重型橋殼輕量化制造工藝

1、重型橋殼輕量化制造工藝材料?工藝?設(shè)備? 重型橋殼輕量化制造工藝 蘭孝水張神光(陜西漢德車(chē)橋有限公司 )摘要 :本文通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)橋殼制造工藝的分析比較 ,利用工藝分析和 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ,提出了目前最先進(jìn)的橋殼輕量化制造工藝 ,給橋殼輕量化制造工藝的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展指出了一條有 實(shí)際意義的思路 .關(guān)鍵詞 :重型橋殼輕量化工藝Thefabricationprocessoftheheavytruck 'S axlehousingwithlightweight (TheprocessingdivisionofShannxiHandeaxleCo.Ltd.,Xi' anShannxi,71020

2、1)Abstract:BytheanalysisoftheaxlehousingfabricationprocessesinChina,anpr ocessingtechniqueofaxlehousingwithlightweightisproposedinthispaper,andisverifiedbyprocessanalysisandc orrespondingexperimentaldata.Thistechniqueisbelievedasthemostadvancedteehnoglogyatpresentinourcou ntry,anditalsoindicatesthew

3、ayof thefBrtherdevelopmentsandrealizationintheaxlehousing -weightfa'brSlight ication.Keywords:heavytruck ' Saxlehousing;lightweight;processing'0.引言 隨著全球能源危機(jī)的日益嚴(yán)峻 ,世界范圍內(nèi)的 節(jié)能減排已經(jīng)成為必須解決的重大課題 .汽車(chē)作為 能源消耗和二氧化碳排放的大戶(hù) ,制定切實(shí)可行的 節(jié)能減排計(jì)劃成為全球汽車(chē)企業(yè)必須面對(duì)的問(wèn)題 , 而輕量化和新能源 ,成為汽車(chē)行業(yè)節(jié)能減排的兩大 方向 .對(duì)于汽車(chē)產(chǎn)業(yè) ,大家公認(rèn)的最簡(jiǎn)單有效

4、的手 段之一就是汽車(chē)的輕量化 ,既減少了材料和能源消 耗,又降低了污染物排放 .研究顯示 ,若汽車(chē)整車(chē) 重量降低 10%,燃油效率可提高 6%一 8%;汽車(chē)整車(chē) 質(zhì)量每減少 100 公斤,百公里油耗可降低 0.3-0.6 升,二氧化碳排放可減少約 5 克/公里,汽車(chē)重量 降低 1%,油耗可降低 0.7%.隨著”國(guó)三”的強(qiáng)制推行和國(guó)家對(duì)超載超限 的治理 ,目前重型汽車(chē)輕量化制造已經(jīng)迫在眉睫的 提上了議事日程據(jù)統(tǒng)計(jì)資料皿，一般非斷開(kāi)式驅(qū) 動(dòng)橋的總重量 ,約占一般載貨汽車(chē)底盤(pán)干重量的 11%-16%（帶輪邊減速的驅(qū)動(dòng)橋?yàn)?16%）,對(duì)于重型汽車(chē) ,所占比例更大 .而普通的非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋的 質(zhì)量在很大

5、程度上取決于橋殼的結(jié)構(gòu) ,因此 ,減少 驅(qū)動(dòng)橋橋殼的質(zhì)量是車(chē)輛輕量化的一條重要途徑 （以STR后橋?yàn)槔?，沖焊橋殼占整橋總量的20.5%, 鑄造橋殼占整橋重量的 28.7%）.1. 橋殼強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析 驅(qū)動(dòng)橋橋殼是汽車(chē)上重要的承載件和傳力件 , 作為目前廣泛應(yīng)用在重型汽車(chē)上的非斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng) 橋的橋殼不僅支承汽車(chē)重量 ,將載荷傳遞給車(chē)輪 , 而且還承受由驅(qū)動(dòng)車(chē)輪傳遞過(guò)來(lái)的牽引力 ,制動(dòng) 力,側(cè)向力 ,垂向力的反力以及反力矩 ,并經(jīng)懸架 傳給車(chē)架 ,車(chē)身.在汽車(chē)行駛過(guò)程中 ,由于道路條 件的千變?nèi)f化 ,橋殼受到車(chē)輪與地面間產(chǎn)生的沖擊 載荷的影響 ,可能引起橋殼變形或折斷 .因此,驅(qū) 動(dòng)橋殼應(yīng)具有足夠的強(qiáng)

