汽車(chē)結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)探討

冷鴻彬 羅森僑

摘 要：汽車(chē)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)除了考慮結(jié)構(gòu)、材料之外，結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)也是非常重要的，在保證結(jié)構(gòu)件整體強(qiáng)度及性能要求外，還需考慮零件的制造工藝、加工精度及制造成本等因素。汽車(chē)零件的工藝設(shè)計(jì)包括零件制造工藝，如沖壓、鑄造、機(jī)加、熱處理等，還包括加工過(guò)程中基準(zhǔn)的選擇、公差的設(shè)計(jì)等過(guò)程。本文對(duì)結(jié)構(gòu)件的主要制造工藝進(jìn)行了介紹，并對(duì)制造過(guò)程中的基準(zhǔn)選擇、常用工藝關(guān)重點(diǎn)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)結(jié)構(gòu)件 工藝設(shè)計(jì) 公差設(shè)計(jì)

Abstract：In addition to considering the structure and materials， the process design of automobile structural parts is also very important. In addition to ensuring the overall strength and performance requirements of structural parts， the manufacturing process， machining accuracy and manufacturing cost of parts should also be considered. The process design of automobile parts includes the manufacturing process of parts， such as stamping， casting， machining， heat treatment， as well as the selection of datum and the design of tolerance in the processing process. This paper introduces the main manufacturing processes of structural parts， and discusses the benchmark selection and common process key points in the manufacturing process.

Key words：automotive structural parts， process design， tolerance design

1 前言

汽車(chē)結(jié)構(gòu)件是保持汽車(chē)整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性，提供舒適性和操控性的重要零部件。在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，由于結(jié)構(gòu)件零件數(shù)量多，其搭建關(guān)系較為復(fù)雜等原因，成為汽車(chē)車(chē)身精度、強(qiáng)度以及整車(chē)開(kāi)發(fā)成本的重要影響因素[1]。

汽車(chē)結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷改進(jìn)和優(yōu)化的過(guò)程，其中結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)關(guān)乎零件的可制造性和產(chǎn)品的整體成本。產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)具備一定的工藝經(jīng)驗(yàn)，且在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需與工藝工程師保持溝通和確認(rèn)，共同制定結(jié)構(gòu)件的工藝標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)構(gòu)件主要工藝介紹

汽車(chē)結(jié)構(gòu)件主要制造工藝包括沖壓、鑄造、鍛造等，按不同工藝制造的產(chǎn)品在成本、性能以及重量等方面也有差異。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，要同時(shí)兼顧成本、性能及重量，因此結(jié)構(gòu)件材料選定后應(yīng)考慮采用合理的制造工藝，常見(jiàn)工藝在成本、性能、重量方面的對(duì)比如表1：

其中前副車(chē)架、控制臂、后副車(chē)架等結(jié)構(gòu)件常采用沖壓工藝，鋁制材料常采用鑄造工藝，部分控制臂也采用鍛造工藝。

3 基準(zhǔn)的選取[2]-[3]

3.1 基準(zhǔn)分類(lèi)

基準(zhǔn)是機(jī)械制造中應(yīng)用十分廣泛的一個(gè)概念，機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)時(shí)零件尺寸的標(biāo)注，制造時(shí)工件的定位，校驗(yàn)時(shí)尺寸的測(cè)量，一直到裝配時(shí)零部件的的裝配位置確定等，都要用到基準(zhǔn)的概念?；鶞?zhǔn)是指用來(lái)確定零件上各部位幾何關(guān)系所依據(jù)的點(diǎn)、現(xiàn)、面。

基準(zhǔn)按功用分為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)兩類(lèi)：

1）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)：零部件在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的標(biāo)磚，稱(chēng)為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可以在工程圖紙上體現(xiàn);

2）工藝基準(zhǔn)：零件在加工、測(cè)量、裝配過(guò)程中采用的基準(zhǔn)都稱(chēng)為工藝基準(zhǔn)。其中在加工時(shí)用于工件定位的基準(zhǔn)，稱(chēng)為定位基準(zhǔn);在加工中或加工后用來(lái)測(cè)量工件的形狀、位置和尺寸誤差所采用的基準(zhǔn)，稱(chēng)為測(cè)量基準(zhǔn);在裝配時(shí)用來(lái)確定零件或部件在產(chǎn)品中的相對(duì)位置所采用的基準(zhǔn)，稱(chēng)為裝配基準(zhǔn)。

