中空产品、制造中空产品的方法和设备以及使用这种中空产品的流体运输系统

摘要

催化式排气净化器(2)包括一个由管状坯料(10′)加工成并具有一个催化剂载体的催化箱(10)，和一个连接在中空元件上的法兰元件(11)。管状坯料(10′)受成形辊(22A)的旋压操作，以加工成具有所希望形状的催化箱(10)；在催化箱和法兰元件相对彼此转动时，催化箱(10)和法兰元件(11)的相对的圆周表面通过成形辊(22A)或者加压块(22B)的阵列相互挤压，这样就可以产生摩擦热，用于在催化箱和法兰元件的连接部分(10b、11b)上将它们摩擦焊接起来。

说明书

技术领域

本发明涉及一种中空产品、制造该中空产品的方法和设备以及使用这种中空产品的流体运输系统。特别是，本发明涉及一种中空产品，该产品包括连接在一起的一个中空元件和另一个元件，制造这种中空产品的方法和设备；一种中空产品，该产品包括双壁中空元件和另一个具有与双壁中空元件连接在一起的连接部分的元件，以及使用这种中空产品的流体运输系统。

背景技术

连接在汽车的内燃机或者其它燃烧发动机上用来排放废气的排气系统是流体运输系统的一个例子，这种流体运输系统包括多种中空产品，形式为流体的废气通过这些中空产品得以运输或者排放。例如，排气系统包括多个中空产品，例如排气歧管1、催化式排气净化器2、管道3、前置消音器4和主消音器5，如图15所示。配置催化式排气净化器2是为了引起化学反应，例如氧化还原反应，以便净化由燃烧发动机产生并通过排气歧管接收的废气。配置前置消音器4和主消音器5是为了通过降低经过催化式排气净化器2和管道3接收到的高压废气的压力，以减小将废气排放到空气中时产生的噪音。

每个中空产品，例如排气歧管1、催化式排气净化器2、管道3、前置消音器4和主消音器5，通常是一个部件组合，该部件组合包括例如容器或者连接管的中空元件100，以及形式为连接在中空元件100的连接部分100b上的法兰元件110的其它元件，如图16所示(在该图中只显示了一个连接部分100b和一个法兰元件110)。为了便于装配中空元件或者便于替换连接的中空产品中受到损坏的某个产品，在法兰元件110上使用螺栓将相邻的中空产品可以移动地连接在一起。

JP-A-9-324623披露了用来制造中空产品的已知技术的一个例子，这种中空产品由诸如连接管的中空元件100和形式为法兰元件110的其它元件组成。这种技术使用对接(butt)摩擦焊接将中空元件100和法兰元件110连接在一起。

JP-A-7-144287披露了一种摩擦焊接设备，该设备包括一个去毛刺杆，用来在使中空元件和其它元件连接在一起的摩擦焊接中除去在中空元件的内部产生的毛刺。配置去毛刺杆是为了将所产生的毛刺压在中空元件的内表面上。

JP-A-52-75641披露了一种将具有圆形孔的第一元件和具有比圆形孔直径大很多的外直径的第二元件摩擦焊接在一起的摩擦焊接和安装方法，其中第二元件与圆形孔同轴布置，通过压配合安装在圆形孔中，同时第一和第二元件可以相对彼此绕着共同的轴转动。

JP-A-55-61389披露了一种将管状的滚柱体和轴颈摩擦焊接在一起的方法，其中轴颈具有一个锥形部分、一个从锥形部分的大直径端面上伸出来的转动轴部分以及一个圆周槽部分和一个在锥形部分的小直径端面上形成的挡板部分。挡板部分具有与管状滚柱体的内直径基本上相等的直径。在摩擦焊接中，轴颈通过将挡板部分压在滚柱体的一端上而以压配合的方式安装在滚柱体中，以便在锥形部分的圆周表面上将轴颈摩擦焊接在滚柱体上，这样在滚柱体内产生的毛刺就被放置在圆周槽部分中。

然而，两个中空元件100、100之间进行对接摩擦焊接以形成如JP-A-9-324623中所披露的中空产品会遇到在对接焊接部分的外部和内部产生毛刺的问题，如图17所示。如果这样制造的中空产品作为一个部件用在流体运输系统中，由于这些毛刺的存在会导致一些缺陷。亦即，在中空产品内部的毛刺将降低诸如废气之类的流体通过流体运输系统流动或者运输的效率，并且中空产品外部的毛刺使该中空产品的表面变差。如果使用在JP-A-7-144287中披露的去毛刺杆来除掉在中空产品内部产生的毛刺，那么摩擦焊接设备将很大，这是不希望发生的，而且设备的制造成本也会增加。

在JP-A-52-75641中披露的通过摩擦焊接将第二元件以压配合装入第一元件中的方法，要求第一元件的圆形孔的内直径大于第二元件的外直径以便有效地进行摩擦焊接，这样就不能直接控制第一元件的圆形孔和第二元件的外圆周表面之间的压力。进一步，这种方法不允许在摩擦焊接工艺的最后阶段施加镦锻压力。如果第二元件是一个中空元件，例如管子，那么由于在中空元件以压配合装入第一元件的过程中中空元件发生变形，就不能控制在直径方向上作用在中空元件上的压力，从而导致一些问题，例如由于在第一和第二元件之间的摩擦而产生的热量不足，以及在直径方向上摩擦焊接力不足。

在JP-A-55-61389中披露的对接摩擦焊接方法要求轴颈具有锥形部分、圆周槽部分以及挡板部分，这导致轴颈无法高效制造的问题。进一步，要求插入管状或者中空滚柱体的挡板部分具有不大于滚柱体内直径的直径，这样就存在这样一种危险，在对滚柱体内的轴颈进行摩擦焊接过程中滚柱体内部产生的毛刺会或多或少地流出圆周槽部分，超过挡板部分的边缘。进一步，在目前的方法中轴颈的锥形部分与滚柱体摩擦焊接，该方法要求加工锥形部分时其圆锥角具有很高程度的精度。另外，锥形部分和滚柱体之间在轴线方向上的相对移动对于径向上的摩擦焊接力具有很大的影响，这样就很难控制摩擦焊接力。

