整體式車架變形矯正控制研究

許立國(guó) 李小榮 阮宏福

摘 要：采用CO2焊接的整體式車架的焊接變形矯正控制，目前在國(guó)內(nèi)尚屬較為陌生的領(lǐng)域。本文從自身車型實(shí)際出發(fā)，以一款CO2焊接為主要焊接工藝的車架為例，探討了影響整體式車架焊接變形的因素，并從夾具設(shè)計(jì)、工序拆分、焊接順序、矯正工位、反變形等方面介紹了如何進(jìn)行整體式車架單件變形及焊接變形的矯正控制。以其成功的案例，為整體式車架的應(yīng)用探索邁出了堅(jiān)實(shí)了一大步。

關(guān)鍵詞：整體式車架；焊接變形控制；矯正；CO2焊接變形

我公司開(kāi)發(fā)的某款越野車，獨(dú)立車架為整體式結(jié)構(gòu)。此種形式的車架有材料利用率高、焊縫少，生產(chǎn)成本較低，車架質(zhì)量輕、抗扭轉(zhuǎn)和抗彎曲強(qiáng)度好的優(yōu)點(diǎn)。但是由于整體式縱梁成形差、CO2焊接變形大等因素，導(dǎo)致車架各安裝點(diǎn)尺寸不穩(wěn)定，從而出現(xiàn)總裝件裝配困難、四輪參數(shù)不合格等質(zhì)量問(wèn)題。

針對(duì)上述質(zhì)量問(wèn)題，我們采用多方面的優(yōu)化措施，最終有效控制了車架安裝點(diǎn)的精度要求，以滿足總裝裝配及整車性能要求。

一、前言

車架是非承載式車身車型的重要組成部分。汽車各總成都直接或間接地安裝在車架上，車架是承受載荷的基礎(chǔ)件，它既承受汽車的靜載荷，還要承受汽車行駛中的動(dòng)載荷。

整體式獨(dú)立車架的基本參數(shù)為4450mm×1380mm×420mm，主體由左右兩根整體式縱梁和七根橫梁組成。對(duì)于重要安裝點(diǎn)（上下擺臂、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)、前后橋安裝點(diǎn)），精度公差為±1.5mm，一般的安裝點(diǎn)精度公差控制在±2.0mm。

二、影響整體式車架精度因素分析

2.1 沖壓件精度

由于車架縱梁本體是非等截面梁，且存在很多的橫彎和縱彎，整體式縱梁沖壓制件成形的工藝性差，在制件成型后存在嚴(yán)重的扭曲、反彈現(xiàn)象。根據(jù)我們對(duì)沖壓件成品檢具檢測(cè)的結(jié)果，其回彈角只能控制到1°-2.5°，反彈為3-5mm，扭曲達(dá)到10-20mm。而縱梁又是車架最關(guān)鍵的沖壓件，從整個(gè)車架結(jié)構(gòu)上看其他定位小件均依附于縱梁，縱梁的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致其上焊接的小件的不穩(wěn)定，因而縱梁的不穩(wěn)定直接決定車架的精度的控制難度。因此要想控制整體式車架的精度，首先要控制整體式縱梁的精度和穩(wěn)定性。

2.2 工藝原因

前期SE分析包括工藝拆分的工作，直接影響到焊接車架最終的尺寸精度和調(diào)整的可能性。在工藝分析階段必須充分考慮整體式車架的特殊要求，CO2焊接的工藝特性，在滿足節(jié)拍的前提下，盡量遵守將組成主體的縱梁和橫梁工序OP10完成焊接，對(duì)于功能尺寸要求的沖壓件必須拆分在同一工位的原則。

為了有效控制CO2焊接變形，必須選擇合理的焊接參數(shù)和焊接順序。車架厚板件焊接參數(shù)為焊絲直徑1.2mm，焊接電壓為16-21V，焊接電流為150-180A。焊接順序應(yīng)盡量采用對(duì)稱焊接，以使焊縫引起的變形相互抵消；焊縫不對(duì)稱的，應(yīng)先焊焊縫少的一側(cè)。對(duì)于較長(zhǎng)的焊縫，盡量采用分段跳躍式焊接。

