述四个分支管2连通的汇集管3，其中，来自四缸发动机的气缸(未示出)的排气被引入所述四个分支管2中。汇集管3中通常设置有呈通孔形状的氧传感器装配部4。催化剂壳体部段5设置有：用于保持催化剂载体CAT的大致筒状的壳体主体6、使壳体主体6与排气歧管部段1的汇集管3连通的锥形部7(入口侧壳)以及连接至壳体主体6的下游侧的出口侧壳8。
为了如图5所示地组装歧管转化器，将两个半壳10(上半壳10A和下半壳10B)彼此连接在一起。两个半壳中的每一者呈完整歧管转化器的形状的半分割形状。更具体地，两个特制坯件——作为原始工件——被压制成型以形成两个壳10A、10B，然后这两个壳10A、10B被焊接在一起以使歧管转化器完整。图4图示了示出歧管转化器的两个半壳中的一个半壳即上半壳10A的示意图。尽管参照图4所进行的以下说明针对的是上半壳10A，但应当理解的是，该说明也适用于下半壳10B。
上半壳10A——其为压制成型产品——包括从汇集部13分支的四个管状(隧道状)分支部12。这四个管状分支部12和汇集部13形成上半壳的排气歧管形成部分(12、13)。每个管状分支部12具有大致半圆弧形横截面。当所述两个半壳即上半壳10A与下半壳10B连接在一起时，分支部12形成分支管的一部分，来自四缸发动机的气缸的排气被引入该部分中。在汇集部13处(或者通过汇集部13)，四个分支部12的四个端部(基侧端)汇集(汇合)成一体。当上半壳10A与下半壳10B连接在一起时，汇集部13形成汇集管3的一部分。在汇集管3中，来自四个发动机气缸的所有的排气汇合成一体。半壳10A具有三个分叉部14，这三个分叉部14中的每个分叉部形成为将布置在两个相邻的管状分支部12的根端处的侧壁部段桥接起来。换句话说，分叉部14是将相邻的侧壁相互连接的所谓的“弯曲互连轮廓部”(见图8(B))。
上半壳10A——作为压制成型产品——包括：与汇集部13邻接的第一半锥形部17、与半锥形部17邻接的半筒状部16、以及与半筒状部16的尾端邻接的第二半锥形部18。这三个部段一起组成该半壳的催化剂壳体形成部段(16、17、18)。第一半锥形部17是当上半壳10A与下半壳10B合在一起时形成锥形部7的部位(锥形部形成部)。半筒状部16是当上半壳10A与下半壳10B合在一起时形成壳体主体6的部位(壳体主体形成部)。第二半锥形部18是当上半壳10A与下半壳10B合在一起时形成出口侧壳8的部位。应当指出的是，第二半锥形部18上设置有管状(隧道状)EGR(排气再循环)分支部19。该管状EGR分支部19是当上半壳10A与下半壳10B合在一起时形成用于联接至EGR管(未示出)的呈短管形式的连通EGR口9的部位(见图5)。
可以通过特制坯件制备步骤、整体加热步骤、部分(局部)冷却步骤和压制成型步骤来制造图4(和图5)中示出的用于歧管转化器的半壳10A、10B。应当指出的是，以下说明是就上半壳10A而进行的。
<特制坯件制备步骤>
特制坯件被制备为在压制成型之前成形为呈半壳的平面形式的铁基金属片(组件)。具体地，如图1中示出的，制备出第一铁基金属坯件(第一金属片构件)31和第二铁基金属坯件(第二金属片构件)32，其中第一铁基金属坯件在压制成型之前成型为上半壳10A的呈平面状的大约一半的形状，第二铁基金属坯件在压制成型之前成型为上半壳10A的呈平面状的大约其余一半的形状。第一金属坯件31和第二金属坯件32在连接部分34处连接在一起(或搭接)并且被焊接、优选地被激光焊接以将金属坯件31、32相互连接，从而形成特制坯件30。应当指出的是，在该示例性实施方式中，2.0mm厚的SUS444不锈钢片材用作第一铁基金属坯件31，而1.5mm厚的SUS429不锈钢片材用作第二铁基金属坯件32。
应当指出的是，SUS444和SUS429在JIS(日本工业标准)G4305(冷轧不锈钢板、冷轧不锈钢片材和冷轧不锈钢带材)中被归在“铁素体不锈钢”下。下面的表1示出了这些不锈钢产品中除铁之外的元素的组分(％表示按重量计的百分数)：
表1