发明内容

本发明的一个目的是提供制造中空产品的方法和设备，允许中空元件和另一个元件容易而精确地连接在一起并具有很高的稳定性，以形成中空产品。该方法和设备应该具有确保制造中空产品的生产率和效率都很高的优点，其中该设备另外还具有减小的尺寸。

本发明的另一个优点是使用这种中空产品的流体运输系统具有很高的流体运输效率。

按照本发明，提供一种制造中空产品的方法，该产品包括连接在一起的一个中空元件和另一个元件，其中中空元件和上面指出的另一个元件摩擦焊接在一起，并且加压元件至少与中空元件和上面指出的另一个元件中的一个保持压力接触，同时中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面可以相对彼此移动。

按照上面描述的本发明，中空元件和另一个元件通过加压元件摩擦焊接在一起，其中该加压元件与中空元件和/或上面指出的另一个元件保持压力接触，同时中空元件和另一个元件的圆周表面能够相对彼此移动。因此，中空产品可以这样制造：中空元件和上面指出的另一个元件精确而可靠地连接在一起并且在整个圆周上具有高的稳定性。

按照本发明的一个有利方面，制造包括具有预定形状的中空元件和与中空元件连接在一起的另一个元件的中空产品的方法，包括如下连续完成的步骤：使用与管状坯料保持接触的加压元件在管状坯料上执行旋压操作(spinning)，以形成具有预定形状的中空元件的步骤；以及使用与中空元件和上面指出的另一个元件之中的至少一个保持压力接触的加压元件将中空元件和上面指出的另一个元件摩擦焊接在一起，同时中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面可以相对彼此移动的步骤。

按照上面描述的本发明的这种有利的方面，相继或者连续执行下列步骤：使用与管状坯料接触的加压元件在管状坯料上执行旋压操作，以形成具有预定形状的中空元件的步骤；以及使用与中空元件和/或上面指出的另一个元件保持压力接触的加压元件将中空元件和上面指出的另一个元件摩擦焊接在一起，同时中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面可以相对彼此移动的步骤。因此，可以以很高的生产率和效率制造中空产品，这样中空元件和上面指出的另一个元件可以精确而牢固地连接在一起并在整个圆周上具有很高的稳定性。

在按照如上面所述的本发明的方法中，可以控制使加压元件和上面指出的另一个元件在径向上相互压紧的力。在这种情况下，根据中空元件和上面指出的另一个元件的材料特性，通过控制使中空元件和上面指出的另一个元件相互压紧的力，可以很容易地控制由于中空元件和上面指出的另一个元件之间的摩擦接触而产生的摩擦热量。因此，中空产品可以这样制造，中空元件和上面指出的另一个元件精确而牢固地连接在一起并具有很高的稳定性。

按照本发明，提供用于制造包括连接在一起的一个中空元件和另一个元件的中空产品的设备，该设备包括：当中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面彼此相对时，使中空元件和/或上面指出的另一个元件相对彼此移动的驱动装置；以及一个加压元件，可以操纵该元件迫使(挤压)中空元件和上面指出的另一个元件中的至少一个，通过摩擦焊接使它们的圆周表面连接在一起，同时中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面可以优选地通过驱动装置相对彼此移动。

因此，当连接在一起的圆周表面彼此相对，中空元件和上面指出的另一个元件在驱动装置的作用下相对彼此移动(例如转动)时，中空元件和/或上面指出的另一个元件受到加压元件的作用力(挤压)，这样在相互作用的圆周表面上将产生摩擦热，而中空元件和上面指出的另一个元件可以精确而牢固地摩擦焊接在一起，并且在整个圆周表面上具有高的稳定性。加压元件配置可能用于在径向向内的方向上或者径向向外的方向上挤压中空元件和上面指出的另一个元件中的至少一个。

按照本发明的优选方面，用于制造包括具有预定形状的中空元件和与中空元件连接在一起的另一个元件的中空产品的设备，包括：当中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面彼此相对时，使中空元件和/或上面指出的另一个元件相对彼此移动的驱动装置；一个加压元件，可以操纵该元件与管状坯料保持接触，在管状坯料上执行旋压操作，用来形成具有预定形状的中空元件，并且使中空元件和上面指出的另一个元件的圆周表面相互挤压，以便摩擦焊接中空元件和上面指出的另一个元件，同时中空元件和上面指出的另一个元件可以在驱动装置的作用下相对彼此发生移动；以及控制装置，用于控制加压元件运动，以便在管状坯料上执行旋压操作，然后摩擦焊接中空元件和上面指出的另一个元件。

因此，通过控制装置控制加压元件的运动，以便在管状坯料上执行旋压操作以形成具有预定形状的中空元件，然后当通过驱动装置中空元件和上面指出的另一个元件相对彼此移动时，执行摩擦焊接操作使得通过它们的圆周表面相互挤压，摩擦焊接中空元件和上面指出的另一个元件。因此，可以提高设备的生产率和制造效率。进一步，在结构上设备可以设计得更加简单并且尺寸减小，而可以制造这样的中空产品，其中中空元件和上面指出的具有连接部分的另一个元件可以精确而牢固地连接在一起，并且具有高度的稳定性。注意到，可以通过相同的加压元件或者不同的加压元件来执行旋压操作和摩擦焊接操作，而用于摩擦焊接操作的加压元件可以配置为在径向向内方向或者径向向外方向上挤压中空元件和上面指出的另一个元件中的至少一个。

在本发明的设备中，可以控制在中空元件和上面指出的另一个元件的径向方向上加压元件挤压这两个元件中的至少一个的力。这种配置便于调整加压元件所产生的径向挤压力，使得有可能根据中空元件和上面指出的另一个元件的材料特性控制在摩擦焊接操作中产生的摩擦热量，从而允许这样制造中空产品，使得中空元件和上面指出的另一个元件更加精确而牢固地连接在一起并具有很高的稳定性。

按照本发明，提供一种中空产品，包括连接在一起的一个中空元件和另一个元件，其中中空元件和上面指出的另一个元件在它们彼此相对的圆周表面上摩擦焊接在一起。

在上面描述的按照本发明的中空产品中，中空元件的圆周表面摩擦焊接在另一个元件的连接部分的圆周表面上，该连接部分的圆周表面与中空元件的圆周表面相对，优选情况下超过一个预定的轴向长度。因此，该中空产品不会具有毛刺，而通常在中空元件内会产生毛刺，并且在中空元件和上面指出的另一个元件之间的界面上表现出很高的强度。