6、度 ,剛度和良好的動(dòng)態(tài)特 性.根據(jù)對(duì)橋殼建立有限元模型 （如圖 1 所示）, 利用有限元模型進(jìn)行的強(qiáng)度結(jié)構(gòu)分析的結(jié)論的可 知，橋殼的危險(xiǎn)點(diǎn)位于E,F,GH（如圖2所示）. 對(duì)應(yīng)于 STR 橋殼上這些危險(xiǎn)點(diǎn)就是方管與橋 包爬坡處（E）,方圓過(guò)渡處（F）,軸頭焊縫處（G）, 和軸頭R圓弧處（H）.從實(shí)際的橋殼斷裂失效模式汽車(chē)實(shí)用技術(shù)材料?工藝?設(shè)備?上看也是存在于上述位置 .所以在進(jìn)行橋殼制造工 藝設(shè)計(jì)時(shí)必須首先考慮滿(mǎn)足上述位置的強(qiáng)度要求 . 圖 1 橋殼有限元模型圖 2 橋殼中的危險(xiǎn)點(diǎn)位置示意圖2. 重型橋殼制造工藝簡(jiǎn)介2.1 橋殼中段工藝簡(jiǎn)介目前 ,橋殼中段的制造工藝主要有 :(1) 鑄造橋殼

7、中段 .這是汽車(chē)最早采用的結(jié)構(gòu)型 式,這種橋殼優(yōu)點(diǎn)是可根據(jù)各截面靈活的確定為不 等壁厚,具有剛性好 ,強(qiáng)度高,變形小,易鑄成等 強(qiáng)度梁.缺點(diǎn)是韌性及彈性差 ,重量大 ,鑄造缺陷 不易控制 ,成本較高 ,不適合整車(chē)進(jìn)行輕量化及降 成本設(shè)計(jì) .鑄造橋殼從材料上又分為高強(qiáng)度球墨鑄 鐵和高牌號(hào)鑄鋼橋殼 .(2) 熱沖焊橋殼中段 .這是目前橋殼中段最主要 的一種結(jié)構(gòu)型式 .具有工藝簡(jiǎn)單 ,材料利用率較高 , 質(zhì)量小,韌性高 ,彈性好 ,成本低的優(yōu)點(diǎn) .但由于 板料感應(yīng)加熱過(guò)程中 ,材料失去了原有的狀態(tài)致使 強(qiáng)度有所降低 ,我公司生產(chǎn)的 STR 熱沖焊橋殼中段 利用橋殼淬火專(zhuān)利技術(shù) ,很好的強(qiáng)化了橋殼鋼板

8、強(qiáng) 度.(3) 鋼管拉延 (縮頸 )脹形橋殼中段 .這種橋殼 目前有兩種成型方式 ,一種是選用含碳量 0.35%左 右 ,具有較高強(qiáng)度的鋼管 ,工藝上使中央部分?jǐn)U張 , 兩端滾壓縮徑 ,再加焊加強(qiáng)圈和三角板 .這種制造 2010年第 6期 工藝生產(chǎn)效率很高 ,而且橋殼的剛度和強(qiáng)度都比較 好 ,材料利用率高 ,橋殼重量輕 ,焊接工作量少 . 但開(kāi)發(fā)這種橋殼 ,需要擴(kuò)張成型的專(zhuān)用設(shè)備及工 裝.(4) 冷沖焊橋殼中段 .這是目前橋殼中段中最新 的一種成型方式 .采用新開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用橋殼材料 ,抗 拉強(qiáng)度510MPa而塑性和成形性非常好，從而板 厚突破傳統(tǒng)的10mm,可冷壓14mill以上后的半殼. 這種

9、橋殼中段具有熱沖焊和拉延 (縮頸 )脹形這兩 種橋殼中段的共同優(yōu)點(diǎn) ,同時(shí)又克服了熱沖焊橋殼 對(duì)材料強(qiáng)度的影響和拉延脹形橋殼需要擴(kuò)張成型 的專(zhuān)用設(shè)備及工裝的缺點(diǎn)起強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高， 成本低 ,這種技術(shù)目前正處在推廣應(yīng)用階段 .2.2 橋殼制造工藝簡(jiǎn)介 根據(jù)橋殼中段的不同和軸頭焊接方式不同橋殼工藝可分為 :鑄鐵中段熱壓軸頭工藝 ,鑄鋼中段熱壓軸頭工 藝 ,鑄鋼中段摩擦焊軸頭工藝 ,沖焊橋殼中段 c0z 保護(hù)焊軸頭工藝 ,沖焊橋殼中段電子束焊軸頭工 藝 ,沖焊橋殼中段摩擦焊軸頭工藝 ,拉延脹形中段 C0z 保護(hù)焊軸頭工藝 ,拉延脹形中段電子束焊軸頭 工藝 ,拉延脹形中段摩擦焊軸頭工藝 ,冷沖焊橋殼