图6和图7描绘了示出SUS444和SUS429材料的特性的曲线图。具体地，图6示出了随温度的变化的伸长率特性(％)，而图7示出了随温度的变化的0.2％屈服强度(N/mm2)。这些特性是根据JIS-G0567(用于钢和耐热合金的高温拉伸测试方法)和JIS-Z2241(室温下的金属材料拉伸试验测试方法，为JIS-G0567中提到的标准)测得的。特别地，图6的“伸长率”是根据JIS-Z22413.3栏和3.4栏中的说明而测得的。“屈服强度”是根据JIS-Z2241中的3.10.3栏中阐述的屈服强度(偏移方法)而测得的。图7中的“0.2％屈服强度”指的是当塑性伸长率变得等于规定百分比值(称为标距长度)——在本例中为0.2％——时的应力。应当指出的是，在该示例性实施方式中使用SUS444的情况下，200摄氏度下的伸长率为29％，200摄氏度下的0.2％屈服强度为277N/mm2；800摄氏度下的伸长率为80％，800摄氏度下的0.2％屈服强度为53N/mm2；在该示例性实施方式中使用SUS429的情况下，200摄氏度下的伸长率为30％，200摄氏度下的0.2％屈服强度为200N/mm2；800摄氏度下的伸长率为80％，800摄氏度下的0.2％屈服强度为25N/mm2。
应当指出的是，本公开中使用的铁基金属是不可淬火(不可硬化)金属；就此而言，即使在所述金属在整体加热过程之后通过部分冷却过程而快速冷却的情况下，如随后说明的，坯件的快速冷却的部分也不会被淬火硬化。因此，在不锈钢种类中，铁素体不锈钢作为特制坯件30的组成金属是最优选的。
<整体加热过程>
然后，由不锈钢形成的特制坯件30被装入到加热装置中，比如电加热炉或气体加热炉中，并且整体上被加热至700摄氏度至950摄氏度、优选地为750摄氏度至900摄氏度并且更优选地为750摄氏度至850摄氏度的高温。在该示例性实施方式中，特制坯件30整体上被加热直到其表面温度约为800摄氏度。应当指出的是，如果整体加热过程中的加热温度低于700摄氏度，那么不锈钢的伸长率不能够被提高至显著水平，在这种情况下，会失去加热的意义。相反地，如果加热温度超过950摄氏度，那么特制坯件30将变得过度软化，从而在压制成型期间不期望地收缩。
<部分(局部)冷却过程>
然后，从加热装置中取出的特制坯件30的一些部分被冷却。具体地，如随后所说明的，使被加热的坯件30的一个或多个局部部分即图3中的部位C1至C4与冷却块接触，由此，坯件的与冷却块接触的部分以及这些部分的相邻部分被冷却至100摄氏度至600摄氏度、优选地为100摄氏度至500摄氏度、更优选地为100摄氏度至400摄氏度并且最优选地为100摄氏度至300摄氏度的低温。在该示例性实施方式中，坯件的与冷却块接触的部分被冷却至大约200摄氏度。应当指出的是，如果在部分冷却过程期间冷却温度约为100摄氏度至600摄氏度，那么金属的屈服强度能够保持在较高的水平，同时金属的伸长被抑制，从而能够在压制成型期间防止根部开裂(见图8(A))或者分叉部14处开裂(见图8(B))。可以看到，如果坯件的局部部位被冷却至低于100摄氏度的温度，那么坯件的不期望被冷却的其它部分将会随之被冷却，而这不是所期望的。另一方面，坯件的局部部位仅被冷却至不高于600摄氏度的范围，这是因为如果坯件被冷却至高于600摄氏度的温度，那么将会变得难以产生与在介于700摄氏度与950摄氏度之间的高温范围内加热的坯件在金属属性方面的差异。
在该示例性实施方式中，特制坯件30通过使用图2(A)中示出的部分冷却装置40被部分地冷却。参照图2(A)，部分冷却装置40包括固定板41和可动板42，其中，固定板41作为固定不动的基块，可动板42附接至固定板41以通过由成对的左右铰链组成的铰链结构43相对于固定板41旋转。固定板41的上表面上的预定位置处固定地安装有多个——本文中为六个——冷却块(44a、45a、46a、47a)。同样，可动板42的下表面上的预定位置处固定地安装有相同数量——本文中为六个——的冷却块(44b、45b、46b、47b)。固定板41的六个冷却块(44a、45a、46a、47a)相对于可动板42的六个冷却块(44b、45b、46b、47b)为一对一的配合关系，从而当使可动板42接近固定板41时，相互配合的上冷却块和下冷却块将面向彼此。