2.3 夾具設(shè)計(jì)因素（矯正工位、反變形控制）

整體式車架沖壓件料厚在2-4mm之間，采用CO2焊接，其功能尺寸和工藝要求對(duì)夾具的結(jié)構(gòu)和形式提出了不同于薄板點(diǎn)焊夾具的要求。在夾具設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先考慮實(shí)際工件的尺寸精度以及車架安裝點(diǎn)的功能尺寸要求，且針對(duì)焊接變形大，取件困難等問(wèn)題確定預(yù)防措施。

三、整體式車架精度矯正控制方法

整體式車架由于其特殊自身尺寸和工藝要求，需要在以下幾個(gè)方面加以控制，以達(dá)到車架精度滿足總裝裝配需要和整車性能要求的目的。

3.1 針對(duì)縱梁?jiǎn)渭某C正控制：

從上文所述，整體式縱梁的反彈和扭曲將嚴(yán)重影響整體式車架的Y向和Z向精度，但從沖壓件及模具本身完全消除整體式縱梁的反彈和扭曲無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故從夾具上如何減少整體式縱梁的反彈扭曲影響成整體式車架的精度矯正控制的重點(diǎn)。這就決定了對(duì)于整體式車架的夾具，它已經(jīng)不單單是對(duì)工件進(jìn)行定位的工具，同時(shí)它要擔(dān)負(fù)起控制沖壓件變形，甚至對(duì)其進(jìn)行校正的作用。

3.1.1 針對(duì)縱梁?jiǎn)渭磸椀目刂疲?/p>

車架縱梁結(jié)構(gòu)剖面如上圖（圖2）所示，其為一個(gè)大U型的縱梁外板和帶翻邊的縱梁內(nèi)板扣在一起構(gòu)成閉合的盒裝結(jié)構(gòu)?？v梁本體受結(jié)構(gòu)的影響其開(kāi)口反彈如圖2所示，對(duì)此焊裝在縱梁外板與內(nèi)板搭接處增加隨型液壓夾具（圖3）對(duì)縱梁外板開(kāi)口尺寸進(jìn)行校正后再焊接可以消除縱梁外板的反彈對(duì)縱梁總成精度的影響。

3.1.2 針對(duì)縱梁?jiǎn)渭で目刂疲?/p>

整體式縱梁受其長(zhǎng)度及其結(jié)構(gòu)形狀的影響，引起形狀在Y、Z方向均有彎曲型面，且型面較多，所以沖壓制件在Y、Z方向上均有較大程度的扭曲，除在沖壓工藝上進(jìn)行控制外，焊裝也需采用反變形的控制手段進(jìn)行控制。

反變形控制需要工程師們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)與變形的規(guī)律，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)，焊接前預(yù)先將焊接制件向著與焊接變形相反的方向變形或移動(dòng)在縱梁?jiǎn)渭?nèi)部形成一定的預(yù)應(yīng)力，在焊接過(guò)程中，工件受CO2焊接熱量的影響形成熱變形，在應(yīng)力的作用下，使工件預(yù)應(yīng)力與焊接應(yīng)力抵消達(dá)到焊接變形的目的。根據(jù)CO2焊接變形量，對(duì)于車架的CO2焊接夾具，調(diào)整墊片厚度總和為H1，原則上要求厚度為8mm（如圖3所示），對(duì)于規(guī)制塊H1=5mm+0.5mm×2+1mm×2，對(duì)于定位銷H1=5mm +0.2mm×1+0.3mm×1+0.5mm×1+1mm×2，個(gè)別位置根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行調(diào)整。

