第9章 汽车先进制造技术45.ppt

9.4焊接技术,焊接定义：焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。,焊接优点：（1）节省金属材料，减轻结构重量。（2）结构强度高，街头密封性好（3）焊接过程易实现机械化和自动化（4）为结构设计提供较大的灵活性,汽车工业所用到的焊接方法及零部件的应用,搅拌摩擦焊在汽车制造中的应用,搅拌摩擦焊原理由一个圆柱形的焊头伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接,搅拌摩擦焊工艺,搅拌摩擦焊主要优点有：（1）焊接接头质量高。焊接接头不易产生缺陷。焊接接头热影响区显微组织变化小。焊接工件不易变形。（2）能一次完成较长、较大截面、不同位置的焊接。由于不是依靠两焊接相对摩擦来进行焊接，根本上改变了传统的摩擦焊只能焊接简单断面的局限性，扩大了应用范围。（3）操作便于机械化自动化。不需要熟练技巧的高水平焊工进行操作，因此质量稳定性好，重复性高。（4）低成本不需要填充材料，也不用保护气体；厚焊接件边缘不用坡口加工；焊接铝材工件不用去氧化膜，只需用溶剂擦去油污即可；对接容许留一定间隙，不苟求装配精度；节能，安全，无污染，无烟尘,搅拌摩擦焊可以用于众多汽车零件的制造，比如汽车车体顶棚加强板、车体地板加强构件、铝合金发动机构架、发动机壳体内衬、悬架系统加强件、侧体内衬加强件、车门加强结构件、后门加强结构件等。,激光焊接技术在汽车制造工业中应用,激光焊接是以激光作为能量的载体的一种高能密度焊接方法。激光焊接是把能量很高的激光束照射到工件上，使工件受热溶化，然后冷却得到焊缝。,激光焊接与常规焊接方法相比有如下特点：（1）可焊接高焊点材料如钛、石英等，并能对异性材料进行焊接，效果良好。（2）聚焦光斑小，焊接速度快，作用时间短。热影响区小，变形小。（3）属于非接触焊接，无机械应力和机械变形。（4）易与计算机联机，能实现精确定位，实现自动焊接。（5）可在大气中进行，无环境污染。（6）可焊接难接近的部位，可以远距离焊接。（7）激光束易实现按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件（8）激光束功率密度很高，焊缝熔深大，速度快，效率高。（9）激光焊缝组织均匀、晶粒很小、气孔少、夹杂缺陷少，在力学性能、抗腐蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。（10）激光焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属。,车身总成激光组焊,激光组焊技术是将已冲压或切割成形的各种车身构件，先两两件组焊，然后再多件组焊，从而形成白车身分总成，各白车身分总成再组装成白车身总成。白车身激光焊接虽然目前尚存在设备投资及维护成本高，使用条件苛刻等问题，但由于其具备焊接精度高、零件变形小，焊接结构强度与刚度提升显著等一系列突出的优点，而被世界各大汽车厂商采纳使用。车身的激光焊接主要分为总成焊接、侧围与车顶焊接、后续焊,激光焊接技术运用于汽车车身的优点（1）大幅度提高汽车的刚度、强度和密封性；（2）降低汽车车身重量并达到节能的目的；（3）提高汽车车身的装配精度，使车身的刚度提升30%，从而提高车身的安全性；（4）降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目并提高车身一体化程度；（5）使整个汽车车身强度更高，安全性更好，并且降低了车辆行驶过程中的噪音和震动，改善了乘坐舒适性。（6）推动了汽车车身在不降低刚度和强度的前提下，向轻量化设计方向发展。,激光拼焊板的应用,拼焊板在汽车工业上被大量应用为不同强度或不同表面处理状态的零件的整体成形。