图2(A)中示出的总共12个冷却块可以根据冷却的对象或位置被分成四组(第一组至第四组)。第一组由形成一对冷却块的上长形冷却块44a和下长形冷却块44b组成，第二组由形成三对冷却块的三个上冷却块45a和三个下冷却块45b组成，因而总共为六个冷却块。第三组包括上冷却块46a和下冷却块46b，上冷却块46a和下冷却块46b形成与长形冷却块44a、44b相邻的另一对冷却块并且具有椭圆形端面。第四组包括上冷却块47a和下冷却块47b，上冷却块47a和下冷却块47b形成又一对冷却块并且具有圆形端面。
优选地，冷却块(44a、44b至47a、47b)由金属或陶瓷形成，特别地由铜形成。在该示例性实施方式中，所有的冷却块都由铜形成。在冷却块由铜形成的情况下，不仅可以改进冷却块的冷却性能，而且可以防止与加热的坯件30接触的冷却块粘附至特制坯件30或者熔合至特制坯件30。在固定板41的冷却块(44a至47a)的情况下，冷却块(44a至47a)的上端面与特制坯件30接触，而在可动板42的冷却块(44b至47b)的情况下，冷却块(44b至47b)的下端面与特制坯件30接触。可以根据各个接触表面的形状设定和/或面积设定来调节待被部分冷却的部位的形状和/或面积。还可以根据冷却块的高度(厚度)设定来调节冷却块的热容量(并因此调节冷却性能)。
固定板41上直立地安装有至少两个定位销48。这两个定位销48被接合在起初在特制坯件30中开设的至少两个配合定位开口35(见图1)中，用于将特制坯件30相对于固定板41和冷却块(44a至47a)组进行定位。
在通过使用部分冷却装置40而部分地冷却特制坯件30时，如图2(B)中示出的，通过整体加热过程被加热至高温的特制坯件30被放置在固定板41的冷却块(44a至47a)上。可动板42快速地转动以接近固定板41，从而将特制坯件30夹在固定板41的冷却块(44a至47a)组与可动板42的冷却块(44b至47b)组之间。即，特制坯件30被冷却块从上方以及从下方接触。在经过与冷却块接触的部分从约800摄氏度冷却至约200摄氏度所需的时间(例如，3秒至5秒)之后，可动板42被快速地移除离开固定板41，并且这时已被部分地冷却的特制坯件30从部分冷却装置40被转送至未示出的压制装置。
图3示出了在特制坯件30刚从部分冷却装置40中移除之后即紧接着部分冷却之后，特制坯件30的表面温度状态。具体地，图3用斑点(点状)图案示出了坯件的与冷却块直接接触的部位以及温度较低的相邻区域，即，相对较低温度的部位(C1至C4)。特制坯件30中的空白(白色)区域表示温度仍然较高的部位。在图3中，第一低温部位C1源自与长形冷却块44a、44b的直接接触，并且第一低温部位C1用于由于后续的压制成型而随后形成第一半锥形部17(锥形部形成部)。应当指出的是，长形冷却块44a、44b在沿着特制坯件30的连接部分34的位置处与第一金属坯件31接触。
第二相对较低温度部位C2——有三个这样的部位——源自与三对冷却块45a、45b的接触，并且第二相对较低温度部位C2用于通过后续的压制成型而形成分叉部14，其中分叉部14用于将位于相应的两个相邻的管状分支部12的根部部分处的侧壁部段相互连接。
第三相对较低温度部位C3源自与具有椭圆形端面形状的冷却块46a、46b的接触。部位C3用于通过后续的压制成型而形成位于排气歧管形成部分的侧向最外侧处的管状分支部12的根部与形成四个管状分支部12的会聚部分的汇集部13之间的连接区域。
第四相对较低温度部位C4源自与具有圆形端面形状的冷却块47a、47b的接触，并且第四相对较低温度部位C4用于通过后续的压制成型而形成管状的EGR分支部19的根部与半筒状部16(壳体主体形成部段)之间的连接区域。
<压制成型过程>
