“U”形橫梁生產(chǎn)工藝及其發(fā)展

文／羅付國(guó)·東風(fēng)商用車(chē)有限公司車(chē)輛工廠

導(dǎo) 語(yǔ)

針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)“U”形橫梁多品種、小批量、快速低成本生產(chǎn)的課題，本文通過(guò)橫梁結(jié)構(gòu)特征的分析和橫梁生產(chǎn)工藝的發(fā)展現(xiàn)狀與對(duì)比，提出了應(yīng)用數(shù)控柔性化生產(chǎn)工藝解決課題的方案，并總結(jié)了三種橫梁生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)和優(yōu)劣，及其所適合的生產(chǎn)模式。最后，提出了要從研發(fā)開(kāi)始進(jìn)行橫梁標(biāo)準(zhǔn)化，以從根本上解決本課題的建設(shè)性意見(jiàn)。

引言橫梁是卡車(chē)車(chē)架重要的組成零部件，車(chē)架就是通過(guò)若干根橫梁用鉚接法或焊接法將兩根縱梁連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架。橫梁不僅用來(lái)連接左右縱梁保證車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度和承受縱向載荷，而且還可以支撐安裝在汽車(chē)底盤(pán)上的其他零部件，如：傳動(dòng)軸吊架、貯氣筒、各類(lèi)管閥等等。根據(jù)截面形狀，橫梁主要有“U”形、“Z”形、“工”字形、箱形等幾種結(jié)構(gòu)形式。其中“U”形橫梁不僅能滿足車(chē)架的扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度的要求，而且生產(chǎn)工藝相比其他幾種形式的橫梁要更加簡(jiǎn)單，同時(shí)與縱梁等其他零部件的裝配緊固，比其他幾種形式的橫梁更為方便，因此車(chē)架橫梁通常采用“U”形結(jié)構(gòu)（圖1）?！癠”形橫梁雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于其在車(chē)架不同位置以及裝配不同零部件的需要，其開(kāi)口、孔位以及外形尺寸均不同，同時(shí)這些尺寸隨著車(chē)形的變化而變化，車(chē)形越多橫梁的品種也越多。隨著卡車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，卡車(chē)行業(yè)正逐步形成個(gè)性化細(xì)分設(shè)計(jì)、快速小批量生產(chǎn)模式，以滿足客需求。因此，如何實(shí)現(xiàn)橫梁多品種、小批量、快速低成本生產(chǎn)，是橫梁生產(chǎn)工藝要解決的課題。

“U”形橫梁的結(jié)構(gòu)特征及其技術(shù)要求

“U”形橫梁通常設(shè)計(jì)成直線形，材料根據(jù)其功能主要選用料厚3～8mm，抗拉強(qiáng)度370～700MPa的低合金高強(qiáng)度熱軋中厚鋼板。其結(jié)構(gòu)分為腹面和上、下翼面。腹面上設(shè)計(jì)布置有不同孔徑的孔，大孔主要為減重孔和各類(lèi)管線的通過(guò)孔，小孔為裝配各類(lèi)管閥等零部件的裝配組孔。上、下翼面上設(shè)計(jì)布置與縱梁連接的裝配組孔以及在橫梁本體上裝配傳動(dòng)軸吊架、各類(lèi)管閥等組孔，為了避讓底盤(pán)裝配空間和減重的需要，部分橫梁的上、下翼面設(shè)計(jì)有弧形缺口。為了便于底盤(pán)各類(lèi)管、線的通過(guò)，橫梁的兩端通常設(shè)計(jì)半圓形或矩形缺口，如圖1所示。

圖1 “U”形狀橫梁

為了滿足車(chē)架裝配和底盤(pán)性能的要求，“U”形橫梁裝配孔位的精度要求控制在±0.3mm以內(nèi)，大孔及相關(guān)缺口等外形尺寸精度控制在±1mm以內(nèi)。如圖2所示，與車(chē)架及底盤(pán)裝配強(qiáng)相關(guān)的橫梁根部開(kāi)口尺寸A，頂部開(kāi)口尺寸B，腹面D范圍內(nèi)的平面度F的公差要求控制在A-1-2mm、B0-1mm、F≤0.4mm以內(nèi)，否則會(huì)影響車(chē)架及底盤(pán)裝配質(zhì)量。

圖2 “U”形狀橫梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳統(tǒng)的“U”形橫梁生產(chǎn)工藝

根據(jù)“U”形橫梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝采用模具生產(chǎn)工藝，通常有兩道工序：落料沖孔（沖裁外形并沖孔）和壓彎成形。如圖3所示，此生產(chǎn)工藝需要裝備4000kN、6300kN、8000kN、10000kN、12500kN等工作臺(tái)面較大的中大形壓力機(jī)，既可以是液壓機(jī)，也可以是機(jī)械式壓力機(jī)。一般液壓機(jī)多用于壓彎成形，機(jī)械式壓力機(jī)多用于落料沖孔。同時(shí)，還必須配備如圖4所示的落料沖孔模和壓彎成形模，不同品種的橫梁使用不同的模具，品種越多模具數(shù)量也越多。該工藝生產(chǎn)節(jié)拍快效率高，但是模具的投入費(fèi)用較大，模具的設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月，因此只適合少品種大批量的生產(chǎn)方式。對(duì)于年產(chǎn)量少于5000件的多品種小批量的生產(chǎn)方式，使用該生產(chǎn)工藝需要花費(fèi)較高設(shè)備工裝成本和較長(zhǎng)生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，容易錯(cuò)失市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