使用拼焊板将几个小零件通过激光焊接集成一个大的毛坯并进行冲压。充分发挥不同强度、不同厚度板材的性能，并使汽车减重，降低零部件数量和保证安全。,激光拼接焊技术在车身部件中的应用,激光拼焊板优点：（1）增加汽车安全性、（2）减轻重量、（3）减少加工工序、（4）降低成本、（5）提高生产效率、（6）减少材料消耗（7）提高总成装配的精确性,汽车零部件激光焊接,汽车零部件焊接采用激光焊代替传统焊接优点：（1）零件焊接部位几乎没有变形，（2）焊接速度快（3）不需要焊后热处理,新型焊接技术激光复合焊接,激光复合焊是将激光束与其他热源结合起来，结合了两者各自的优点，获得了最佳的焊接效果、更高的焊接速度和良好的焊缝搭桥能力。激光电弧复合焊接技术是一种功能多、可靠性高、适应性强的精密焊接工艺方法。,激光电弧复合焊原理激光与电弧同时作用于金属表面的同一位置，两者互相促进材料对其的能量利用率,激光电弧复合焊优点：（1）有效地提高了焊接效率（2）增加了间隙的适应性（3）可以进行填丝，改善焊缝的组织性能（4）通过两种热源的相互作用，提高彼此能量的利用率（5）很宽的焊速调整范围激光-电弧复合焊接技术还能够改善某些难焊材料的焊接性，如异质金属、铝合金等。,新型焊接技术激光远程焊接,远程焊接的优点:发挥了单侧，非接触式激光焊接带来的技术和经济优势，并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合，大大缩短了焊接时间，在整个焊接流程中增加了总生产效率,汽车制造中焊接数值模拟技术的应用,通过焊接数值模拟，可以模拟出焊接过程中的应力变化及分布情况，为制定合理的焊接工艺提供理论依据通过计算机模拟技术与设计者的经验相结合，可以优化焊装车间平面布置和工作单元布局；预测工艺对产品的影响和各工序间的关联；校验所需设备数量和对自动化设备的需求；计算生产面积和所需工人数；进行焊装线上的机器人、自动化设备及人体作业仿真分析,汽车工业焊接的总体发展趋势,焊接技术的发展趋势具有如下特点：（1）随着新的焊接材料和结构的不断出现，需要开发新的焊接工艺方法。（2）改进常用的普通焊接工艺方法，提高焊接过程机械化、自动化水平，提高焊接质量和生产效率（3）采用电子计算机控制焊接过程，大力推广焊接机器人、焊接中心（4）发展专用成套焊接设备,9.5机械加工及热处理技术,汽车制造机械加工技术现在的机械加工技术是将现代化信息技术、自动化技术、企业管理技术的新成果运用于机械制造过程中，发展新的制造技术和生产模式，是机械产品的生产更加优质、高效、低能、快捷、灵活,汽车零部件机械加工生产线的技术特征,流水生产线一直是汽车及零部件生产方式的主体，其根本技术是集成技术将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线,（1）工艺系统也就是机床工具工件系统。现代汽车制造，特别是轿车的生产线的工艺装备已经进入柔性化时代，它由数控机床和智能工具组成。现代高速加工机床的要求是：高速度、高精度、高精度保持性,用于发动机生产线的高速加工中心，快速移动已到达60100m/min，加速度大0.61.5g，主轴最高转速达800015000r/min，定位精度/重复定位精度工作台在1m以下为8m/4m（VD标准），工作台1m以上为10m/5m（VD标准），主轴普遍应用电主轴，进给运用普遍采用直线电机，同时普遍运用三坐标模块化和箱中箱结构，机床非常简约，外购件（配套件）比例增加，交货值大大缩短,某高速四轴卧式加工中心,要实现数控高速切削加工，就是依据高速切削加工理论，采用高速主轴单元、高速进给系统以及高性能的刀具系统，并搭配相应的机床支撑技术及辅助单元技术,高速主轴单元,高速运转的电主轴的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装人主轴组件的内部，即把高速电机置于精密主轴内部，电主轴的电机转子就是主轴，主轴的壳体就是电机的机座，实现了变频调速电机和主轴一体，电机直接驱动主轴，形成电主轴。