然后，通过使用由固定模具和可动模具组成的成型模具组(未示出)对在整体加热之后又受到部分冷却的特制坯件30进行常规的压制成型。这产生由四个管状分支部12、汇集部13、第一半锥形部17、半筒状部16、第二半锥形部段18和管状的EGR分支部19组成的三维形式，并且因此产生歧管转化器的上半壳10A。该示例性实施方式的压制成型产品在包括分叉部14在内的任何部位都不会出现裂纹等，从而可以产生不管形状的复杂程度如何，尺寸精度都最优的产品。
<参考情况>
下面简要地描述如果不进行上述部分冷却过程并且在整体加热之后立即对特制坯件30进行压制成型以产生半壳将遇到的不便。在这种情况下，在半壳的半锥形部17中的周向方向上、特别是在半锥形部17的靠近汇集部13的部分中可能会产生裂纹。此外，如图8(B)中示出的，在将设置在任意给定的两个相邻的管状分支部12的根部处的侧壁部段相互连接的分叉部14中容易产生裂纹。如图8(A)中示出的，四个管状分支部12中的最外侧一个管状分支部的根部与汇集部13之间的连接区域中也容易产生这样的裂纹，或者在管状的EGR分支部19的根部与壳体主体形成部16之间的连接区域中容易产生这样的裂纹。这些部位的形状复杂，此外，这些部位以较大程度的弯曲度(或屈曲度)弯曲。因此，如果当这些部位保持被加热至高温时这些部位被压制成型，那么这些部位的厚度将过度减小，并且因此容易造成裂纹。
<催化剂载体保持和焊接过程>
当通过上述步骤制备上半壳10A和下半壳10B时，如图5中示出的，呈大致柱状形式的催化剂载体CAT被放置在两个半壳10A、10B的半筒状部16的中空的内部中，并且两个半壳10A、10B彼此组合(组装)在一起。这时，通过使用夹紧夹具(未示出)而从两个半壳10A、10B的半筒状部16的外侧压缩催化剂载体CAT，由此使半筒状部16的内周面与催化剂载体CAT的外周面紧密接触。当保持紧密接触状态时，两个半壳10A、10B在对接线L上(优选地整周)被熔接，由此完成歧管转化器的整体形状。
<示例性实施方式1的有益效果>
根据该示例性实施方式，可以通过对先受到整体加热/部分冷却处理的特制坯件30进行压制成型而获得没有裂纹或类似缺陷的半壳10A、10B，由此完成歧管转化器。因而，与过去相比，在该示例性实施方式的情况下，部件的数量或原料的成本会较少，因而提高了材料的成品率。另外，加工步骤数会减少，同时焊接长度会较短，因而能够降低制造成本。此外，在常规过程中，催化剂载体CAT必须从筒状壳体主体96(见图15)的一端朝向筒状壳体主体96的另一端被轴向地压配到筒状壳体主体96中，因而需要很多步骤。相比之下，在该示例性实施方式中，能够在将上半壳10A与下半壳10B组装成彼此接触并且将它们连接在一起的操作的同时将催化剂载体CAT放置在两个半壳10A、10B的半筒状部16内。即，能够在整周焊接两个半壳的同时完成将两个半壳相互连接以及将催化剂载体CAT保持/紧固就位的操作。因此，在该示例性实施方式的情况下，能够降低制造成本。
在该示例性实施方式中，特制坯件30被整体加热，在此之后，该坯件的一部分通过进行部分(局部)冷却而被冷却。然而，部分冷却只是对特制坯件30的必要的最小区域进行的，并且随后主要对通过加热而基本上改善了伸长性能的金属坯件进行压制。因此，与使用简单的冷压制成型的情况相比，所获得的成型的产品受到的回弹量较小，并且尺寸精度较高。
<示例性实施方式2>
图9至图14示出了根据本公开的示例性实施方式2。参照图14，示例性实施方式2的歧管转化器的特征在于排气歧管部段1形成为单个管而不是如示例性实施方式1中那样具有多个分支管2和汇集管3。排气歧管部段1由单个管形成而不具有多个气缸管部2和汇集管3的这种歧管转化器应用于下述新型发动机，其中：用于收集来自各个气缸的排气的排气汇集部与发动机侧一体地形成。应当指出的是，实施方式2的歧管转化器的催化剂壳体部段5与示例性实施方式1基本相同。以下说明着重于与示例性实施方式1的不同之处，其示意性地说明了示例性实施方式2。