按照本发明的一个有利方面，中空产品包括一个具有两层壁的连接部分的双壁中空元件和另一个具有连接部分的元件，这两个元件连接在一起，其中上面指出的另一个元件的连接部分插入中空元件的连接部分的两层壁之间，而中空元件和上面指出的另一个元件在中空元件的连接部分的两层壁和上面指出的另一个元件的连接部分处摩擦焊接在一起。

在按照上面描述的本发明的中空产品中，上面指出的另一个元件的连接部分插入双壁中空元件的连接部分的两层壁之间，并且摩擦焊接在两层壁上。因此，中空产品不会具有通常在双壁中空元件内产生的毛刺，并且在中空元件和上面指出的另一个元件的界面上表现出高的强度。

按照本发明，提供一种流体运输系统，该系统包括至少一个中空产品，每个中空产品的结构如上面所描述。

按照本发明的流体运输系统在中空产品的中空元件内部不会具有毛刺，因而确保了通过流体运输系统的流体流动和运输的高效率。进一步，如果流体运输系统包括两个或者更多的中空产品，每个中空产品包括中空元件和上面指出的另一个元件，那么相邻的中空产品可以很容易地相互连接摩擦焊接在各个中空元件上的另一个元件。

附图说明

图1为显示按照本发明第一实施例构造的用于制造中空产品的设备的平面图；

图2为图1中的设备的正视图；

图3为用于解释由图1和图2中设备实现的摩擦焊接的一种形式的局部放大图；

图4为解释按照本发明的摩擦焊接的另一种形式的局部放大图；

图5为按照本发明的第二种实施例所构造的制造中空产品的设备的平面图；

图6为图5中的设备的正视图；

图7为解释径向驱动器机构的一个例子的一个示意图；

图8为解释图5和图6的设备所实现的摩擦焊接的局部放大图；

图9为作为按照第二种实施例的中空产品的一个示例制造的催化式排气净化器的局部横截面图；

图10为解释由中空产品制造设备所实现的摩擦焊接的视图，该中空产品制造设备是按照本发明的第三种实施例所构造的；

图11为显示处于加压元件插入催化箱的连接部分状态下的催化箱的放大侧视图；

图12为解释通过按照本发明第四种实施例的中空产品制造设备进行摩擦焊接，连接中空元件和另一种元件的操作的视图；

图13为解释通过图10的中空产品制造设备进行摩擦焊接来连接双壁中空元件和另一种元件的操作的视图；

图14为解释通过图12的中空产品制造设备进行摩擦焊接来连接双壁中空元件和另一种元件的操作的视图；

图15为形式为排气系统的流体运输系统的分解透视图，该排气系统连接在汽车上的燃烧发动机上，例如内燃机上，并且包括形式为中空产品的各种元件；

图16为显示连接催化箱和法兰元件的一种已知方法的横截面图和侧向正视图的组合；以及

图17为显示当两个中空产品通过已知的对接摩擦焊接连接在一起时产生毛刺的横截面图。

优选实施例

参照图1-3，将要描述制造中空产品的设备，该设备按照本发明第一实施例构造。在图1-3中使用的参考符号也同样用于在功能上识别其它实施例中对应的元件或者部分。在这个实施例中，中空产品是一个使用在与汽车发动机连接的排气系统中的催化式排气净化器2，如图1 5所示。催化式排气净化器2是用来引起诸如氧化或者还原反应之类的化学反应，以净化由发动机产生并通过排气歧管1收集的废气。催化式排气净化器2是一个部件组合，包括一个形式为管状坯料10′或催化箱10的中空元件，和形式为法兰元件11的其它元件，这些元件用来在催化箱(中空元件)10的连接部分10b将催化箱10连接在其它部件组合，例如管道3(图15)上。催化箱10由管状坯料10′形成，以提供放置催化剂的催化剂载体(图中未显示)。然而，根据本发明所制造的中空产品不仅仅局限于催化式排气净化器2，而可以是连接在一起的一个中空元件和另一个元件的其它中空产品，例如，汽车发动机的排气系统中的排气歧管1、管道3、前置消音器4和主消音器5中的任意一个，如图15所示。

在第一种实施例中，作为中空元件提供的催化箱10包括一个作为催化剂载体支撑部分10a的轴向中间部分，该轴向中间部分具有一个相当大的直径，催化剂载体放置在其中。催化箱10进一步包括作为连接部分10b的轴向相对端部(在图1和3中仅仅显示了其中的一个)，该轴向相对端部具有一个相对较小的直径，在此处催化箱10连接在法兰元件11上(在图1-3中仅仅显示了其中的一个)。催化箱10进一步包括一个位于具有相对较大直径的催化剂载体支撑部分10a和具有相对较小直径的每个连接部分10b之间的锥形部分10c(具有连续变化的直径)。如图3所示，每个法兰元件11包括一个环状板形式的法兰部分11a，和一个在法兰部分11a的轴向方向上从法兰部分11a的相对表面中的一个伸出的圆柱形连接部分11b。在第一种实施例中，催化箱10和法兰元件11通过在连接部分10b的内圆周表面和连接部分11b的外圆周表面之间进行摩擦焊接连接起来，如图3所示。

简而言之，按照本发明的第一种实施例所构造的设备最初由形式为管状坯料10′的中空元件形成催化箱10，这样催化箱10可以成形，用于放置催化剂载体，然后将催化箱10和每个法兰元件11连接起来以制造催化式排气净化器2。该设备包括：夹持管状坯料10′或催化箱10并绕自身轴线转动的旋转驱动装置20；法兰夹持装置21，用于固定法兰元件11、使得法兰元件11可以相对催化箱10移动到一个位置，在该位置上连接部分11b的外圆周表面正对催化箱10的连接部分10b的内圆周表面，这样法兰元件11就不能绕自身轴线旋转；一个加压元件，例如，可操作的成形辊22A，成形辊22A与管状坯料10′或催化箱10相接触以执行旋压操作，以形成具有预定形状的催化箱10，并且把催化箱10的连接部分10b压紧在法兰元件11的连接部分11b的外圆周表面上，以产生用于摩擦焊接连接部分10b、11b的摩擦热；以及控制装置(图中未显示)，用来控制成形辊22A的轴向和径向的运动，以实现所需的旋压和摩擦焊接操作。控制装置的控制成形辊22A的操作将得到详细的描述。配置旋转驱动装置20是用来夹持催化箱10并且使它相对于法兰元件11转动，法兰元件11是通过法兰夹持装置21固定夹持的。

