汽車(chē)推力桿熱鉚接質(zhì)量控制及工藝設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

楊成龍，馮再新，舒睿昶

（中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051）

汽車(chē)推力桿是空氣懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的重要零件之一，承受車(chē)身橫向和縱向兩方面的載荷以及汽車(chē)在不同路況上復(fù)雜的扭矩，能夠定位車(chē)橋之間以及車(chē)橋和車(chē)架之間的相對(duì)位置，提高車(chē)輛橫向的穩(wěn)定性，推力桿強(qiáng)度的好壞直接影響到汽車(chē)行駛過(guò)程中的安全性[1]。熱鉚接是推力桿連接方式的一種。鉚接過(guò)程中容易出現(xiàn)球頭軸與套管貼合不良的情況，這是由于鉚接工藝精度不夠而致，會(huì)導(dǎo)致推力桿在實(shí)際工作過(guò)程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、滑移現(xiàn)象。

早期已有很多學(xué)者對(duì)推力桿熱鉚接工藝進(jìn)行研究，但在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)理論分析得到的物理模型和經(jīng)驗(yàn)公式會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件以及經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用條件等多種因素限制，對(duì)提高鉚接質(zhì)量有很大影響，且實(shí)驗(yàn)成本較高。有限元分析法的引入對(duì)解決熱鉚接問(wèn)題提供了有利條件[2]。本文從熱鉚接研究方法以及工藝參數(shù)方面綜述了近年來(lái)對(duì)推力桿熱鉚接質(zhì)量控制和工藝優(yōu)化方法，從熱鉚接工藝參數(shù)的精度控制以及實(shí)驗(yàn)方法方面分析了目前推力桿熱鉚接質(zhì)量?jī)?yōu)化的發(fā)展方向。

1 推力桿連接方式和熱鉚接工藝

推力桿的連接方式主要分為螺紋連接、焊接和熱鉚接。早期使用螺紋連接是為了方便調(diào)節(jié)桿部長(zhǎng)度，但由于受螺紋加工工藝制約，會(huì)出現(xiàn)螺紋滑絲、松動(dòng)以及螺紋斷裂等問(wèn)題，不適合批量生產(chǎn)。張俊榮、廖勇[3]等通過(guò)使用相位摩擦焊接工藝試制了汽車(chē)推力桿，該工藝具有生產(chǎn)效率高、焊接表面不易氧化、產(chǎn)品質(zhì)量一致性好、制造成本低等特點(diǎn)。李建林[4]等通過(guò)熱鉚接方法將推力桿球頭和套管壓合，該工藝既能滿足推力桿組裝強(qiáng)度，具有一致性好、穩(wěn)定性高、生產(chǎn)效率高、可有效縮短生產(chǎn)周期等特點(diǎn)，在高級(jí)客車(chē)、重型載重汽車(chē)上的推力桿組裝上得到了廣泛應(yīng)用。

推力桿熱鉚接是根據(jù)球頭軸波紋咬合尺寸制成專(zhuān)用模具通過(guò)壓力機(jī)使套管和球頭緊密?chē)Ш?，如圖1所示，1a為專(zhuān)用壓制模具，1b為需要加熱的套管，1c為具有特制波紋的球頭軸。最終通過(guò)壓力機(jī)加壓完成鉚接，模具零件裝配后如1d所示。

圖1 熱鉚接模具及零件示意

2 推力桿熱鉚接工藝控制

推力桿在熱鉚接過(guò)程中，對(duì)球頭軸的波紋數(shù)量、波紋尺寸、套管內(nèi)外徑尺寸、加熱溫度以及壓力機(jī)壓力等參數(shù)精度要求比較高，在熱鉚接擠壓完成后，套管內(nèi)外徑在空氣中冷卻過(guò)程中都發(fā)生收縮，會(huì)對(duì)球頭產(chǎn)生正壓力，力的大小取決于球頭和套管之間的摩擦系數(shù)和接觸面積[5]，所以波紋尺寸、鉚接溫度以及冷卻后收縮變形量的精確控制對(duì)于推力桿熱鉚接來(lái)說(shuō)是質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