圖3 E1S-1250壓力機(jī)群

圖4 落料沖孔模

傳統(tǒng)的手工鈑金工藝能實(shí)現(xiàn)橫梁多品種小批量的生產(chǎn)方式，其工藝通常包括：切割外形→打磨→鉆孔→折彎。此手工工藝只需要割槍、手持砂輪機(jī)、如圖5所示的鉆床、如圖6所示的折彎?rùn)C(jī)、鉆模板等簡(jiǎn)單設(shè)備工裝即可，因此所需的設(shè)備工裝成本低。但是，在小批量生產(chǎn)的條件下，存在生產(chǎn)節(jié)拍長(zhǎng)、生產(chǎn)效率低，孔位精度、折彎的開(kāi)口尺寸、切割的外觀質(zhì)量不穩(wěn)定，廢品率高等問(wèn)題。因此，該生產(chǎn)工藝只適合極少量的橫梁試制，不適合量產(chǎn)。

圖5 鉆床鉆孔

圖6 折彎?rùn)C(jī)折彎

數(shù)控柔性化“U”形橫梁生產(chǎn)工藝的應(yīng)用

隨著激光和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用，使“U”形橫梁的生產(chǎn)工藝進(jìn)一步發(fā)展，形成了激光切割、數(shù)控沖孔、模具壓彎成形相結(jié)合的一種新的數(shù)控柔性化橫梁生產(chǎn)工藝。其工序?yàn)椋簲?shù)控激光切割外形→數(shù)控沖孔→模具壓彎成形。該工藝采用如圖7所示的數(shù)控激光切割機(jī)切割橫梁的外形和大孔，采用如圖8所示的數(shù)控平板沖進(jìn)行橫梁的孔加工，采用如圖9所示的一套通用壓彎模通過(guò)對(duì)凸、凹模鑲塊加減墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)不同開(kāi)口尺寸的“U”形壓彎。采用數(shù)控激光切割不僅橫梁的外形尺寸得以保證，切割的斷面外觀質(zhì)量高且無(wú)切割瘤，可消除打磨工序。數(shù)控平板沖使橫梁的裝配孔加工精度與模具沖孔精度相當(dāng)，雖然節(jié)拍比模具沖孔慢，但是能省去大量的模具費(fèi)用。該工藝比傳統(tǒng)的手工鈑金工藝質(zhì)量更穩(wěn)定，雖然設(shè)備工裝成本比手工工藝高，但其生產(chǎn)節(jié)拍快效率更高。與傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)工藝相比較，質(zhì)量保證方面相當(dāng)，雖然節(jié)拍比模具生產(chǎn)慢，但節(jié)省了大量的工裝模具成本，也極大的縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。綜合來(lái)看，該柔性化生產(chǎn)工藝非常適合“U”形橫梁多品種小批量的生產(chǎn)方式，更適應(yīng)當(dāng)前瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)形勢(shì)。

圖7 數(shù)控激光切割

圖8 小型數(shù)控平板沖

圖9 通用壓彎模

近年來(lái)，越來(lái)越多的新材料得到廣泛應(yīng)用，一種合金狀態(tài)6082-T6的鋁合金材料代替中厚鋼板應(yīng)用到“U”形橫梁生產(chǎn)中，目前該材料已在部分不受載荷的尾橫梁中得到試用，如圖10所示。該橫梁采用擠壓工藝進(jìn)行成形，成功地解決了“U”形橫梁成形柔性化和模具壓彎中的回彈和扭曲質(zhì)量問(wèn)題。但其孔加工采用模具沖孔工藝以保證孔位精度，由于是已成形的“U”形橫梁進(jìn)行模具沖孔，需要2套模具分別沖腹面和翼面的孔。這就又回到了傳統(tǒng)模具生產(chǎn)工藝的劣勢(shì)中，不過(guò)目前公司正在研發(fā)小截面“U”形三面數(shù)控沖孔設(shè)備，一旦研發(fā)成功，“U”形橫梁的生產(chǎn)工藝將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

圖10 鋁合金擠壓成形的尾橫梁

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控柔性化橫梁生產(chǎn)工藝的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了橫梁多品種、小批量、快速低成本生產(chǎn)，其實(shí)質(zhì)是解決目前公司車(chē)型多造成橫梁品種多的問(wèn)題。只要橫梁品種減少就能實(shí)現(xiàn)少品種大批量生產(chǎn)方式，就能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期降低生產(chǎn)成本。這就需要公司研發(fā)部門(mén)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)考慮橫梁品種繁多的問(wèn)題。公司研發(fā)部門(mén)需推進(jìn)橫梁標(biāo)準(zhǔn)化模塊化，根據(jù)橫梁在車(chē)架裝配的位置及其所承載的功能，將橫梁模塊化為若干標(biāo)準(zhǔn)品種，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)車(chē)型需求按需選取，從根本上減少橫梁品種，達(dá)成縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間降低生產(chǎn)成本的目的。