旋转驱动装置20包括一个夹持管状坯料10′或催化箱10的卡盘30，一根支撑卡盘30以便卡盘30可以绕着转轴转动的转轴31，一个驱动电机32，以及一个带式动力传输机构33，该动力传输机构将驱动电机32连接在转轴31上，以便将驱动电机32的旋转运动传递到转轴31上。

法兰夹持装置21包括一对卡盘35，该卡盘用于夹持法兰元件11以便法兰元件11不会相对转动的催化箱10旋转；一个用来打开和闭合卡盘35的卡盘驱动器36；一个轴向驱动器37，用来在其轴线方向上移动法兰元件11，该轴线方向与催化箱10同轴，这样由卡盘35夹持的法兰元件11的连接部分11b就插入由旋转驱动装置20的卡盘30夹持的催化箱10的连接部分10b上。

在设备的支座40上，安装了一对导轨41和一个滚珠丝杠42，这样导轨41和滚珠丝杠42可以在管状坯料10′或催化箱10的轴线方向上延伸。轴向滑块43安装在导轨41上，滚珠丝杠42的一个相对端连接在驱动电机44上。轴向滑块43的下表面具有一个与滚珠丝杠42相配合的滚珠螺母45。当操作驱动电机44使滚珠丝杠42绕轴线旋转时，轴向滑块42通过滚珠螺母45在导轨41上沿着管状坯料10′或催化箱10的轴线方向移动。

在轴向滑块43上，安装了一对导轨51和一个滚珠丝杠52，这样导轨51和滚珠丝杠52可以在管状坯料10′或催化箱10的径向上延伸。径向滑块53安装在导轨51上，滚珠丝杠52的一个相对端连接在驱动电机54上。径向滑块53的下表面具有一个与滚珠丝杠52相配合的滚珠螺母55。当操作驱动电机54使滚珠丝杠52绕轴线旋转时，径向滑块52通过滚珠螺母55在导轨51上沿着管状坯料10′或催化箱10的径向移动。

在径向滑块53上支撑着成形辊22A。驱动电机44、54在控制装置的控制下，使成形辊22A相对于由卡盘30夹持的管状坯料10′或催化箱10在轴向和径向上移动想要的距离。一对成形辊22A可能支撑在径向滑块53上，这样两个成形辊22A将布置在管状坯料10′或催化箱10直径上相对的各自位置上，这样两个成形辊22A可以在管状坯料10′或催化箱10的径向上相向或者相背地彼此同步移动。

然后，将描述一种使用按照如上所述的方法构造的设备制造中空产品的方法，该中空产品的形式为按照第一种实施例的催化式排气净化器2。

简而言之，制造按照第一种实施例的中空产品的方法表示为，当催化箱10由管状坯料10′成形后，作为其形状可以放置催化剂载体(未显示)的中空元件，通过将催化箱10和法兰元件11在其连接部分10b、11b处连接起来，来制造催化式排气净化器2。在本方法中，催化箱10和法兰元件11相对彼此转动，同时连接部分11b径向向内布置在连接部分10b上。在这种状态下，成形辊22A移动与催化箱10的连接部分10b形成辗压接触，以向着法兰元件11的连接部分11b的外圆周表面挤压连接部分10b的内圆周表面，从而在它们之间产生摩擦热将连接部分10b、11b分别在它们的内、外圆周表面上连接起来。在这种方法中，管状坯料10′开始时由成形辊22A加工成具有理想形状的催化箱10，然后成形的催化箱10和法兰元件11使用成形辊22A摩擦焊接在一起。

为了制造催化式排气净化器2，首先制备具有足够大的内直径以允许催化剂载体插入其中的管状坯料10′。然后管状坯料10′受到旋转驱动装置20的卡盘的夹持，并且通过驱动电机32在转轴31的转动作用下旋转，同时操纵驱动电机44、54使成形辊22A挤压管状坯料10′，以便在管状坯料10′的一个轴端部分上执行旋压操作，以形成锥形部分10c和连接部分10b。随后，催化剂载体通过另一个轴端部分的开口端插入管状坯料10′。然后，该另一个轴端部分同样经过旋压操作，形成锥形部分10c和连接部分10b。这样，管状坯料10′就形成了催化箱10。

然后，催化箱10由旋转驱动装置20的卡盘30夹持，同时法兰元件11由法兰夹持装置21的两个卡盘35夹持，这样在催化箱10的一端的连接部分10b与法兰元件11的连接部分11b同轴，该法兰元件的连接部分11b从相对法兰部分11a的一个表面伸出，在法兰部分11a处法兰元件11由直径方向上相对的两个卡盘35夹持，这两个卡盘由卡盘驱动器36闭合。操作轴向驱动器37可以在轴向上移动法兰元件11，从而将连接部分11b插入连接部分10b中，这样连接部分11b的外圆周表面与连接部分10b的内圆周表面在径向上相对。然后，启动旋转驱动装置20的驱动电机32来转动转轴31，并测量驱动电机32的驱动转矩。当检测到驱动电机32的所测驱动转矩增加到一个预定值时，启动驱动电机44、54并移动成形辊22A，以便在径向向内的方向上向着法兰元件11的连接部分11b的外圆周表面挤压催化箱10的连接部分10b的内圆周表面。转动的催化箱10的连接部分10b与法兰元件11的连接部分11b挤压接触的结果是，在接触连接部分10b、11b之间产生摩擦热。在这个挤压接触过程中，由于催化箱10转动的摩擦阻力，操作时使催化箱10转动的驱动电机32的驱动转矩发生改变。同时，也测量操作时使成形辊22A在径向上挤压催化箱10的连接部分10b的驱动电机54的驱动转矩。由于驱动电机54通过成形辊22A受到静止的法兰元件11的连接部分11b的反作用力，驱动电机54的驱动转矩也发生改变。可能通过监测通过驱动电机32、54的电流量来检测两个驱动电机32、54的驱动转矩值的改变。当这样检测到的在操作时使转轴31转动和将成形辊22A压在连接部分10b上的驱动电机32、54的电流量稳定在预定值上时，表示在两个连接部分10b、11b之间的界面上产生了希望的摩擦热量。此时，成形辊22A在驱动电机54的作用下在连接部分10b的径向向内的方向上进一步移动，以便向界面施加一个墩锻压力，而旋转驱动装置20的驱动电机32被关掉，因而在催化箱10的一端上的连接部分10b和法兰元件11的连接部分11b分别在其内外圆周表面上摩擦焊接在一起。以与上面描述的同样的方式，催化箱10按照需要在其另一端的连接部分10b处摩擦焊接在另一个法兰元件11的连接部分11b上。墩锻压力根据检测到的驱动电机54的驱动转矩或者检测到的成形辊22A在径向上的操作冲程(根据电机54的操作量进行检测)进行控制。驱动电机32、54的驱动转矩值的改变可以通过除了传感器以外的任何合适的用来监测驱动电机32、54的电流的已知装置进行检测，例如通过布置在驱动电机32、54的驱动轴上的测压元件进行检测。为了执行摩擦焊接操作，在催化箱10的径向向内的方向上与连接部分10b保持压力辗压接触的成形辊22A，可能在驱动电机44的驱动下在连接部分10b、11b重叠的轴向距离之内轴向移动，如图3中箭头X所示。

