重型桥壳轻量化制造工艺

1、重型桥壳轻量化制造工艺材料?工艺?设备? 重型桥壳轻量化制造工艺 兰孝水张神光(陕西汉德车桥有限公司 )摘要 :本文通过对目前国内桥壳制造工艺的分析比较 ,利用工艺分析和 实验数据 ,提出了目前最先进的桥壳轻量化制造工艺 ,给桥壳轻量化制造工艺的实现和发展指出了一条有 实际意义的思路 .关键词 :重型桥壳轻量化工艺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 随着全球能源危机的日益严峻 ,世界范围内的 节能减排已经成为必须解决的重大课题 .汽车作为 能源消耗和二氧化碳排放的大户 ,制定切实可行的 节能减排计划成为全球汽车企业必须面对的问题 , 而轻量化和新能源 ,成为汽车行业节能减排的两大 方向 .对于汽车产业 ,大家公认的最简单有效

4、的手 段之一就是汽车的轻量化 ,既减少了材料和能源消 耗,又降低了污染物排放 .研究显示 ,若汽车整车 重量降低 10%,燃油效率可提高 6%一 8%;汽车整车 质量每减少 100 公斤,百公里油耗可降低 0.3-0.6 升,二氧化碳排放可减少约 5 克/公里,汽车重量 降低 1%,油耗可降低 0.7%.随着”国三”的强制推行和国家对超载超限 的治理 ,目前重型汽车轻量化制造已经迫在眉睫的 提上了议事日程据统计资料皿，一般非断开式驱 动桥的总重量 ,约占一般载货汽车底盘干重量的 11%-16%（带轮边减速的驱动桥为 16%）,对于重型汽车 ,所占比例更大 .而普通的非断开式驱动桥的 质量在很大

5、程度上取决于桥壳的结构 ,因此 ,减少 驱动桥桥壳的质量是车辆轻量化的一条重要途径 （以STR后桥为例，冲焊桥壳占整桥总量的20.5%, 铸造桥壳占整桥重量的 28.7%）.1. 桥壳强度结构分析 驱动桥桥壳是汽车上重要的承载件和传力件 , 作为目前广泛应用在重型汽车上的非断开式驱动 桥的桥壳不仅支承汽车重量 ,将载荷传递给车轮 , 而且还承受由驱动车轮传递过来的牵引力 ,制动 力,侧向力 ,垂向力的反力以及反力矩 ,并经悬架 传给车架 ,车身.在汽车行驶过程中 ,由于道路条 件的千变万化 ,桥壳受到车轮与地面间产生的冲击 载荷的影响 ,可能引起桥壳变形或折断 .因此,驱 动桥壳应具有足够的强

6、度 ,刚度和良好的动态特 性.根据对桥壳建立有限元模型 （如图 1 所示）, 利用有限元模型进行的强度结构分析的结论的可 知，桥壳的危险点位于E,F,GH（如图2所示）. 对应于 STR 桥壳上这些危险点就是方管与桥 包爬坡处（E）,方圆过渡处（F）,轴头焊缝处（G）, 和轴头R圆弧处（H）.从实际的桥壳断裂失效模式汽车实用技术材料?工艺?设备?上看也是存在于上述位置 .所以在进行桥壳制造工 艺设计时必须首先考虑满足上述位置的强度要求 . 图 1 桥壳有限元模型图 2 桥壳中的危险点位置示意图2. 重型桥壳制造工艺简介2.1 桥壳中段工艺简介目前 ,桥壳中段的制造工艺主要有 :(1) 铸造桥壳

7、中段 .这是汽车最早采用的结构型 式,这种桥壳优点是可根据各截面灵活的确定为不 等壁厚,具有刚性好 ,强度高,变形小,易铸成等 强度梁.缺点是韧性及弹性差 ,重量大 ,铸造缺陷 不易控制 ,成本较高 ,不适合整车进行轻量化及降 成本设计 .铸造桥壳从材料上又分为高强度球墨铸 铁和高牌号铸钢桥壳 .(2) 热冲焊桥壳中段 .这是目前桥壳中段最主要 的一种结构型式 .具有工艺简单 ,材料利用率较高 , 质量小,韧性高 ,弹性好 ,成本低的优点 .但由于 板料感应加热过程中 ,材料失去了原有的状态致使 强度有所降低 ,我公司生产的 STR 热冲焊桥壳中段 利用桥壳淬火专利技术 ,很好的强化了桥壳钢板

