汽车大梁制造工艺过程设计

汽车大梁制造工艺过程设计[20191208103512]
摘 要
汽车大梁是整个汽车的支撑结构,汽车的发动机、悬架系统、车身等重要部分都依靠它组成一个整体,而且大梁还决定着其他零件的安装尺寸,要求有十足的强度和刚度,以承受汽车的负载和从车轮传来的冲击。汽车大梁为汽车本身和驾乘人员提供安全保障,这也使得本次研究具有重要意义。
本课题主要从冲压件加工工艺和组立焊接工艺来研究汽车大梁制造工艺过程的设计。冲压件的加工工艺设计,包括成形、折弯、冲孔、剪边、拉延等组立焊接工艺,有点焊接和二氧化碳保护焊接,并通过拔脱力实验检测焊点的强度,还要测量焊点的熔着径和焊道的熔入量。

关键字:汽车大梁冲压焊接强度
目 录
1. 绪论1
1.1 汽车大梁的国内外研究现状1
1.2 研究汽车大梁的目的和意义3
2. 冲压技术4
2.1冲压工艺4
2.2 冲压技术要求7
3. 焊接技术10
3.1焊接工艺10
3.2 焊接技术要求14
4. 焊点与焊道强度校核20
4.1破坏实验20
4.2 超音波实验23
全文总结26
参考文献27
致谢28
1.绪论
汽车大梁就是承载式车身头部的钢梁,汽车大梁也叫车身结构件,车身结构件不同于车身覆盖件(如车门、车顶、翼子板等),它暗藏在车体覆盖件之下,对车体起到支撑和抵抗撞击的作用。汽车大梁由不同厚度的钢板包围,如大梁本体、大梁盖板、引擎支架、水箱支架、加强板等,形成一个封闭的截面构造,不论是钢板的厚薄程度,还是材料的标准,或是其他物理的要求都有较高的标准,远远要比车身表面的覆盖件要求高,因为汽车大梁的刚度和吸收能量的能力与一辆汽车的安全性息息相关[15]。大梁一般是由厚度不同的钢材焊接而成的,这样便能在车身受到冲击时非常有效地吸收冲击产生的能量,形成溃缩吸能区,这不仅是为了减少车厢的物理变形,而且大大降低对乘车人员的身体伤害。随着汽车工业的不断发展与革新,现在出现一些大梁是非封闭的断面结构,它们一方面是为了轻量化汽车本身的重量,节约能源,另一方面则是为了承受特定方向上的力,进一步降低对乘车人员的危害,所以汽车大梁被设计成不同的形状以满足此要求。
1.1 汽车大梁的国内外研究现状
汽车大梁就是承载式车身头部的钢梁,本课题研究的也即是家用轿车发动机机舱钢梁的制造工艺。
现代汽车按照车身受力方式的不同分为承载式车身汽车和非承载式车身汽车[9]。下面我来简单谈谈非承载式车身和承载式车身的区别,随着汽车工业的进步,承载式车身以它优越的性能逐步取代了非承载式车身。现在人们的生活中,接触的非承载式车身车型的机会非常少,因为非承载式车身如今多用于大型卡车和专业越野车等,生活中常用的小汽车、面包车基本都采用承载式车身。采用非承载式车身的汽车有质量较大的刚性车架,也就是位于底盘的汽车大梁架。汽车大梁架呈现出矩形的形状或者是梯形的形状,它位于汽车车身的底部,不借助专门的设备是看不到的。非承载式车身结构作为底盘的一种形式在汽车发展史上有着重要地位,这几乎厮早期汽车所采用的唯一结构。但随着时代的发展,非承载式车身的缺点逐渐显露出来,其中之一便是重量大,车架本身就很重,而车身和车架又是两个独立的部件,因而整体质量就更大了,这不仅耗用更多的钢材,而且耗用更多的燃料,制造成本和使用成本都相对较高[9]。非承载式车身还有一个缺点,那就是车辆重心太高,这样汽车会相对不安全。针对不同用途的汽车,非承载式车身的问题就更明显了。比如将非承载用在家用轿车上,车身重量明显太大,使油耗过高,增加使用成本。因而独立的刚性车架逐步退出非承载式车身结构,整个的车身慢慢形成一个单体结构,这也就是现在被广泛采用的承载式车身。承载式车身几乎完全弥补了非承载式车身的不足,它重量轻,整车重心低,车厢空间大,空间利用率高。在家用轿车领域代替非承载式车身结构也是大势所趋,所以承载式车身成为现代轿车的主流[9]。但是承载式车身也有不足之处,比如开发制造难度高,比如刚度(尤其是抗扭刚度)不足。
下面我们就说说轿车车头处的钢梁,即我们通常所说的汽车大梁。汽车大梁也叫车身结构件,车身结构件不同于车身覆盖件(如车门、车顶、翼子板等),它暗藏在车身覆盖件的下面,对车身起到支撑和抗冲击的效用[1]。打开引擎舱的机盖,我们可以看到发动机、变速箱、电瓶、水箱、散热器等等都直接或间接地安装在大梁上,大梁不仅承载着决这些部件的质量,同时也决定着它们的安装位置。