图14的歧管转化器也是由两个半壳50(上半壳50A和下半壳50B)组成的，所述两个半壳502为对应于将完整的形式竖向地(即，沿着纵向分割线)分成两部分的形式。图12示出了上半壳50A。在该半壳中，随后将形成排气歧管部段1的部位(排气歧管形成部段)由横截面相对于半弧形截面形状略微变平的管状(隧道状)汇集部53形成。管状汇集部53的近端连接至第一半锥形部17。如示例性实施方式1中那样，半壳包括第一半锥形部17、连接至第一半锥形部17的半筒状部16、以及连接至半筒状部16的尾端的第二半锥形部18。这三个部段一起组成半壳的催化剂壳体形成部段(16、17、18)。第二半锥形部18中设置有管状的EGR分支部19。
图9示出了如在示例性实施方式2中使用的特制坯件30，特制坯件30在半壳被压制成型之前呈平面形式。图9的特制坯件30由第一铁基金属坯件31、第二铁基金属坯件32和第三铁基金属坯件33形成，其中，第一铁基金属坯件31是厚度为2.0mm的SUS444不锈钢片，第二铁基金属坯件32是厚度为1.5mm的SUS429不锈钢片，第三铁基金属坯件33是厚度为1.0mm的SUS429不锈钢片。这三个金属坯件沿着相应的连接部分34被焊接在一起，优选地被激光焊接在一起。
特制坯件30然后被装入到加热装置中，例如电炉或气体加热炉中，并且特制坯件30整体上被加热至约800摄氏度的表面温度。被加热的坯件30被从加热装置中取出，并且通过对特制坯件30的局部部位进行局部冷却，被加热的坯件30被部分冷却。具体地，如图10中示出的，被加热的特制坯件30的一个或多个局部部位被冷却块(61a、61b、62a、62b)从上面和下面接触，使得特制坯件30的与冷却块接触的部位以及相邻的区域被冷却至约200摄氏度。
图11示出了紧接着部分冷却之后特制坯件30的表面温度状态。图11用点状图案示出了特制坯件30的与冷却块直接接触的部位以及温度相对较低的相邻部位，即相对较低温度部位C1和C4。特制坯件30中的空白(白色)区域表示温度仍然较高的部位。在图11中，第一低温部位C1源自与长形的成对的上冷却块61a和下冷却块61b的直接接触，并且第一低温部位C1用于由于后续压制成型而随后形成第一半锥形部17(锥形形成部分)。另一低温部位C4源自与成对的上冷却块62a和下冷却块62b的接触。该低温部位C4用于随后通过压制成型而形成管状的EGR分支部19的根部与半筒状部16(壳体主体形成部分)之间的连接区域。
在整体加热和部分冷却结束之后，特制坯件30通过使用由固定模具和可动模具组成的成型模具组(未示出)而被压制成型。因此，如图12中示出的那样，形成包括管状汇集部53、第一半锥形部17、半筒状部16、第二半锥形部段18和用于EGR的管状分支部分19的上壳50A。应当指出的是，在该示例性实施方式中，管状汇集部53和第一半锥形部17由第一金属坯件31形成，而半筒状部16由第二金属坯件32形成。第二半锥形部18和管状的EGR分支部19由第三金属坯件33形成。半壳50A的任何部分中看不到裂纹或类似缺陷，从而不管形状的复杂程度如何，所获得的产品都高度满足极佳的尺寸精度。
图13(A)至图13(C)示出了保持催化剂载体CAT和通过焊接而将两个半壳50A、50B相互连接的步骤的顺序。应当指出的是，在图13(A)至图13(C)中，为了便于看到催化剂载体CAT的布置状态，半壳50A、50B在截面图中示出为从图中去掉了下游侧半部(具体地，半筒状部16的后半部和半锥形部18、EGR分支部19)。即，两个半壳50A、50B示出为好像它们被分开了。类似地，仅示出了催化剂载体CAT的上游侧半部。
当上半壳50A和下半壳50B已经制备好时(见图13(A))，呈大致柱状形式的催化剂载体CAT被放置在半壳50A、50B的大致半筒状部16的内部中(见图13(B))。半壳50A、50B然后围绕催化剂载体被组合就位(见图13(C))。通过使用夹紧夹具或类似工具(未示出)，催化剂载体CAT被从半壳50A、50B的半筒状部16的外侧压缩，由此使半筒状部16的内周面与催化剂载体CAT的外周面紧密接触。当保持紧密接触的状态时，两个半壳50A、50B在两个半壳50A、50B的对接线L上被焊接(优选地被整周焊接)。这完成了歧管转化器的示例性实施方式2的整体形状。
在示例性实施方式2中，可以实现与上述示例性实施方式1的有益效果相似的有益效果。