8、强 度.(3) 钢管拉延 (缩颈 )胀形桥壳中段 .这种桥壳 目前有两种成型方式 ,一种是选用含碳量 0.35%左 右 ,具有较高强度的钢管 ,工艺上使中央部分扩张 , 两端滚压缩径 ,再加焊加强圈和三角板 .这种制造 2010年第 6期 工艺生产效率很高 ,而且桥壳的刚度和强度都比较 好 ,材料利用率高 ,桥壳重量轻 ,焊接工作量少 . 但开发这种桥壳 ,需要扩张成型的专用设备及工 装.(4) 冷冲焊桥壳中段 .这是目前桥壳中段中最新 的一种成型方式 .采用新开发的专用桥壳材料 ,抗 拉强度510MPa而塑性和成形性非常好，从而板 厚突破传统的10mm,可冷压14mill以上后的半壳. 这种

9、桥壳中段具有热冲焊和拉延 (缩颈 )胀形这两 种桥壳中段的共同优点 ,同时又克服了热冲焊桥壳 对材料强度的影响和拉延胀形桥壳需要扩张成型 的专用设备及工装的缺点起强度和疲劳强度高， 成本低 ,这种技术目前正处在推广应用阶段 .2.2 桥壳制造工艺简介 根据桥壳中段的不同和轴头焊接方式不同桥壳工艺可分为 :铸铁中段热压轴头工艺 ,铸钢中段热压轴头工 艺 ,铸钢中段摩擦焊轴头工艺 ,冲焊桥壳中段 c0z 保护焊轴头工艺 ,冲焊桥壳中段电子束焊轴头工 艺 ,冲焊桥壳中段摩擦焊轴头工艺 ,拉延胀形中段 C0z 保护焊轴头工艺 ,拉延胀形中段电子束焊轴头 工艺 ,拉延胀形中段摩擦焊轴头工艺 ,冷冲焊桥壳

10、 中段摩擦焊轴头工艺 .铸造中段类桥壳目前在轻量 化方面一方面利用铸造桥壳的母材密度的不同来 减重,例如采用球铁中段代替铸钢中段整体可减重 1020Kg,另一方面铸钢桥壳改热压轴头为焊接轴 头来实现减重 ,例如我公司采用摩擦焊轴头的工艺 实现减重15-25Kg.本文则重点讨论冲焊类桥壳和 拉延胀形类桥壳的轻量化制造工艺 .3. 重型桥壳制造工艺对比3.1 桥壳中段制造工艺对比 热冲焊桥壳中段工艺 :半壳下料一板料加热一 热压半壳一半壳抛丸一校正半壳落差一铣焊接面点焊半壳一埋弧焊焊接中缝一气割琵琶孔一气 割两端一碳弧气刨刨两端焊缝一补焊焊缝一焊加 强焊缝一中段校正一中段机加工 （如图 3 所示）

11、.拉延胀形桥壳中段工艺 1:矩形管下料 （切 割机 ）一切割中段拉伸槽口一拉伸桥壳中间段成型两端加热镦圆 （冷镦 ）一焊接三角板一热处理调23材料?工艺?设备?质（HRC2025）桥壳中段抛丸一中段校正一气割 琵琶孔和两端一中段机加工 （如图 4 所示）.:I: ' ?i图 3 冲焊中段成形聃三I 量 I _三重图 4 拉延中段成形缩颈胀形桥壳中段工艺2:圆形管下料 （切割机）一第一次缩颈一第二次缩颈一第三次缩颈一 切割中段胀形槽口一第一次胀形一第二次胀形一 热处理调质一桥壳中段抛丸一中段校正一割中琵 琶孔和两端一中段机加工 （如图 5所示）.,t?E:j:E:|量二太 枉 摹三曩 l