电主轴取消了中间的传动环节，传动链长度为0，可以实现真真意义上的机床主轴系统的“零传动”，避免了中间环节对精度的影响,陶瓷球轴承,采用几下措施，来解决响应的问题：(1)高速精密主轴上大量采用高速、高刚度的轴承，如一般情况采用陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承；轴承的润滑采用定时定量的油气润滑而不是油脂润滑。(2)主轴电机主要采用矢量控制的交流异步机。(3)电主轴的内置高速电机采用高频变频装置来驱动，实现每分钟几万甚至十几万转的转速，变频器的输出频率甚至要达到几千Hz。,高速进给系统,高速加工机床不仅有高速主轴功能，还应有高速进给功能。目前新的进给机构是大导程滚珠丝杠或直线电机。下图为直线电机原理,直线电机直接驱动有以下优点：高速度，目前最大进给速度可100200m/min；高加速度，可达210g(g=9.8m/s)；定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0,但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为0，最高定位精度可达0.10.01m；行程不受限制，由于直线电机的次级(定子)可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。,物流系统,它是由原材料处理、存贮、上下料装置和机床问传输装置组成,柔性制造技术，也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称，主要边现在：1.生产设备的零件、部件可根据所加工产品的需要变换2.对加工产品的批量可根据需要迅速调整3.对加工产品的性能参数可迅速改变并及时投入生产4可迅速而有效地综合应用新技术5.对用户、贸易伙伴和供应商的需求变化及特殊要求能迅速做出反应。,柔性制造系统原理,其他柔性技术形式还有柔性制造单元（FlexiblemanufacturingCenter，简称FMC）柔性制造线（FlexiblemanufacturingLine，简称FML）柔性制造工厂（FlexiblemanufacturingFactory，简称FMF）。,信息系统,主要包括生产控制、刀具更换、工装及附件更换、工件调度、自动编程、自动监控、自动补偿、工件质量自动控制、刀具磨损或破损后的自动更换和自动报警等。最新要求是具备CAD，CAM功能，运程生产线管理和维护功能，故障诊断和自动修复功能等。,发动机制造技术的发展与变革,发动机研发越来越快，新品开发周期越来越短(从30个月缩短到13个月)，车型数量多，生产批量不确定。目前为进一步提高高速柔性生产线的生产效率，最新发展出来敏捷高速柔性生产线（AgileFlexibleTransferLine，简称AFTL）。,柔性夹具应用技术的发展趋势为(1)进一步对传统夹具创新，继续成为柔性夹具的主流，使之更具柔性和实用性。(2)重视原理和结构均有创新的柔性夹具开发和研究(3)积极尝试和推动计算机辅助夹具设计；(4)研究和开发用于标准的组合夹具、通/专用夹具的CAFD中的新型软件。(5)通用、经济、元件的功能强的柔性夹将普遍推广应用。(6)智能夹具的开发与应用。,汽车齿轮制造技术发展,齿轮是汽车运动中的核心传动部件，其加工质量的优劣对总成乃至整车的振动噪声以及可靠性会带来直接影响，有时会成为制约产品水平提高的关键因素。汽车用齿轮大体可分为四类：圆柱齿轮，锥齿轮（直齿锥齿轮和螺旋锥齿轮），齿环类，特殊用途齿轮,计算机辅助工程,设计过程中CAE可在齿轮进入实际加工前正确预测制造因素的影响程度。