10、 中段摩擦焊軸頭工藝 .鑄造中段類(lèi)橋殼目前在輕量 化方面一方面利用鑄造橋殼的母材密度的不同來(lái) 減重,例如采用球鐵中段代替鑄鋼中段整體可減重 1020Kg,另一方面鑄鋼橋殼改熱壓軸頭為焊接軸 頭來(lái)實(shí)現(xiàn)減重 ,例如我公司采用摩擦焊軸頭的工藝 實(shí)現(xiàn)減重15-25Kg.本文則重點(diǎn)討論沖焊類(lèi)橋殼和 拉延脹形類(lèi)橋殼的輕量化制造工藝 .3. 重型橋殼制造工藝對(duì)比3.1 橋殼中段制造工藝對(duì)比 熱沖焊橋殼中段工藝 :半殼下料一板料加熱一 熱壓半殼一半殼拋丸一校正半殼落差一銑焊接面點(diǎn)焊半殼一埋弧焊焊接中縫一氣割琵琶孔一氣 割兩端一碳弧氣刨刨兩端焊縫一補(bǔ)焊焊縫一焊加 強(qiáng)焊縫一中段校正一中段機(jī)加工 （如圖 3 所示）

11、.拉延脹形橋殼中段工藝 1:矩形管下料 （切 割機(jī) ）一切割中段拉伸槽口一拉伸橋殼中間段成型兩端加熱鐓圓 （冷鐓 ）一焊接三角板一熱處理調(diào)23材料?工藝?設(shè)備?質(zhì)（HRC2025）橋殼中段拋丸一中段校正一氣割 琵琶孔和兩端一中段機(jī)加工 （如圖 4 所示）.:I: ' ?i圖 3 沖焊中段成形聃三I 量 I _三重圖 4 拉延中段成形縮頸脹形橋殼中段工藝2:圓形管下料 （切割機(jī)）一第一次縮頸一第二次縮頸一第三次縮頸一 切割中段脹形槽口一第一次脹形一第二次脹形一 熱處理調(diào)質(zhì)一橋殼中段拋丸一中段校正一割中琵 琶孔和兩端一中段機(jī)加工 （如圖 5所示）.,t?E:j:E:|量二太 枉 摹三曩 l

12、 徑 ,一次 t 勞三三三三三三 :jl 圖 5 縮徑漲形中段成形 3.1.2,橋殼中段制造工藝對(duì)比分析 從工藝對(duì)比分析上看拉延脹形橋殼中段工藝 和縮頸脹形橋殼中段工藝沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別 ,是同一 種工藝的兩種不同方式 ,本文稱(chēng)做拉延 （縮頸 ）脹 形橋殼中段工藝 .3.1.2.1 熱沖焊中段與拉延 （縮頸）脹形中段對(duì)比 分析:熱沖焊中段目前普遍采用的是 Q345B 鋼板,材 料的利用率60%62%.沖焊中段板料加熱溫度 890910C，相當(dāng)于一次正火.基體組織為P+F. 拉延（縮頸）脹形橋殼中段目前多采用 SMn735成 型管材,材料利用率 90%93%.拉延（縮頸） 脹形中段成形后熱處理調(diào)質(zhì)，

13、HRC20-25.基體組織 為回火S+F從材料利用率上講拉延（縮頸）脹形 中段優(yōu)于熱沖焊中段 . 從工藝的復(fù)雜程度上講熱沖焊中段工藝一方 面比拉延 （縮頸）脹形中段工藝多了銑焊接面 ,碳 弧氣刨刨兩端焊縫 ,補(bǔ)焊焊縫 ,焊加強(qiáng)焊縫等四道 工序 ;另一方面熱沖焊中段中的半殼下料 ,銑焊接 面較拉延（縮頸）脹形中段的下料 ,開(kāi)槽口復(fù)雜. 整體上熱沖焊中段工藝?yán)?（縮頸 ）脹形中段工藝 復(fù)雜,工藝成本高. 從中段上焊縫焊接量以及復(fù)雜程度上比較 :熱 沖焊中段除去 4段加強(qiáng)焊縫和 8 段補(bǔ)焊焊縫不算 , 汽車(chē)實(shí)用技術(shù)?材料?工藝?設(shè)備?僅 4 段中縫焊接長(zhǎng)度也遠(yuǎn)大于拉延 （縮頸 ）脹形中 段 4 段