12、 径 ,一次 t 劳三三三三三三 :jl 图 5 缩径涨形中段成形 3.1.2,桥壳中段制造工艺对比分析 从工艺对比分析上看拉延胀形桥壳中段工艺 和缩颈胀形桥壳中段工艺没有本质的区别 ,是同一 种工艺的两种不同方式 ,本文称做拉延 （缩颈 ）胀 形桥壳中段工艺 .3.1.2.1 热冲焊中段与拉延 （缩颈）胀形中段对比 分析:热冲焊中段目前普遍采用的是 Q345B 钢板,材 料的利用率60%62%.冲焊中段板料加热温度 890910C，相当于一次正火.基体组织为P+F. 拉延（缩颈）胀形桥壳中段目前多采用 SMn735成 型管材,材料利用率 90%93%.拉延（缩颈） 胀形中段成形后热处理调质，

13、HRC20-25.基体组织 为回火S+F从材料利用率上讲拉延（缩颈）胀形 中段优于热冲焊中段 . 从工艺的复杂程度上讲热冲焊中段工艺一方 面比拉延 （缩颈）胀形中段工艺多了铣焊接面 ,碳 弧气刨刨两端焊缝 ,补焊焊缝 ,焊加强焊缝等四道 工序 ;另一方面热冲焊中段中的半壳下料 ,铣焊接 面较拉延（缩颈）胀形中段的下料 ,开槽口复杂. 整体上热冲焊中段工艺拉延 （缩颈 ）胀形中段工艺 复杂,工艺成本高. 从中段上焊缝焊接量以及复杂程度上比较 :热 冲焊中段除去 4段加强焊缝和 8 段补焊焊缝不算 , 汽车实用技术?材料?工艺?设备?仅 4 段中缝焊接长度也远大于拉延 （缩颈 ）胀形中 段 4 段

14、三角板焊接长度 ;焊缝的复杂程度以及质量 要求也高于三角版焊缝 .表 1 尺寸误差及扭曲变形量类别项目 热冲焊中段拉延胀形中段尺寸误差 1, 3mm2.5 6.5mm扭曲变形量1.54mm3.59.5 H皿从中段成型的精度 （外形尺寸以及扭曲变形 ） 检测数据统计分析来看 ,同类桥壳同部位 ,尺寸误 差及扭曲变形量如表 1:从表 1 可以看出 ,在成型的精度方面热冲焊中 段明显的优于拉延 （缩颈）胀形中段 （在实际使 用中会出现桥壳附件 （垫压板,连接板 ）焊接时配 合和贴附的问题从而影响到桥壳附件的焊接质量 和焊缝强度 ）.从热压前后钢板的力学性能对比数据 （如表 2所示）表 2 热压前后钢

15、板的力学性能对比数据表 类型冲焊中段材料项目 拉延中段材料 热压前热压后 抗拉强度 o（N/ram）555565532542615635 屈服强度 o.（N/mm）380390350364495515伸长率 626.5%28.6%28%30.5%21.8%22.1% 说明在半壳加热成形过程中强度是有所下降 , 而由于拉延 （缩颈 ）胀形中段调质处理的关系 ,其 屈服强度与热冲焊中段的屈服强度 o之比为1.4, 拉延（缩颈）胀形中段的力学性能优于热冲焊中段 3.1.2.2热冲焊中段与冷冲焊中段对比分析 从工艺的复杂程度 ,中段焊缝焊接量 ,材料利 用率,中段成型的精度这四个方面上讲两者完全相 同

16、.从力学性能上冷冲焊中段介于拉延 （缩颈）胀 形和热冲焊中段之间 .3.1.2.3冷冲焊中段与拉延 （缩颈）胀形中段对比分析 从工艺的复杂程度 ,中段焊缝焊接量 ,材料利 用率这三个方面上拉延 (缩颈 )胀形中段优于冷冲 焊中段 .从中段成型的精度上冷冲焊中段优于拉延 (缩颈)胀形中段.3.1.2.4拉延(缩颈 )胀形中段为轻量化 ,高强度 桥壳提供依据桥壳中段矩形截面如图 6 所示 . 2010年第 6期图 6 桥壳中段矩形截面图弯曲截面系数w=(BH.-bh.)/(6H),弯距M与 应力.之间有如下关系 :M/W=o.如果桥壳方身矩形外尺寸宽B,高H不变，设 计载荷弯矩 M 不变,满足使用