有效的分析可以获得如下效果：（1）延伸和提升设计方法和思路。（2）最大限度地降低试制、试验成本，缩短开发周期。（3）生产时获得可靠的齿轮结构数据和正确的工艺调整数据。,齿轮数值分析的有效性取决于计算数学模型的准确性、几何实体模型的精确程度、各种可知边界条件输入数据的正确与否。于各种可知边界条件中，材料PSN曲线、热处理状态、摩擦因数等主要性能数据可通过试获得，而对于润滑、温度、相对滑移速度等一些重要数据的获得还需要更深入的研究,预调修正技术,预调修正是基于系统性考虑问题的方法，其目的是最大程度地利用已有条件制造出适合不同产品性能要求的齿轮，该方法目前主要有如下几个方面。,（1）热处理变形预调修正,（2）考虑结构和装配误差的预调修正（3）考虑噪声和寿命的预调修正（4）考虑工况载荷的预调修正,汽车工业热处理技术展望,近年来，汽车工业热处理技术的发展除了对产品质量实行更加严格的控制之外，也更加重视节能与环保。在信息时代，热处理技术会更加充分利用计算机技术，依赖计算机技术。使热处理生产管理、工艺过程控制、工艺设计与质量预测分析实现高度数字化、智能化未来，热处理技术会紧紧围绕精密、节能、环保、智能化的方向发展。,精密（精确）化热处理,所谓精密化热处理是指以组织、硬度、硬化层为控制指标的内在质量的精密化及对以零件外形特征为指标的畸变量的严格控制。精密化的热处理是通过对材料、热处理工艺装备的精确设计，对热处理工艺过程和冷却技术的严格控制，保证使产品热处理后的组织、硬度、硬化层、畸变量等质量分散度最小。,节能热处理技术的发展,热处理是能耗巨大的工艺之一，节能技术的开发和应用对热处理节能降耗、降低生产成本具有十分重要的意义采用新型节能筑炉材料，如陶瓷纤维材料、矽酸钙板、红外炉内涂料等，可以大大减少炉衬蓄热量，降低炉壁热损耗，节能效果可达10-20%。与电加热相比，采用燃气加热具有更高的加热效率。,热处理生产过程中的余热利用是热处理节能的重要途径。（1）利用烟道气废热预热燃烧用空气，节能效果显著。,（2）等温退火炉利用毛坯在中冷过程中发出的余热来预热前室毛坯（3）调质线利用淬火槽的热油预热清洗机的清洗液（4）利用炉顶直列式反应罐产生的吸热式气体可直接通入炉内，节省了独立发生器的工作能耗,（5）采用燃气辐射管加热时，利用排除的废热预热混合空气，可节约1520%,合理的热处理工艺设计（1）亚温淬火工艺的应用（2）低温化学热处理代替浅层渗碳和碳氮共渗；（3）局部表面硬化处理代替整体强化等。,清洁热处理技术的发展,正确处理好资源与环境，技术与环境的关系是实现可持续发展的基本保证。新世纪，汽车工业热处理更加重视清洁、无害化技术的发展。真空热处理技术，离子热处理技术得到迅速的发展，就是清洁热处理技术发展的一个标志。,真空热处理,真空热处理是指热处理工艺的全部和部分在低于一个大气压的环境中进行加热的热处理工艺。真空热处理包括真空淬火和真空渗碳。,真空淬火工艺流程如图所示。同其他热处理工艺相比真空淬火工艺不仅热后畸变小，而且还使所处理的模具使用寿命可以提高13倍。模具采用真空热处理代替盐浴热处理的加热方法已成为热处理行业的发展趋势。,真空渗碳工艺流程如图所示。真空(低压)渗碳具有原料气消耗极少、零件变形小、热处理质量好、零件表面光洁、无污染的显著特点，是真正意义上的清洁热处理，是未来可预测的对环境友好的主导工艺之一,离子化学热处理,可显著提高零件表面的耐磨性，抗疲劳性，耐腐蚀性能。对冷冲模、热锻模、压铸模采用离子氮化，对提高表面耐磨性，抗热疲劳性能均有显著效果。,其他清洁热处理技术,对热处理工艺排放的无害化技术处理是清洁热处理技术发展的重要内容。在清洗技术方面，开发无污染高效清洗剂也成为清洁技术发展的重要方面。,智能化热处理技术的发展,传感技术与计算机控制技术是热处理智能化的基础。在传感技术方面未来研究重点为：开发可分别用于气体和离子渗氮和氮碳共渗所用的