14、三角板焊接長(zhǎng)度 ;焊縫的復(fù)雜程度以及質(zhì)量 要求也高于三角版焊縫 .表 1 尺寸誤差及扭曲變形量類(lèi)別項(xiàng)目 熱沖焊中段拉延脹形中段尺寸誤差 1, 3mm2.5 6.5mm扭曲變形量1.54mm3.59.5 H皿從中段成型的精度 （外形尺寸以及扭曲變形 ） 檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看 ,同類(lèi)橋殼同部位 ,尺寸誤 差及扭曲變形量如表 1:從表 1 可以看出 ,在成型的精度方面熱沖焊中 段明顯的優(yōu)于拉延 （縮頸）脹形中段 （在實(shí)際使 用中會(huì)出現(xiàn)橋殼附件 （墊壓板,連接板 ）焊接時(shí)配 合和貼附的問(wèn)題從而影響到橋殼附件的焊接質(zhì)量 和焊縫強(qiáng)度 ）.從熱壓前后鋼板的力學(xué)性能對(duì)比數(shù)據(jù) （如表 2所示）表 2 熱壓前后鋼

15、板的力學(xué)性能對(duì)比數(shù)據(jù)表 類(lèi)型沖焊中段材料項(xiàng)目 拉延中段材料 熱壓前熱壓后 抗拉強(qiáng)度 o（N/ram）555565532542615635 屈服強(qiáng)度 o.（N/mm）380390350364495515伸長(zhǎng)率 626.5%28.6%28%30.5%21.8%22.1% 說(shuō)明在半殼加熱成形過(guò)程中強(qiáng)度是有所下降 , 而由于拉延 （縮頸 ）脹形中段調(diào)質(zhì)處理的關(guān)系 ,其 屈服強(qiáng)度與熱沖焊中段的屈服強(qiáng)度 o之比為1.4, 拉延（縮頸）脹形中段的力學(xué)性能優(yōu)于熱沖焊中段 3.1.2.2熱沖焊中段與冷沖焊中段對(duì)比分析 從工藝的復(fù)雜程度 ,中段焊縫焊接量 ,材料利 用率,中段成型的精度這四個(gè)方面上講兩者完全相 同

16、.從力學(xué)性能上冷沖焊中段介于拉延 （縮頸）脹 形和熱沖焊中段之間 .3.1.2.3冷沖焊中段與拉延 （縮頸）脹形中段對(duì)比分析 從工藝的復(fù)雜程度 ,中段焊縫焊接量 ,材料利 用率這三個(gè)方面上拉延 (縮頸 )脹形中段優(yōu)于冷沖 焊中段 .從中段成型的精度上冷沖焊中段優(yōu)于拉延 (縮頸)脹形中段.3.1.2.4拉延(縮頸 )脹形中段為輕量化 ,高強(qiáng)度 橋殼提供依據(jù)橋殼中段矩形截面如圖 6 所示 . 2010年第 6期圖 6 橋殼中段矩形截面圖彎曲截面系數(shù)w=(BH.-bh.)/(6H),彎距M與 應(yīng)力.之間有如下關(guān)系 :M/W=o.如果橋殼方身矩形外尺寸寬B,高H不變，設(shè) 計(jì)載荷彎矩 M 不變,滿(mǎn)足使用

17、的應(yīng)力 .也不變 . 設(shè)計(jì)沖焊中段內(nèi)寬為b1,高為hi,彎曲截面系數(shù) 為:25?材料?工藝?設(shè)備?Wl=(B-blhl.)/(6H),o1:M/W1拉延中段內(nèi)寬為b2,高為h2,彎曲截面系 數(shù)為 :WI=(BH.-b2h2.)/(6H),o2=M/W2 根據(jù)前面拉延中段的屈服強(qiáng)度與沖焊中段 0S 之比大約為 1.4 倍,即02/0仁1.4,推算如下：o1/02-w1/w2=(BH.-blhl.)/ (BH3-b2h2.)=1.4>1.即 ：BH3-blhl.>BH3-b2h2. 化簡(jiǎn)后得 ：b2h2.>blhl.由于矩形截面內(nèi)尺寸 b,h 都大于 1

18、的正數(shù),所以此式中拉延中段內(nèi)寬b2高h(yuǎn)2大于沖焊內(nèi)寬 b1,高h(yuǎn)l成立，也就是說(shuō)在滿(mǎn)足使用應(yīng)力相同 的條件下 ,拉延(縮頸)脹形中段壁厚可以減薄 . 對(duì)同一型號(hào)某橋殼 (中段方身矩形外尺寸相 同)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn) .,試驗(yàn)安裝方法如圖 7 所示. 圖 7 試驗(yàn)安裝方法圖 沖焊橋殼及拉延橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)變形 量數(shù)據(jù)見(jiàn)表 3.表 3 沖焊橋殼及拉延橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)變形量 采樣點(diǎn) 1 采樣點(diǎn) 2 采樣點(diǎn) 3 采樣點(diǎn) 4 采樣點(diǎn) 5 載荷 / KN沖焊拉延沖焊拉延沖焊拉延沖焊拉延沖焊拉延800.410.46O.73O.8O0.730.780.670.710.480.571400.67O.651.2