17、的应力 .也不变 . 设计冲焊中段内宽为b1,高为hi,弯曲截面系数 为:25?材料?工艺?设备?Wl=(B-blhl.)/(6H),o1:M/W1拉延中段内宽为b2,高为h2,弯曲截面系 数为 :WI=(BH.-b2h2.)/(6H),o2=M/W2 根据前面拉延中段的屈服强度与冲焊中段 0S 之比大约为 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. 化简后得 ：b2h2.>blhl.由于矩形截面内尺寸 b,h 都大于 1

18、的正数,所以此式中拉延中段内宽b2高h2大于冲焊内宽 b1,高hl成立，也就是说在满足使用应力相同 的条件下 ,拉延(缩颈)胀形中段壁厚可以减薄 . 对同一型号某桥壳 (中段方身矩形外尺寸相 同)进行对比试验 .,试验安装方法如图 7 所示. 图 7 试验安装方法图 冲焊桥壳及拉延桥壳垂直弯曲刚性试验变形 量数据见表 3.表 3 冲焊桥壳及拉延桥壳垂直弯曲刚性试验变形量 采样点 1 采样点 2 采样点 3 采样点 4 采样点 5 载荷 / KN冲焊拉延冲焊拉延冲焊拉延冲焊拉延冲焊拉延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卸荷后偏离零位情况 0.070.200.180.21O.230.280.16O.180.100.13 复零后再加载 N325KN3.112.56卸荷后偏离零位情况 0O热冲焊中段板厚为16mm的桥壳，冷冲焊中段板厚为 14mm 的桥壳 ,垂直弯曲疲劳试验和垂直弯 曲刚性台架试验结果

20、都能满足设计使用要求 ,说明 拉延（缩颈）胀形中段和冷冲焊桥壳中段工艺可以实现轻量化冷冲焊中段板厚为14mm的某桥壳疲劳寿命试验见表 4 ,桥壳垂直弯曲刚性试验见表 5.表 4 垂直弯曲疲劳检验数据及结果样品编检验结果 （万最低寿命 （万中值寿命 （万号输入频率（HZ）设计载荷（1（N）动态载荷（1（N）次）次）次）1513O325852513O3251O08593.33513032595说明汽车驱动桥台架试验评价指标 QC/T534 1 999要求要求最低寿命 350万次,中值寿命 380 万次26.汽车实用技术? 材料?工艺?设备?表 5 垂直弯曲刚性检验数据及结果 测点 12345678

21、实验结果 13吨时变 (L5710.061)/1.80.098O.861.1681.3571.5711.3561.1240.812形:mm=0.839&l t;1.5mm,满残余变形一 0.0270.0580.0580.0640.0610.0450.0390.028足标准要求i.汽车驱动桥台架试验评价指标OC/T5341999要求满载轴荷时每米轮距最大变形不超过 1.5mm;说明 2.测点 1 为支撑点,2,8为轴头焊缝附近 ,3,7为板簧安装点,4,6为 桥中段过渡附近 ,5为中心点即最大变形点 .3.2 桥壳轴头焊接工艺对比 据实验资料分析轴头焊接采用电子束焊工艺 的桥壳,由于电子

22、束焊焊缝窄 ,热影响区小 ,焊缝 缺陷少 , 焊缝质量特性容易检测等特点 , 在同等 条件下桥壳在垂直刚性试验中其弯曲变形小于轴头焊接采用 C02 气体保护焊的桥壳 ,其主要原因一 方面是 COs 气体保护焊焊缝宽 ,热影响区大 ,焊缝 缺陷多且不易检测 ,另一方面是焊接前的预热受环 境的影响不易控制 .根据轴头焊接的结构工艺性分析 ,轴头焊接采 用电子束焊工艺的桥壳由于电子束焊采用嵌入环 的结构和焊缝处中段外圆与轴头外圆等尺寸且同 轴的的要求 ,造成桥壳中段焊缝处外圆和内孔必须 16ram 板料的热冲焊桥壳为例 ,加工到焊接要求时 壁厚一般会到12.7-13.5mm之间，使得焊缝处的母 材强度大约损失9.3S.而采用摩擦焊工艺的桥壳 除了具有焊缝窄 ,热影响区小 ,焊缝缺陷少的特点 外,焊缝自身强度与电子书焊缝基本相当 ,并且不 存在焊前加工中段外圆内孔的情