3.2 縱梁總成的矯正控制：

對(duì)于一個(gè)4.5m長(zhǎng)的整體式縱梁，縱梁內(nèi)外板的整個(gè)CO2氣體保護(hù)焊的焊接長(zhǎng)度約為9m，按照正常CO2氣體保護(hù)焊的焊接速度為25m/h計(jì)算，等于車架持續(xù)受熱約0.36h，同時(shí)受熱部位遍及縱梁的每一個(gè)地方。如果熱量得不到很好的釋放與散發(fā)，則會(huì)對(duì)縱梁造成較大的熱變形。

3.2.1 焊接順序控制：

因?yàn)榛『噶刻?，整個(gè)縱梁受熱太多，導(dǎo)致縱梁的變化量較大，因此在焊接工藝及焊接順序上需要進(jìn)行控制。我們采用的方法是跳躍式分段焊接，避免焊接熱量集中，減少焊接熱量對(duì)縱梁造成的變形，同時(shí)又可以使其焊接應(yīng)力達(dá)到相互抵消。

如圖5所示（黑色部分為第一序焊縫，白色部分為第二序焊縫），在每一序均采用跳躍式焊接方法可有效減少CO2焊接變形量。

3.2.2 車架總成利用橫梁進(jìn)行反變形控制

考慮焊接變形的無(wú)法消除，在車架OP10工位利用各橫梁對(duì)縱梁總成Y向和Z向進(jìn)行定位控制，如圖6所示，此處控制可有效消除縱梁總成Y向的扭曲及CO2焊接變形。

從圖6我們可以看出，此工位為縱梁總成與5個(gè)橫梁總成焊接的工位，在此工位焊接前先通過(guò)夾具對(duì)縱梁Y向和Z向進(jìn)行液壓夾緊校正，然后再與橫梁焊接，可起到對(duì)縱梁總成的校正作用。

3.3 車架總成的矯正控制

通過(guò)上述分析，在縱梁焊接的時(shí)候，經(jīng)過(guò)分段跳躍式焊接和橫梁定位的方法，縱梁總成的Y向變形得到了有效控制，但Z向變形方面仍無(wú)法有效控制。為此車架總成仍需進(jìn)行Z方向的矯正控制，校正工位的工序順序選擇對(duì)車架總成Z向精度控制至關(guān)重要。

通過(guò)分析，對(duì)于功能尺寸要求較高的件，我們安排在同一工序焊接，雖能保證部分精度控制點(diǎn)的絕對(duì)準(zhǔn)確，但因縱梁總成的反彈扭曲，導(dǎo)致縱梁與各焊接小件的相對(duì)位置不準(zhǔn)確，故導(dǎo)致車架Z向尺寸不穩(wěn)定，故確定在車架OP10工位后增加校正工位對(duì)車架整體Z向進(jìn)行校正。

校正工位采用液壓電控系統(tǒng)，以車架中部結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定部分為固定夾持，分別利用液壓缸機(jī)械校正車架前后兩段，以縱梁Z向基準(zhǔn)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行校正車架兩端Z向尺寸。校正前對(duì)車架狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量取樣，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出校正工位的參數(shù)，并且校正工位參數(shù)可以根據(jù)車架取樣狀態(tài)對(duì)每個(gè)車架選擇不同的參數(shù)進(jìn)行校正。達(dá)到對(duì)不同狀態(tài)的車架均能校正合格的效果。

四、結(jié)論

由于整體式縱梁的扭曲、反彈量大，大大增加了整體式車架的精度控制難度。本文從自身車型實(shí)際出發(fā)，探討了影響整體式車架精度校正的因素，并從如何控制縱梁?jiǎn)渭⒖v梁總成和車架總成的焊接變形等方面介紹了如何進(jìn)行整體式車架的精度矯正控制。關(guān)于如何使用夾具進(jìn)行校正，目前在國(guó)內(nèi)還屬于較為陌生的領(lǐng)域，業(yè)內(nèi)也一直眾說(shuō)紛紜，但就自身項(xiàng)目來(lái)看，獲得了較為良好的效果，故淺顯的提出來(lái)與大家共享。

（作者單位：奇瑞汽車股份有限公司制造工程院）