如上所述，尽管对本发明的示例性实施方式等进行了说明，但本发明不限于上述示例性实施方式等，而是能够在不偏离本发明的基本技术思想的范围内增加另外的修改、替换或调整。
上述专利文献的全部公开内容通过参引并入本文。能够基于本发明的基本技术理念在本发明的全部公开内容(包括权利要求书)的范围内对示例性实施方式进行修改和调整。能够在本发明的权利要求的范围内对公开的各种要素(包括每项权利要求中的每个要素、每个示例性实施方式中的每个要素、每幅图中的每个要素等)进行各种组合和选择。即，本发明无疑包括能够由本领域技术人员根据包括权利要求和技术理念在内的全部公开内容进行的各种改变和修改。特别地，本文中公开的任何数值范围都应当被解释为落入所公开的范围内的任何中间值或子范围即使没有被具体阐述也是被实质公开了的。
附图标记列表
1 排气歧管部段
2 分支管(气缸管)
3 汇集管
4 氧传感器装配部
5 催化剂壳体部段
6 壳体主体
7 锥形(锥状)部、入口侧壳
8 出口侧壳
9 连通EGR口
10 半壳(上半壳10A、下半壳10B)
12 管状(隧道状)分支部
13 汇集部
14 分叉部
16 半筒状部(壳体主体形成部)
17 第一半锥形部(第一锥形形成部)
18 第二半锥形部(第二锥形形成部)
19 管状(隧道状)EGR分支部
30 特制坯件
31 第一(铁基)金属坯件、第一金属片构件
32 第二(铁基)金属坯件、第二金属片构件
33 第三(铁基)金属坯件、第三金属片构件
34 连接(搭接)部分
35 定位开口
43 铰链结构
44a、44b、45a、45b、46a、46b、47a、47b 冷却块
48 定位销
50 半壳(上半壳50A、下半壳50B)
53 管状(隧道状)汇集部、管状主部
61a、61b、62a、62b 冷却块
C1、C2、C3、C4 (相对)低温部位、局部部分
L 对接线(部)、连接线、焊接线
CAT 催化剂载体

Claims (8)

1.一种集成有催化剂壳体的排气歧管，包括排气歧管部段和催化剂壳体部段；所述催化剂壳体部段具有用于保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将所述壳体主体与所述排气歧管部段相互连接的锥形部、以及连接至所述壳体主体的下游侧的出口侧壳；其中，
所述排气歧管部段和所述催化剂壳体部段通过特制坯件的压制成型而形成，
所述特制坯件通过对材料种类不同和/或厚度不同的至少两个金属坯件进行焊接而形成，并且其中
所述排气歧管部段和所述催化剂壳体部段的所述锥形部由同一金属坯件形成。
2.根据权利要求1所述的集成有催化剂壳体的排气歧管，其中，
所述催化剂壳体部段的所述壳体主体和所述出口侧壳由与形成所述排气歧管部段和所述锥形部的金属坯件不同的至少一个金属坯件形成。
3.一种制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，所述集成有催化剂壳体的排气歧管包括排气歧管部段和催化剂壳体部段；所述催化剂壳体部段具有用于保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将所述壳体主体与所述排气歧管部段相互连接的锥形部、以及连接至所述壳体主体的下游侧的出口侧壳；
所述方法包括：
A)特制坯件制备步骤：将通过焊接至少两个金属坯件而形成的特制坯件制备为下述金属板：所述金属板呈预压平板形状并且形成与完成的集成有催化剂壳体的排气歧管的一半形状对应的半壳，其中所述至少两个金属坯件由材料种类不同和/或厚度不同的铁基金属制成；
B)整体加热步骤：将所述特制坯件整体加热至700摄氏度至950摄氏度的高温范围；
C)局部冷却步骤：使冷却块与已经加热的所述特制坯件上包括设计成通过压制而形成所述锥形部的部分在内的至少一个局部部分接触，以使所述至少一个局部部分和所述至少一个局部部分的相邻区域冷却至100摄氏度至600摄氏度的低温范围；