2.1 物理建模分析

很多學(xué)者已經(jīng)對(duì)推力桿熱鉚接參數(shù)進(jìn)行過(guò)理論推導(dǎo)。鄧勇[6]等對(duì)熱鉚接完成后的物理分析進(jìn)行了不同程度的研究，以理論力學(xué)的方法分析熱鉚接完成后波紋數(shù)量n、波紋尺寸D、d（圖2）以及球頭桿部和套管接觸面積之間的相互關(guān)系。這種方法簡(jiǎn)單，只能粗略計(jì)算出波紋大概的數(shù)量，且鉚接完成后套管內(nèi)外徑的收縮量不易精確控制，導(dǎo)致套管對(duì)球頭桿部的抱緊力計(jì)算與實(shí)際情況有很大差別。同時(shí)，這種方法可以與實(shí)驗(yàn)、有限元數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證模擬的可靠性。

圖2 套管與球頭貼合示意

2.2 有限元數(shù)值模擬分析

有限元技術(shù)在推力桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)計(jì)、仿真方面得到了廣泛應(yīng)用[7]。目前常用的對(duì)推力桿總成分析的 CAE 模擬軟件有 ABAQUS、Hyperworks、ADAMS、ANSYS等[8]，采用有限元法對(duì)推力桿總成進(jìn)行建模，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化以及幾何清理，有利于網(wǎng)格的劃分且容易保證網(wǎng)格質(zhì)量，可以高度自動(dòng)化地得到所需實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]，有效避免了傳統(tǒng)物理建模分析的復(fù)雜性。此外，有限元分析法的實(shí)際工作特性在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到了充分體現(xiàn)，能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)所要求的不同材料、不同結(jié)構(gòu)以及不同工作環(huán)境來(lái)設(shè)置合理的邊界條件、材料屬性以及載荷的施加[10]。推力桿熱鉚接中，鉚接貼合狀況與球頭桿部波紋尺寸、數(shù)量、精度以及套管內(nèi)外徑的收縮量有關(guān)，所以會(huì)受到模擬方法、模擬精度的影響。

一般通過(guò)Pro/E建模并且調(diào)整模擬前本構(gòu)模型的尺寸，然后讀入到CAE模擬軟件中。也可以直接在分析軟件（ABAQUS,ANYSY）[11]中建模并分析。判斷鉚接貼合狀況是否良好，可以直接觀察熱鉚接完成后模型剖面的鉚接情況，并結(jié)合軟件得出的數(shù)據(jù)來(lái)具體分析。江洪[12]等借助于ANSYS Workbench的雙向同步傳輸功能，建立與Pro/E模型參數(shù)同步更新的ANSYS有限元模型，結(jié)合DesignXplorer/TV模塊對(duì)采用不同方案鉚接完成后的推力桿進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果分析，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。張俊榮、曾晶晶[2][13]等使用ABAQUS分析了套管最大應(yīng)力位置，優(yōu)化了套管內(nèi)外徑尺寸。張紅紅[14]等通過(guò)ADAMS與ABAQUS聯(lián)合，對(duì)客車(chē)推力桿進(jìn)行仿真以及模態(tài)分析得到桿部承受動(dòng)態(tài)載荷的重要參數(shù)。在計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程中雖然考慮了對(duì)波紋數(shù)量、尺寸以及套管的內(nèi)外徑對(duì)鉚接強(qiáng)度的影響，但是忽略了鉚接過(guò)程中溫度變化以及模擬時(shí)間和模擬精度對(duì)鉚接狀況的影響。

2.3 鉚接溫度的控制

鉚接溫度的控制在推力桿熱鉚接過(guò)程中是很重要的，可以認(rèn)為是一種鍛造的熱加工。鉚接溫度的大小直接影響到鉚接后推力桿桿部的抗扭轉(zhuǎn)力矩，加熱溫度增加導(dǎo)致抗扭轉(zhuǎn)力矩的相對(duì)提高，又由于推力桿材料的限制，加熱后套管組織性能會(huì)發(fā)生很大變化，加熱溫度不能過(guò)高，否則金屬組織會(huì)產(chǎn)生粗大晶粒，甚至發(fā)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象[15]。溫度也不能過(guò)低，否則會(huì)產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，破壞鋼的機(jī)械性能，最終在擠壓過(guò)程中發(fā)生破裂，所以鉚接溫度必須控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。鉚接過(guò)程中溫度變化最大的三個(gè)階段為：套管加熱階段、加熱后在空氣中溫度變化階段、鉚接時(shí)溫度變化階段。每次溫度變化都會(huì)產(chǎn)生體積變化，鉚接過(guò)程中，加熱后的套管會(huì)不斷向球頭以及四周輻射傳熱，從而導(dǎo)致球頭桿部線性尺寸增大，套管線性尺寸減小，套管與球頭之間形成越來(lái)越大的貼合力。李建林[3]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)某推力桿使用20鋼套管鉚接，實(shí)驗(yàn)得出熱鉚接加熱速率以及材料再結(jié)晶溫度，分析了鉚接后的金相圖，確定出套管的加熱溫度。張俊榮[16]等通過(guò)使用ABAQUS對(duì)Q345C套管和45鋼套管進(jìn)行鉚接模擬得出了鉚接溫度以及優(yōu)化后的熱處理方式。這種方法雖然能找出比較實(shí)際的鉚接溫度，但相對(duì)于模擬，實(shí)驗(yàn)成本較高且周期較長(zhǎng)。