如果成形辊22A的直径小于连接部分10b、11b的直径，或者连接部分10b、11b的直径大于成形辊22A的直径，则法兰元件11的轴向延伸的连接部分11b可能被去掉。在这种情况下，法兰元件11可能是环形板元件，具有形式为中心孔11b的连接部分，在该中心孔中插入催化箱10的连接部分10b的末端，如图4所示。为了将催化箱10摩擦焊接在该法兰元件11上，连接部分10b的末端径向向内布置在法兰元件11的中心孔11b上，这样中心孔11b的内圆周表面和连接部分10b的末端的外圆周表面在径向上彼此相对。成形辊22A位于连接部分10b之内，当催化箱10相对于法兰元件11转动时，成形辊22A在催化箱10的径向向内的方向上压在连接部分10b的内圆周表面上。参照图7，将对可通过操纵移动成形辊22A在催化箱10的径向向外的方向上与催化箱10发生压力接触的径向驱动机构23进行详细描述。制造如上所述的中空产品的方法不限于上面所描述的实施例的细节，在该实施例中摩擦焊接操作开始于在其相对端具有连接部分10b的催化箱10。亦即，摩擦焊接操作可能从管状坯料10′上开始，该坯料已经加工成只在其相对的一端上具有锥形部分10c和连接部分10b。在这种情况下，管状坯料10′首先在其一端的连接部分10b上与法兰元件11摩擦焊接，而催化剂载体通过另一端插入管状坯料10′中。然后，在管状坯料10′的另一端上加工锥形部分10c和连接部分10b，从而形成催化箱10，这样形成的催化箱10在上面指出的另一端的连接部分处与另一个法兰元件11摩擦焊接在一起。因此，连接在法兰元件11(作为另一个元件)上的中空元件可能是管状坯料10′和催化箱10。

使用如上所述所构造的设备来制造形式为催化式排气净化器2中空产品的方法将得到更为详细的描述。

将要作为本实施例的中空产品而制造的催化式排气净化器2，包括由管状坯料10′加工以具有一定形状的催化箱10，和连接在催化箱10的连接部分10b上的法兰元件11，以便催化箱10的连接部分10b和法兰元件11的连接部分11b在其圆周表面上摩擦焊接在一起。

在包括连接在一起的催化箱10和法兰元件11的催化式排气净化器2中，连接部分10b、11b相互之间摩擦焊接在一起，在整个圆周上具有很高的稳定性。如果催化式排气净化器2使用在流体运输系统中，该系统的形式为汽车发动机的排气系统，那么排气系统将不会出现作为流体流过它的废气排放的泄漏。进一步，在内外圆周表面上摩擦焊接连接部分10b、11b，不会导致在中空元件内部产生毛刺，而这在以前工艺中会出现(如图17所示)。因此，不必去除这些毛刺，而阻止流体流过流体运输系统的阻力得以降低，以提高流体流动和运输的效率。

如果连接部分10b的内圆周表面焊接在连接部分11b的外圆周表面上，该连接部分11b从法兰元件11的相对的表面中的一个伸出，正如在上面描述的实施例中一样，则催化箱10可能包括一个在连接部分10b和锥形部分10c之间成形的锥形或者台肩部分10b′，如图9所示。台肩部分10b′这样形成：其没有摩擦焊接在连接部分11b的内圆周表面的直径小于连接部分10b的直径，而与连接部分11b的内圆周表面平齐并相接。这种配置进一步降低了流体的流动阻力，进一步提高了流体运输系统的流动和运输效率。

如果催化箱10的连接部分10b摩擦焊接在法兰元件11的中心孔11b的内圆周表面上，如图4所示，则法兰元件11的表面中没有一个在催化箱10的连接部分10b之内，亦即，在流体运输系统之内，这样流体的流动阻力非常低，因而流体运输效率很高。

接下来参照图5到8，将详细描述制造中空产品的设备，该设备按照本发明的第二实施例构造。在第二实施例中将使用在第一实施例中使用的相同的参考符号，以便在功能上识别对应的元件或部分，这些将不再进行描述。

尽管配置按照第一实施例的设备是为了夹持法兰元件11，以便法兰元件11不能绕自身轴线转动，而使管状坯料10′或者催化箱10绕其自身轴线转动，但是配置按照第二实施例的设备是为了使法兰元件11绕其轴线转动，同时夹持管状坯料10′或者催化箱10使管状坯料10′或者催化箱10不能绕其自身轴线转动。这是第一和第二实施例之间的区别。

简言之，这个第二实施例的设备包括：旋转驱动装置25，用于夹持并使法兰元件11绕其轴线转动；坯料夹持装置26，用于夹持管状坯料10′或者催化箱10以便管状坯料10′或者催化箱10可以在轴向上相对法兰元件11移动到一个位置，在该位置上连接部分10b的内圆周表面与法兰元件11的连接部分11b的外圆周表面在径向上相对；以及加压元件，例如成形辊22A，该成形辊22A可以通过操作而与管状坯料10′接触以执行旋压操作从而将管状坯料10′加工成具有理想形状的催化箱10的，并在径向上向着转动的法兰元件11的连接部分11b的外圆周表面挤压催化箱10的连接部分10b，以便在它们之间产生摩擦热，从而将连接部分10b、11b摩擦焊接在一起。