19、51.O81.531.311.231.140.750.67 2000.890.8l1.741.582.1O1.871.841.58O.950.842601.121.062.34lI912.732.282.312.111.2l1.153251.381.232.832.403.342.872.862.411.481.23卸荷后偏離零位情況 0.070.200.180.21O.230.280.16O.180.100.13 復(fù)零后再加載 N325KN3.112.56卸荷后偏離零位情況 0O熱沖焊中段板厚為16mm的橋殼，冷沖焊中段板厚為 14mm 的橋殼 ,垂直彎曲疲勞試驗(yàn)和垂直彎 曲剛性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

20、都能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)使用要求 ,說(shuō)明 拉延（縮頸）脹形中段和冷沖焊橋殼中段工藝可以實(shí)現(xiàn)輕量化冷沖焊中段板厚為14mm的某橋殼疲勞壽命試驗(yàn)見(jiàn)表 4 ,橋殼垂直彎曲剛性試驗(yàn)見(jiàn)表 5.表 4 垂直彎曲疲勞檢驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果樣品編檢驗(yàn)結(jié)果 （萬(wàn)最低壽命 （萬(wàn)中值壽命 （萬(wàn)號(hào)輸入頻率（HZ）設(shè)計(jì)載荷（1（N）動(dòng)態(tài)載荷（1（N）次）次）次）1513O325852513O3251O08593.33513032595說(shuō)明汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo) QC/T534 1 999要求要求最低壽命 350萬(wàn)次,中值壽命 380 萬(wàn)次26.汽車(chē)實(shí)用技術(shù)? 材料?工藝?設(shè)備?表 5 垂直彎曲剛性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果 測(cè)點(diǎn) 12345678

21、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 13噸時(shí)變 (L5710.061)/1.80.098O.861.1681.3571.5711.3561.1240.812形:mm=0.839&l t;1.5mm,滿(mǎn)殘余變形一 0.0270.0580.0580.0640.0610.0450.0390.028足標(biāo)準(zhǔn)要求i.汽車(chē)驅(qū)動(dòng)橋臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)OC/T5341999要求滿(mǎn)載軸荷時(shí)每米輪距最大變形不超過(guò) 1.5mm;說(shuō)明 2.測(cè)點(diǎn) 1 為支撐點(diǎn),2,8為軸頭焊縫附近 ,3,7為板簧安裝點(diǎn),4,6為 橋中段過(guò)渡附近 ,5為中心點(diǎn)即最大變形點(diǎn) .3.2 橋殼軸頭焊接工藝對(duì)比 據(jù)實(shí)驗(yàn)資料分析軸頭焊接采用電子束焊工藝 的橋殼,由于電子

22、束焊焊縫窄 ,熱影響區(qū)小 ,焊縫 缺陷少 , 焊縫質(zhì)量特性容易檢測(cè)等特點(diǎn) , 在同等 條件下橋殼在垂直剛性試驗(yàn)中其彎曲變形小于軸頭焊接采用 C02 氣體保護(hù)焊的橋殼 ,其主要原因一 方面是 COs 氣體保護(hù)焊焊縫寬 ,熱影響區(qū)大 ,焊縫 缺陷多且不易檢測(cè) ,另一方面是焊接前的預(yù)熱受環(huán) 境的影響不易控制 .根據(jù)軸頭焊接的結(jié)構(gòu)工藝性分析 ,軸頭焊接采 用電子束焊工藝的橋殼由于電子束焊采用嵌入環(huán) 的結(jié)構(gòu)和焊縫處中段外圓與軸頭外圓等尺寸且同 軸的的要求 ,造成橋殼中段焊縫處外圓和內(nèi)孔必須 16ram 板料的熱沖焊橋殼為例 ,加工到焊接要求時(shí) 壁厚一般會(huì)到12.7-13.5mm之間，使得焊縫處的母 材強(qiáng)度大約損失9.3S.而采用摩擦焊工藝的橋殼 除了具有焊縫窄 ,熱影響區(qū)小 ,焊縫缺陷少的特點(diǎn) 外,焊縫自身強(qiáng)度與電子書(shū)焊縫基本相當(dāng) ,并且不 存在焊前加工中段外圓內(nèi)孔的情