图1-1 汽车前大梁(左)
图1-2 汽车前大梁(右)
随着科学地不断发展,汽车技术的不断进步,汽车大梁的形式也在逐渐改变。现在针对一些高端商务用车,汽车大梁还增设了延伸梁的部分。延伸梁就是车头钢梁的加长部分,它不能单独成为汽车大梁。延伸梁与车头处钢梁共同组成汽车实际意义上的大梁,并与挡泥板焊接在一起,不仅提高了车身的承载能力,也一定程度上提高车身的刚性,使车辆更安全可靠。
图1-3 汽车大梁的安装位置
不仅于此,现在一种新型的无需涂装的材质正在被开发。这种材料表面不再是简单的镀锌层或镀铝层,它在不涂装的情况下完全可以满足抗氧化的要求。若将这样的材料应用在汽车前大梁上,不仅可以大大降低汽车的制造成本,而且更加环保,符合我国走可持续道路的方针。
1.2 研究汽车大梁的目的和意义
汽车大梁是整个汽车的支撑结构,汽车的发动机、悬架系统、车身等部分都依靠它组成一个整体,而且大梁还决定着其他零件的安装尺寸,具有十足的强度和刚度以承受汽车的载重和从车轮传来的冲击[1]。汽车大梁为汽车本身和驾乘人员提供安全保障,这也使得本次研究具有重要意义。
汽车大梁如果发生变形或安装位置的细微偏移,都有可能造成行车时四轮方向的晃动,或者轮胎偏磨等,影响行车安全。本设计即重在研究如何提高汽车大梁的可靠性和稳定性,提高汽车的安装精度,降低乘用人员的危险系数。同时,冲压成型这种制造方式十分高效,且综合性能较好,非常适合现代化的大批量生产,大大降低了汽车大梁的制造成本,提高了社会效率。
2.冲压技术
冲压加工是指借助专用冲压设备的动力,使材料在模具里受到外力并进行变形,从而获得一定形状、尺寸的加工技术。这类在冷态条件下进行的成型方法称为冷冲压,简称冲压。
2.1 冲压工艺
冲压件不仅可以快速地大批量生产,而且与铸件、锻件等比较,它不仅厚度较薄,而且质地较均匀,更值得一说的是冲压件质量轻,使用的材料少,刚度也较其他生产方式产生的工件强。其他生产方式不易制造的含有加强筋、肋、翻边的制造件,冲压都可制作出,这些都可以提高制作件的刚性。冲压采用精密的模具,不仅制作件精密度可以达微米级,而且重复精度高、规格几乎一致,可以冲压出孔、边、凸点等,成型工艺相对简单[2]。冷冲压件几乎可以独立成型,一般不需要再做其它方式的加工,部分仅需要少量的加工。
冲压是非常高效的生产方法,它可以连续生产,采用连续复合模,可在一台冲压机上单工位或多工位地完成多道冲压工序,不仅实现一次成型,而且完成从带料开卷、矫平到下料、成形、整形的全自动生产,期间几乎不需人力配合。不仅生产效率高,而且劳动条件好,生产成本低,一般每分钟产能可达生产数百件,甚至过千件[2]。基于冲压加在技术方面和经济方面的优势,它在制造行业的地位不可替代。
冲压工艺可分为分离工序和成形工序两大类。第一类,分离工序也称下料,使冲压工件沿一定轮廓线与板材分离,并满足分离断面的质量要求。第二类,成形工序。成形工序是使板材在不发生破损、开裂的条件下发生塑性变形,制成所需形状和尺寸的制作件。在实际生产过程中,一个工件常常要用到多种工序才能完成当初的设计要求,例如下料、折弯、剪边、拉伸、冲孔、整形、翻边是几种主要的冲压工艺。(见表2-1)
表2-1 常见冲压工艺
序号 名称 代号 工程定义及性质
1 剪断 SH 材料的切断加工
2 切断 CUT 将材料非成品部分切除加工
3 下料 BL 将材料与毛料以封闭的轮廓分离开
4 冲孔 PRC 制品的冲孔加工
5 切口 NOT 制品的边缘作缺口剪切加工
6 破孔 LA 不产生切削,而使工件成切口或凹痕的加工
7 剪边 TR 制品的边缘材料作剪切加工
8 弯曲 BD 由平的坯料制成弯曲
9 卷缘 CR 沿空心件外缘以一定半径弯曲成环状圆角
10 成形 FO 材料在上模板与下模板间施以凹凸形状的加工
11 拉伸 SEF 将工件拉伸,并覆盖到模具上,作出曲线形状
12 折弯 FL 制品边缘作竖立加工
13 整形 RST 将前工程的引伸件或成形件再作出正确尺寸加工
14 压印 CON 材料表面冲压下陷的雕刻加工