按重要性可分為主要基準(zhǔn)和輔助基準(zhǔn)：

1）主要基準(zhǔn)：決定零件主要尺寸的基準(zhǔn);

2）輔助基準(zhǔn)：為了便于加工和測(cè)量而附加的基準(zhǔn)。

按幾何形式可分為：面基準(zhǔn)、線基準(zhǔn)、點(diǎn)基準(zhǔn)：

1）面基準(zhǔn)：零件上某個(gè)平面（底面、端面、對(duì)稱(chēng)平面）;

2）線基準(zhǔn)：零件上的一條線（包括回轉(zhuǎn)軸線）;

3）點(diǎn)基準(zhǔn)：零件上選取的一個(gè)點(diǎn)（包括球心、定點(diǎn)等）。

3.2 基準(zhǔn)選取的原則

3.2.1 六點(diǎn)定位（3-2-1）原則

定位基準(zhǔn)的主要功能是限制零件的六個(gè)空間自由度，通常我們采用3-2-1的定位原則。3-2-1定位準(zhǔn)則即第一基準(zhǔn)限制零件的三個(gè)自由度，第二基準(zhǔn)限制零件的兩個(gè)自由度，第三基準(zhǔn)限制零件的一個(gè)自由度。常見(jiàn)的符合3-2-1原則的基準(zhǔn)體系有三基面體系（如圖1）以及一面兩銷(xiāo)體系（如圖2）。

圖1給出了常見(jiàn)的三基面基準(zhǔn)體系及其標(biāo)注，三基面基準(zhǔn)體系由三個(gè)相互垂直的平面構(gòu)成。其中第一基準(zhǔn)平面限制了零件沿X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和繞Z軸的平動(dòng)自由度，第二基準(zhǔn)平面限制了零件沿X軸的平動(dòng)和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，第三基準(zhǔn)平面限制了零件沿Y軸的平動(dòng)。實(shí)際零件可能找不到三個(gè)相互垂直的平面，作為三基面體系的延伸在最大投影面上找三個(gè)點(diǎn)作為第一基準(zhǔn)，在次大投影面上找兩個(gè)點(diǎn)作為第二基準(zhǔn)，在最小投影面上找一個(gè)點(diǎn)作為第三基準(zhǔn)也能完全限制零件的6個(gè)自由度，符合3-2-1原則。

圖2給出了常見(jiàn)的一面兩銷(xiāo)基準(zhǔn)體系及其標(biāo)注，一面兩銷(xiāo)體系也是最常見(jiàn)的符合3-2-1原則的定位體系。一面兩銷(xiāo)體系的第一基準(zhǔn)通常是一個(gè)大平面，它可以限制零件繞X、Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及沿Z軸的平動(dòng)自由度。第二基準(zhǔn)通常是一個(gè)圓孔，它可以限制零件沿X、Y軸的平動(dòng)自由度。第三基準(zhǔn)通常是以長(zhǎng)腰孔（也可能是圓孔配合菱形的基準(zhǔn)銷(xiāo)），它限制了零件繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

3.2.2 一致性原則

1）基準(zhǔn)的重合性：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)盡量考慮可同時(shí)用作定位基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)。

2）基準(zhǔn)的統(tǒng)一性：選擇的基準(zhǔn)要便于在大多數(shù)工序中，都使用同一基準(zhǔn)，這樣容易保證各加工表面的相互位置精度，避免基準(zhǔn)變換所產(chǎn)生的誤差。

3）基準(zhǔn)的繼承性：選擇基準(zhǔn)不僅要考慮單件加工的要求，而且還要考慮以后裝配過(guò)程的要求。組裝后的總成應(yīng)盡可能采用組成零件已有的基準(zhǔn)點(diǎn)中的部分基準(zhǔn)點(diǎn)作為總成的基準(zhǔn)點(diǎn)。

3.2.3 穩(wěn)定性原則

1）選擇的基準(zhǔn)點(diǎn)間距要盡量地大，并盡量定位在零件主要功能點(diǎn)附近，有利于保證主要功能點(diǎn)的精度。

2）基準(zhǔn)點(diǎn)必須定位于零件的穩(wěn)定區(qū)域，即沖壓零件沖壓質(zhì)量較好且穩(wěn)定的區(qū)域，以及在后續(xù)焊裝過(guò)程中不會(huì)改變或焊接變形較小的區(qū)域。