如图5和6所示，旋转驱动装置25包括用于夹持法兰元件11的法兰夹持装置60，用于支撑法兰夹持装置60以便法兰夹持装置60可以在轴线方向上移动的转轴61，一个用于使法兰夹持装置60在其轴线方向上移动的轴向驱动器62，一个驱动电机32，以及一个带式动力传输机构33，该机构连接驱动电机32和转轴61，以便将驱动电机32的旋动运动传递到转轴61。转轴61具有内齿，而法兰夹持装置60具有与转轴61的内齿啮合的外齿。轴向驱动器62通过一个旋转分离轴承63连接在法兰夹持装置60上。当转轴61在驱动电机32的驱动下转动时，法兰夹持装置60和转轴61一起转动，并且通过轴向驱动器62的操作而在轴向上移动。成形辊22A由转轴61支撑，这样成形辊22A通过径向驱动机构23可以在转轴61的径向上移动。

如图7中的示意性显示，径向驱动机构23包括：块体65，夹持各个成形辊22A，并布置在转轴61上可以在转轴61的径向上移动；由滚珠丝杠67形成的拉杆67；与拉杆67的滚珠丝杠66配合的滚珠螺母68；驱动滚珠螺母68使拉杆67在其轴向上移动的驱动电机69；以及用于将拉杆67的轴向运动转化为块体65的径向运动的连杆元件70。拉杆67具有在轴向中间部分加工的延长槽，以及与延长槽保持配合的销钉71，用于阻止拉杆67绕其轴线转动。转动元件73通过一个轴承72安装在拉杆67的远离滚珠螺母68的端部上，这样转动元件73绕转轴61转动。每个连杆元件70都实际上是具有两个臂状物的L形元件，该元件在两个臂状物的连接点处连接到固定于转轴61的销钉74上，从而连杆元件70可绕销钉74旋转。连杆元件70的一个臂状物与对应的块体65配合，而另一个臂状物与转动元件73配合。当配置有滚珠丝杠66的拉杆67在电机69的驱动下沿轴向向右移动时，如图7中上侧的单点划线所示，连杆元件70绕各自的销钉74转动，这样夹持成形辊22A的块体65就在转轴61的径向上向外移动。当拉杆67如图7所示向左移动时，连杆元件70绕销钉74转动，这样块体65在转轴61的轴向上向内移动。因此，通过控制驱动电机69来控制拉杆67的轴向运动距离，可以控制成形辊22A的操作行程来调节它们的挤压力。

坯料夹持装置26包括：一对卡盘80，用来夹持管状坯料10′或者催化箱10，以便管状坯料10′或者催化箱10不能转动，并且与可转动的法兰元件11同轴布置；一个卡盘驱动器81，用于打开或者闭合卡盘80；以及一个轴向驱动器，用于相对于被旋动驱动装置25的法兰夹持装置60所夹持的法兰元件11沿轴向移动管状坯料10′或者催化箱10(由卡盘80夹持)。在如图5和6中所示的设备中，轴向驱动器由轴向滑块43构成，滑块43在驱动电机44的驱动下在管状坯料10′或催化箱10的轴向上移动。卡盘80和卡盘驱动器81安装在径向滑块53上。径向滑块53不在催化箱10的径向上移动，用来将催化箱10和法兰元件11连接在一起，但是当有必要将管状坯料10′加工成形为催化箱10时能够在径向上移动，例如催化箱与法兰元件11的轴线之间存在一个偏心。

然后，将描述使用显示在图5到7中的设备制造中空产品的方法，该产品形式为按照第二实施例的催化式排气净化器2。

为了制造催化式排气净化器2首先制备具有足够大的内径以允许催化剂载体插入其中的管状坯料10′。然后管状坯料10′由坯料夹持装置26的卡盘30夹持，操纵轴向驱动器62用于在轴向上移动法兰夹持装置60以便该装置从转轴61上突出，这样法兰元件11就由法兰夹持装置60夹持。然后操纵轴向驱动器62，在相反的方向上将法兰夹持装置60拉回转轴61。随后，操纵驱动电机44向着转轴61移动轴向滑块43，直到管状坯料10′的一个预定轴向部分位于成形辊22A的轴向位置。然后操纵驱动电机32以转动由转轴61支撑的成形辊22A，径向驱动机构23的驱动电机69受到操纵使得成形辊22A与管状坯料10′发生压力接触，用来执行旋压操作以便在管状坯料10′的一个末端部分上形成锥形部分10c和连接部分10b。然后，催化剂载体通过另一个端插入管状坯料10′中。按照与上面描述的相同的方式，在管状坯料10′的另一末端上成形锥形部分10c与连接部分10b。在管状坯料10′的旋压操作执行完毕之后，法兰元件11可能由法兰夹持装置60夹持，亦即，在催化箱10由管状坯料10′加工成形后。

接着操纵轴向驱动器62，这样通过花键与转轴61的中心部分连接的法兰夹持装置60在轴向上移动，以便从转轴61上突出，如图8所示，同时由转轴61支撑的成形辊22A和由法兰夹持装置60夹持的法兰元件11在驱动电机32的驱动下转动。其结果是，已经位于转轴61之内的法兰元件11的连接部分11b插入催化箱10的连接部分10b中。然后成形辊22A在催化箱10的径向上移动，向着转动的法兰元件11的连接部分11b挤压催化箱10的连接部分10b，这样由于静止的催化箱10的连接部分10b和转动的法兰元件11的连接部分11b之间的压力接触而导致产生摩擦热。操纵径向驱动机构23的驱动电机69，进一步在催化箱10的径向上移动成形辊22A，以便当检测到在两个连接部分10b、11b之间的界面上已经产生了希望的热量时，在连接部分10b、11b之间施加一个墩锻压力。当操纵径向驱动机构23的驱动电机69以便在径向上移动成形辊22A的驱动转矩到达一个预定值时，亦即，当向着连接部分11b挤压连接部分10b的力达到一个预定值时，并且当旋转驱动装置25的驱动电机32的驱动转矩达到一个预定值时，会检测到这种状况。当径向驱动机构23的驱动电机69的驱动转矩或者操作量(成形辊22A的操作行程)增加到一个最终预定值时，旋转驱动装置25的驱动电机32断电。因此，完成催化箱10和法兰元件11的摩擦焊接。