D)压制成型步骤：在局部冷却之后对所述特制坯件进行压制成型，以产生与集成有催化剂壳体的排气歧管的半壳对应的三维形状；以及
E)焊接步骤：使两个通过步骤A至步骤D形成的半壳对接，并且在两个半壳的对接部分处焊接两个半壳以完成集成有催化剂壳体的排气歧管的整体形状。
4.根据权利要求3所述的制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，其中，
所述特制坯件上的在所述局部冷却步骤中与所述冷却块接触的所述至少一个局部部分包括：适于在压制成型之后形成所述锥形部的部位(C1)；以及下述部位中的至少一个部位：
适于在压制成型之后形成分叉部的部位(C2)，所述分叉部用于将设置在所述排气歧管部段中的两个相邻的管状分支部的根部处的侧壁部段相互连接；
适于在压制成型之后形成位于设置在所述排气歧管部段的侧向最外侧处的管状分支部的根部与所述管状分支部汇集在一起的汇集部之间的连接部分的部位(C3)；以及
适于在压制成型之后在所述出口侧壳上形成位于管状的排气再循环分支部的根部与所述壳体主体之间的连接部分的部位(C4)。
5.根据权利要求3或4所述的制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，其中，
制造所述特制坯件的所述铁基金属是下述铁基金属：所述铁基金属即使从700摄氏度至950摄氏度的所述高温范围快速地冷却至100摄氏度至600摄氏度的所述低温范围也不发生淬火。
6.一种制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，所述集成有催化剂壳体的排气歧管包括排气歧管部段和催化剂壳体部段；所述催化剂壳体部段具有用于保持催化剂载体的大致筒状的壳体主体、将所述壳体主体与所述排气歧管部段相互连接的锥形部、以及连接至所述壳体主体的下游侧的出口侧壳；
所述方法包括：
A)特制坯件制备步骤：将通过焊接至少两个金属坯件而形成的特制坯件制备为下述金属板：所述金属板呈预压平板形状并且形成与完成的集成有催化剂壳体的排气歧管的一半形状对应的半壳，其中所述至少两个金属坯件的材料种类不同和/或厚度不同；
B)整体加热步骤：将特制坯件整体加热至允许在后续的压制成型步骤中当快速冷却时发生淬火的第一高温范围；
C)局部冷却步骤：使冷却块与已经加热的特制坯件上的包括设计成通过压制而形成锥形部的部分在内的至少一个局部部分接触，以使所述至少一个局部部分和所述至少一个局部部分的相邻区域冷却至比所述第一高温范围显著地低的第二低温范围，使得在经历压制成型步骤时导致淬火；
D)压制成型步骤：在局部冷却之后对所述特制坯件进行压制成型，以产生与集成有催化剂壳体的排气歧管的半壳对应的三维形状；以及
E)焊接步骤：使两个通过步骤A至步骤D形成的半壳对接，并且在两个半壳的对接部分处焊接两个半壳以完成集成有催化剂壳体的排气歧管的整体形状。
7.根据权利要求6所述的制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，其中，
所述特制坯件上的在所述局部冷却步骤中与所述冷却块接触的所述至少一个局部部分包括：
适于在压制成型之后形成所述锥形部的部位(C1)；
适于在压制成型之后形成分叉部的部位(C2)，所述分叉部用于将设置在所述排气歧管部段中的两个相邻的管状分支部的根部处的侧壁部段相互连接；
适于在压制成型之后形成位于设置在所述排气歧管部段的侧向最外侧处的管状分支部的根部与所述管状分支部汇集在一起的汇集部之间的连接部分的部位(C3)；以及
适于在压制成型之后在所述出口侧壳上形成位于管状的排气再循环分支部的根部与所述壳体主体之间的连接部分的部位(C4)。
8.根据权利要求6或7所述的制造集成有催化剂壳体的排气歧管的方法，其中，
制造所述特制坯件的金属是下述铁基金属：所述铁基金属即使从700摄氏度至950摄氏度的第一高温范围快速地冷却至100摄氏度至600摄氏度的第二低温范围也不发生淬火。
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