15 侧冲孔 C-PRC 在工件的侧面作冲孔加工
下面来介绍本课题所研究的汽车大梁部分冲压件的冲压工序和工艺。(见表2-2)
表2-2 冲压件工序
名称 工序 工艺代号 简图
冲压件1 1 BL+PRC
2 FO
3 FL
4 PRC
冲压件2 1 BL
2 FL
3 FL
冲压件3 1 BL
2 FO+FL
3 FL
4 PRC
冲压件4 1 BL
2 FO
3 PRC
冲压件5 1 BL
2 FO+FL
3 FL
4 PRC
5 PRC
冲压件6 1 BL
2 FO
3 FO
4 TR+PRC
2.2 冲压技术要求
冲压件在生产过程中具有以下技术要求:
⑴ 形状和尺寸:冲压件的形状和尺寸要与当初设计的冲压件产品图一致,并符合技术条件;
⑵ 表面质量:经过冲压成型的冲压件表面状况要与所用的板材表面状况一致。在成形的过程中允许有轻微的拉伤和小面积的表面不平,但不得影响下道工序及总体的质量;
⑶ 毛刺:经过下料成型等工序的冲压件一般都无法避免地产生毛刺。毛刺的高度要符合EQY—85—88《冲压件毛刺高度》的规定;
⑷ 冲切面:冲切面的状况没有太大影响,所以一般情况不作规定;
⑸ 热处理:冲压件在冲压成形后,一般不进行热处理;
此外,冲压件还要满足防锈的要求。
下面通过本课题所研究的大梁来了解冲压技术要求的具体应用。(见表2-3)
表2-3 冲压件检测标准
名称 冲压件1  
工程名 1/4 BL+PRC
品质检验 无生锈
无毛刺
冲孔数2个
设定模高 458.8mm
送料尺寸 274mm
送料速度 20mm/s
名称 冲压件1
工程名 2/4 FO
品质检验 不可皱褶
不可拉伤
设定模高 641mm
送料尺寸 /
送料速度 /
名称 冲压件1
工程名 3/4 FL
品质检验 不可拉伤
设定模高 602.7mm
送料尺寸 /
送料速度 /
名称 冲压件1
工程名 4/4 PRC
品质检验 冲孔数3个
不可有毛刺
设定模高 637mm
送料尺寸 /
送料速度 /
冲压的工序有分为连续生产和非连续生产,一般只有部分下料工序用到连续生产,连续生产时冲床以一定的速度从上止点运动到下止点,再从下止点运动到上止点,这样往复运动,且要送料机和整平机的合理配合。连续模具并不是将料片一次成型,而是逐步成型,最后将料片脱落下来。连续生产与非连续生产相比要复杂的多,初期投入也更多,但是连续生产不仅效率高出很多倍,而且大大降低操作人员的劳动强度,生产效益大大提高。
3.焊接技术
焊接即一种加工工艺和连接方式,通过使用设备直接或间接加热、夹具加压,或同时使用设备加热和夹具加压的方式,促使性质相同或者性质异性的两种工件产生原子间的结合。焊接应用广泛,同时运用于金属和非金属领域。
3.1 焊接工艺
焊接技术主要应用在金属原材料上,常见的焊接方法有氩弧焊、电弧焊、二氧化碳保护焊、氧气-乙炔焊、激光焊等多种,非金属材料也可进行焊接[14]。金属焊接方法多达40几种,主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。本课题所研究的大梁主要采用压焊和二氧化碳保护焊两种方法。
压焊是在加压条件下,使两制作件在物理状态条件不变的情况下实现原子间的结合,这种焊接又称固态焊。常用的压焊就是电阻焊接,当电流通过两制作件的搭接点时,该处因为通入电阻较大而升温,当加热到两制作片部分融化时,再加轴向的力使其连接成一个整体。
二氧化碳气体保护焊接技术是一种电弧焊,它以可熔化的铜焊丝作为电极,并用二氧化碳气体作为保护,是焊接有色金属的重要焊接方式。焊穿二氧化碳气体穿透能力强,焊接电流密度较大,产生的变形小,生产效率较高。而且二氧化碳气体便宜,焊前对工件的洁净度要求不高,焊接成本较低。焊缝抗锈能力更强,含氢量更低,冷却后裂纹倾向更小。但是二氧化碳保护焊在焊工件时会蹦出很多火星,那是融化的铁屑,尤其是在熔接条件设定不匹配时。二氧化碳保护焊也不好焊易氧化的金属物质,因为它产生的火花会随风飞溅。 焊接产生的弧光强,必须注意弧光辐射对人体产生的影响。

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