3）所選的基準(zhǔn)，定位孔（銷(xiāo)）應(yīng)有足夠大的直徑和精度，定位面應(yīng)有足夠大的面積，以保證定位準(zhǔn)確可靠。同時(shí)還應(yīng)使夾緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。

4 常見(jiàn)工藝的關(guān)重點(diǎn)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性考慮中，除了最基本的基準(zhǔn)選擇之外，根據(jù)不同的加工工藝對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)也提出了不同的要求，下面將對(duì)常見(jiàn)工藝中的基本要求逐一介紹。

4.1 焊接

4.1.1 點(diǎn)焊

零件點(diǎn)焊時(shí)，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出足夠的邊緣寬度，以保證焊接的有效性和強(qiáng)度。如圖3所示，應(yīng)留有足夠的搭接寬度b。

4.1.2 弧焊

在焊縫設(shè)計(jì)為弧焊時(shí)，應(yīng)考慮焊縫布置對(duì)焊接變形的影響，如采取盡量減少零件數(shù)和焊縫數(shù)量，零件結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量使焊接變形和焊接應(yīng)力減至最少等;考慮焊縫布置對(duì)性能的影響，如避免焊縫過(guò)度集中及出現(xiàn)交叉焊縫等;考慮焊接的可操作性，如焊縫的布置應(yīng)使焊接設(shè)備的調(diào)整次數(shù)和零件的翻轉(zhuǎn)次數(shù)最少，需保證足夠的焊縫空間等。

4.2 沖壓[4]

1）總則

沖壓零件設(shè)計(jì)應(yīng)合理。零件形狀盡可能的簡(jiǎn)單、規(guī)則和對(duì)稱(chēng)，以便于節(jié)省原材料，減少制造工序并提高模具壽命，降低零件成本。

沖壓零件上的尺寸和形位公差應(yīng)當(dāng)在滿足零件功能要求的前提下盡可能的大，否則過(guò)于嚴(yán)格的尺寸和形位公差將會(huì)縮短模具壽命、增加制造成本，且需對(duì)零件進(jìn)行抽檢或全檢。

沖壓零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量創(chuàng)造左右件共用的條件，這將有利于減少零件的品種、方便生產(chǎn)組織和管理、節(jié)約生產(chǎn)線并提高生產(chǎn)效率。

2）沖裁工藝考慮

零件上的沖孔的位置和尺寸公差不要過(guò)于嚴(yán)格，否則，一些完全可以在落料工序內(nèi)進(jìn)行的沖孔則必須安排在成形工序之后沖制，這將會(huì)在一定程度上增加制造的成本，并且降低了生產(chǎn)效率。

盡可能避免側(cè)壁沖孔結(jié)構(gòu)，因?yàn)閭?cè)壁上的沖孔需要使用斜楔機(jī)構(gòu)，而且模具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

零件孔位的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到最小孔間距和最小孔邊距的要求，否則，過(guò)小的孔間距和孔邊距容易引起孔邊緣材料的變形和翻扭，甚至造成孔邊緣的破裂，如圖4和表2。

4.3 機(jī)加

對(duì)于鑄鋁結(jié)構(gòu)的副車(chē)架，機(jī)加工是其主要加工道序。由于鑄鋁結(jié)構(gòu)副車(chē)架為實(shí)心體，剛性較好，只要基準(zhǔn)選擇合理，機(jī)加工的工藝性一般沒(méi)有問(wèn)題。

對(duì)于沖壓焊接結(jié)構(gòu)副車(chē)架，通常較少需要機(jī)加工，即使需要機(jī)加工，也僅僅是局部位置。由于沖壓焊接結(jié)構(gòu)副車(chē)架為空腔薄板結(jié)構(gòu)，剛性較差，如需機(jī)加工，需在加工點(diǎn)附近布置剛性足夠的定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)。另外，機(jī)加工零件在選擇材料時(shí)，需在可焊性、可切削性及強(qiáng)度性能中平衡。

5 結(jié)論

本文對(duì)結(jié)構(gòu)件主要工藝進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)闡述了結(jié)構(gòu)件工藝設(shè)計(jì)中的基準(zhǔn)選擇、常用工藝的關(guān)重點(diǎn)等，對(duì)底盤(pán)結(jié)構(gòu)件的工藝設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介

冷鴻彬：（1989—），男，碩士，工程師，主要從事汽車(chē)專(zhuān)業(yè)教學(xué)及汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)研究。