在制造上述的催化式排气净化器2的方法中，由卡盘80夹持而无法转动的催化箱10的连接部分10b的内圆周表面，被绕转轴61的轴线转动的成形辊22A挤压在转动的法兰元件11的连接部分11b的外圆周表面上，在连接部分10b的整个圆周上该法兰元件径向向内布置在连接部分10b上。这种配置允许催化箱10和法兰元件11通过摩擦焊接在其连接部分10b、11b的整个圆周上牢固地连接在一起。与第一实施例一样，第二实施例可能配置为通过同步操纵驱动电机44和轴向驱动器62，相对于绕转轴61的轴线转动的成形辊22A，在轴向上移动催化箱10和法兰元件11。这种配置允许在足够大的轴向长度上摩擦焊接连接部分10b、11b。同样在第二实施例中，催化箱10可能包括在连接部分10b和锥形部10c之间形成的锥形或者台肩部分10b′，如图9所示。台肩部分10b′这样形成：其没有摩擦焊接在连接部分11b的内圆周表面的直径小于连接部分10b的直径，并且与连接部分11b的内圆周表面平齐并相接。这种配置降低了流体的流动阻力，并且提高了通过使用这种催化式排气净化器2的流体运输系统的流体流动或运输效率。

下面将参照图10到12详细描述制造中空产品的设备，该设备按照本发明的第三和第四实施例构造。在第一和第二实施例中使用的相同的参考符号将用于第三和第四实施例，用来在功能上识别对应的元件或部分，这些将不作描述。

尽管按照第一和第二实施例中的每一个的设备使用可转动支撑的成形辊22A作为加压元件来执行旋压操作和摩擦焊接操作，按照第三和第四实施例中的每一个的设备使用形式为环形阵列的加压块22B的加压元件，这些加压块沿着与催化箱10的连接部分10b同心的圆排列。加压块22B同时在连接部分10b的径向上移动，更为精确的说，在径向向内和向外的方向上，这样当加压块22B在径向向外的方向上移动时，加压块22B的环形阵列与连接部分10b在整个圆周表面上同时发生压力接触，产生相当大的恒定接触压力。这是第一和第二实施例与第三和第四实施例之间的区别。

如图11所示，在第三和第四实施例中配置了作为加压元件的多个加压块22B，这样可以沿着催化箱10的连接部分10b的内圆周表面而共同提供一个外圆周表面。每个加压块22B在横截面上具有一个一般为扇形的形状，这样加压块22B阵列在横截面上具有一个圆形的形状，如图11所示。加压块22B具有各自的凸轮表面85，并通过夹持机构86进行支撑，这样加压块22B不能在轴向上移动，但是能够在径向上移动，从而所有的加压块22B能够共同提供一个锥形的内圆周表面。按照第三和第四实施例的每个设备包括一个径向驱动机构83，该机构包括：一个锥形凸轮元件87，能够在轴线方向上移动与每个加压块22B的凸轮表面87接触，以便在阵列的径向向外的方向上移动加压块22B；一个凸轮驱动器88，能够可操纵地在相反的轴线方向上沿轴线移动凸轮元件87；以及一个转动离合轴承89，该轴承配置在凸轮元件87和凸轮驱动器88之间，以便当催化箱10的连接部分10b被加压块22B的阵列在径向向外的方向上挤压时，阻止凸轮元件87的转动运动被传递到凸轮驱动器88上。通过控制凸轮驱动器88，可以控制凸轮元件87的轴向移动距离，从而控制每个加压块22B的挤压力和操作行程。正如图4中的例子所示，法兰元件11是一个环形元件，具有直径足够大的中心孔11b，以便允许催化箱10的连接部分10b插入其中。

在图10到12的实施例中，凸轮元件87是锥形的，这样其直径在凸轮驱动器88的一侧从自由端到固定端沿轴线方向上逐渐变小，亦即，在从图10和12中可见的向右方向上。然而，凸轮元件87的锥形可能是这样，其直径在上面提到的轴向上从自由端到固定端或者凸轮驱动器88逐渐增加。在这种情况下，每个加压块22B具有一个凸轮表面，该表面随着在凸轮元件的锥形表面逐渐变小。注意到按照图10和12的第三和第四实施例的每个设备还包括支撑在转轴61或者径向滑块53上的成形辊22A。成形辊22A(在图10和12中没有显示)用于在管状坯料10′上执行旋压操作。

在图10中所示的第三实施例中，催化箱10由旋转驱动装置20的转轴31的卡盘30夹持(在图1和2中显示)，而法兰元件11由法兰夹持装置21的卡盘35夹持，在法兰夹持装置21上提供用于夹持加压块22B的圆形阵列(作为加压元件)的夹持机构86和径向驱动机构83。

在图12中显示的第四实施例中，法兰元件11由支撑在旋转驱动装置25(在图5和6中显示)的转轴61上的法兰夹持装置60夹持，而催化箱10由坯料夹持装置26的卡盘80夹持，在坯料夹持装置26上提供用于夹持加压块22B的圆形阵列的夹持装置86。

然后，将描述使用如图10和12中所示构造的第三和第四实施例的设备制造中空产品的方法，该中空产品的形式为催化式排气净化器2。

在制造这些实施例的方法中，管状坯料10′要经过由可转动支撑的成形辊22A绕管状坯料10′的轴线转动而执行的旋压操作，以加工成催化箱10，该催化箱在它的两个相对的端部上包括锥形部分10c和连接部分10b，并用于放置催化剂载体。