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證方法分析

推力桿熱鉚接的工藝過(guò)程較為復(fù)雜，涉及到很多工藝特點(diǎn)，推力桿斷裂事件也時(shí)有發(fā)生，所以必須通過(guò)理論分析和大量的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證推力桿的鉚接部位是否合格。一般是將鉚接好的推力桿安裝在客車(chē)或重載客車(chē)上，經(jīng)過(guò)實(shí)際道路試驗(yàn)后觀察車(chē)輛在行駛過(guò)程中是否發(fā)生推力桿扭曲、滑移或者斷裂現(xiàn)象[17]。李建林[18]等將隨機(jī)抽取的6根熱鉚接推力桿經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)、拉壓試驗(yàn)來(lái)觀察是否產(chǎn)生滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)，并且將組裝好的推力桿安裝在重型客車(chē)上，經(jīng)過(guò)50km的實(shí)際試驗(yàn)后觀察，未發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和滑移。此外，鉚接推力桿安裝在新車(chē)上在運(yùn)輸過(guò)程中也要注意固定方式，以免對(duì)推力桿產(chǎn)生運(yùn)輸過(guò)程中的疲勞受損。白培謙[19]對(duì)某重型自卸車(chē)推力桿斷裂事故使用微觀斷口、化學(xué)成分進(jìn)行了分析，指出在新車(chē)運(yùn)輸過(guò)程中要固定后橋，從而避免后橋懸空震動(dòng)導(dǎo)致相關(guān)零件損壞。

3 結(jié)束語(yǔ)

推力桿熱鉚接工藝的質(zhì)量控制直接關(guān)系到推力桿穩(wěn)定性和安全性，精確控制鉚接工藝中的各項(xiàng)參數(shù)一直是熱鉚接過(guò)程中的難點(diǎn)，近年來(lái)各國(guó)學(xué)者針對(duì)這一研究取得了較大進(jìn)展，也產(chǎn)生了很多研究成果[20]。目前，隨著空氣懸架汽車(chē)和重載貨車(chē)的快速發(fā)展，熱鉚接推力桿得到廣泛應(yīng)用，但新問(wèn)題也隨之出現(xiàn)?？傮w來(lái)說(shuō)，仍需從以下幾方面進(jìn)行深入研究：

（1）數(shù)值模擬方法在熱鉚接過(guò)程中其溫度控制的精確度還不夠高，這會(huì)影響到后續(xù)對(duì)組織性能以及鉚接壓力的分析，有待找出一種對(duì)鉚接溫度精確控制且較為系統(tǒng)的數(shù)值模擬方法，加快試驗(yàn)進(jìn)程。

（2）目前對(duì)套管內(nèi)外徑的精度控制已經(jīng)得到重大突破，但對(duì)不同材料套管的內(nèi)外徑在加熱后的收縮量控制仍是薄弱環(huán)節(jié)，它直接影響到鉚接完成后對(duì)球頭軸貼合力的大小，有待進(jìn)一步研究。

（3）鉚接完成后會(huì)產(chǎn)生球頭桿和套管貼合不良的現(xiàn)象，這是由于受到球頭軸波紋尺寸、波紋數(shù)量、鉚接溫度的影響，所以溫度的控制和推力桿的尺寸參數(shù)必須相互配合，需要結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析以及大量的試驗(yàn)驗(yàn)證綜合進(jìn)行。

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