在使用按照图10的第三实施例的设备的方法中，催化箱10由旋转驱动装置20的转轴31的卡盘30夹持，而法兰元件11由法兰夹持装置21的卡盘35夹持。在使用按照图12的第三实施例的设备的方法中，法兰元件11由支撑在旋转驱动装置25的转轴61上的法兰夹持装置60夹持，而催化箱10由坯料夹持装置26的卡盘80夹持。然后，催化箱10和法兰元件11在驱动电机32的驱动下相对彼此转动，加压块22B的圆形阵列位于催化箱10的一端的连接部分10b之内，并且催化箱10在轴向上移动，这样连接部分10b的自由端部分就布置在法兰元件11的中心孔11b之内。当检测到驱动电机32的驱动转矩达到预定值，操作凸轮驱动器86轴向移动凸轮元件87，这样在与加压块22B滑动接触的凸轮表面85的作用下，加压块22B沿着连接部分10b的径向向外移动。其结果是，催化箱10的连接部分10b被加压块22B的圆形阵列向着法兰元件11的中心孔11b的内圆周表面挤压，同时催化箱10和法兰元件11相对彼此转动，这样在它们之间产生摩擦热。当驱动电机32的驱动转矩和凸轮驱动器88的负载稳定在各自的预定值上时，可以确定在连接部分10b、11b之间的界面上产生了足够的摩擦热量。此时，凸轮驱动器88进一步操作以便在径向向外的方向上另外移动加压块22B一个距离，这就在界面上施加了一个墩锻的压力，而驱动电机32已经断电，因而催化箱10和法兰元件11在连接部分10b的外圆周表面和中心孔11b的内圆周表面上摩擦焊接在一起。如果有必要，按照上面描述的方式，催化箱10在另一端的连接部分10b上与另一个法兰元件摩擦焊接在一起。根据凸轮驱动器88的负载或者凸轮元件87的轴向操作行程，可以控制墩锻压力。

进一步参照图13，接着将描述使用按照如图10所示构造的设备，在一个双壁中空元件和一个法兰元件的连接处对其进行摩擦焊接的方法。

开始时，双壁管状坯料10′通过绕管状坯料10′的轴线转动并与双壁管状坯料10′保持辊压接触的成形辊22A执行旋压操作，以形成双壁催化箱10，该催化箱在其相对的两个端部上具有锥形部分10c和连接部分10b并包含催化剂载体。

然后，催化箱10由旋转驱动装置20的转轴31的卡盘30夹持，而法兰元件11由法兰夹持装置21的卡盘35夹持，如图1和2所示。加压块22B的阵列位于催化箱10的连接部分10b之内，操纵驱动电机32使催化箱10和法兰元件11相对彼此转动，而操纵轴向驱动器37将连接部分11b插入双壁催化箱10的连接部分10b的两层壁之间。然后，操纵径向驱动器23在法兰元件11的径向向内的方向上移动成形辊22A，同时操纵径向驱动机构83在连接部分10b的径向向外的方向上移动加压块22B，这样转动的催化箱10的连接部分10b的两层壁被成形辊22A和加压块22B压向插入两层壁之间的连接部分11b。其结果是，在催化箱10和法兰元件11相对彼此转动的过程中，由于连接部分10b的两层壁与连接部分11b的内外圆周表面之间的摩擦接触，在连接部分10b、11b之间产生摩擦热。当驱动电机32的驱动转矩和径向驱动机构23的驱动电机69以及凸轮驱动器83的负载稳定在预定值上时，可以确定在连接部分10b、11b的内外圆周表面上已经产生了合适的热量。此时，进一步操纵径向驱动机构23的驱动电机69和凸轮驱动器88，分别在连接部分10b、11b的径向向内和向外的方向上移动成形辊22A和加压块22B，以便在界面上施加一个墩锻压力，并且驱动电机32断电。其结果是，催化箱10和法兰元件11在催化箱一端的连接部分10b和法兰元件11的连接部分11b处摩擦焊接在一起。如果有必要，按照如上所述的相同方式，催化箱10在另一端的双壁连接部分10b处摩擦焊接在另一个法兰元件11的连接部分11b上。根据径向驱动机构23的电机69和凸轮驱动器88的负载或者拉杆67和凸轮元件87的轴向操作行程，可以控制墩锻压力。

参照图14，接着将描述使用如图12所示构造的设备，在双壁中空元件和法兰元件的连接部分上对其进行摩擦焊接的方法。这种方法中与上面参照图13所描述的方法中相同的方面将不再描述。

开始时，双壁管状坯料10′经过旋压操作，如上所述，以加工成在相对的端部上具有锥形部分10c和连接部分10b的双壁催化箱10，该催化箱还包含催化剂载体。

然后，法兰部分11由支撑在旋动驱动装置25的转轴61上的法兰夹持装置60夹持，而催化箱10由法兰夹持装置26的卡盘80夹持，如图5和6所示。然后，由法兰夹持装置60夹持的法兰元件11和加压块22B的阵列移动到转轴61之外，法兰元件11的连接部分11b插入由卡盘80夹持的双壁催化箱10的连接部分10b的两层壁之间，并且操纵驱动电机44在连接部分10b的轴向上移动轴向滑块43，以便将加压块22B阵列移入连接部分10b。在这种状态下，催化箱10和法兰元件11在驱动电机32的驱动下相对彼此转动，并且操纵径向驱动机构23在法兰元件11的径向向内的方向上移动成形辊22A，同时操纵径向驱动机构83在径向向外的方向上移动加压块22B，这样催化箱10的双壁连接部分10b的两层壁被成形辊22A和加压块22B挤向插入两层壁之间的连接部分11b。其结果是，在催化箱10和法兰元件11转动的过程中，由于连接部分10b的两层壁和连接部分11b的内外圆周表面之间的摩擦接触，在连接部分10b、11b之间产生了摩擦热。当确定在连接部分10b、11b的内外圆周表面的界面之间产生了适当的摩擦热量，进一步操作径向驱动机构23的驱动电机69和凸轮驱动器88以在界面上施加一个墩锻压力，并且驱动电机32断电。其结果是，催化箱10和法兰元件11在连接部分10b、11b处摩擦焊接在一起。

在上文中参照图13和14所描述的制造形式为催化式排气净化器2的中空产品的方法中，另一个元件(法兰元件11)的连接部分在整个圆周上摩擦焊接到双壁中空元件(双壁催化箱10)的两层壁上，在该中空元件中插入上面指出的连接部分，该方法中毛刺的产生量得以降低，导致中空产品外观的改善，而且当使用在流体运输系统中时，可以避免通过中空产品的连接法兰部分时发生流体泄漏，并且提高了通过流体运输系统的流体流动和运输的效率。