劉克文

(江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330052)

0 前言

隨著社會現(xiàn)代化的推進，汽車工業(yè)也有了迅猛的發(fā)展，在汽車數(shù)量逐步增加、汽車品牌開始步入多樣化的同時，對汽車的整體性能及各部分零件的生產(chǎn)也有了新的要求。而后橋殼作為汽車的關(guān)鍵部位，在汽車運行過程中不但承受大量載荷和傳輸受力，同時車輛運作中產(chǎn)生的動載荷和靜載荷會形成巨大的彎矩與扭矩作用于后橋殼。因此，在要求后橋殼質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對后橋殼的焊接生產(chǎn)有著重要要求。而傳統(tǒng)的后橋殼生產(chǎn)路線受限于人工焊接等因素，在生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面難以滿足技術(shù)指標(biāo)。隨著中國工業(yè)化的推進，人力成本與材料成本的逐步提高，選擇合適的焊接工藝，設(shè)計合理的自動化生產(chǎn)線，在提高生產(chǎn)質(zhì)量的同時減少手工作業(yè)的難度與強度，降低人力成本，成為完善后橋殼生產(chǎn)、推動汽車行業(yè)進一步發(fā)展的關(guān)鍵所在[1-2]。

1 后橋殼組件分析

車輛后橋殼是汽車構(gòu)架中的重要組成部分。它作為驅(qū)動橋的主要構(gòu)件，能夠增大傳動軸及變速器的變動所帶來的扭矩，從而將動力合理的分配給驅(qū)動輪，是汽車行駛過程中的重要傳動裝置[1]。同時也因為其受力傳動特點，會在行駛過程中承受巨大的載荷，沒有達到生產(chǎn)指標(biāo)要求的后橋殼會在汽車行駛過程中由于受地面與車體之間不斷的沖擊載荷的影響而發(fā)生斷裂。因此，在設(shè)計優(yōu)化后橋殼自動化生產(chǎn)線前，首先要了解后橋殼的構(gòu)成并對其進行分析。

張翠[2]分析了橋殼半軸套管在使用過程中發(fā)生的焊縫開裂問題，通過對問題件進行分析，得出是工序問題導(dǎo)致了使用過程中焊縫的開裂。胡義華等學(xué)者[3]針對后橋殼的成形過程進行了數(shù)值模擬，得出了后橋殼加工工藝成形的具體參數(shù)。對后橋殼的模態(tài)分析同樣具有重要意義，徐勁力等學(xué)者[4]通過理論計算模擬分析了橋殼的模態(tài)對振動與噪聲的影響，為橋殼合理設(shè)計提供依據(jù)。

在車輛技術(shù)剛剛興起、工藝尚未改進之前，國內(nèi)的后橋殼制造主要采取鑄造橋殼，鑄造橋殼具有強度高、易于澆筑等特點，但是相應(yīng)的，為了配合手工裝配，通常采用加大截面及安裝尺寸等方法來進行裝配強化，這就大大提高了鑄造橋殼的質(zhì)量，從而提高了成本，降低了質(zhì)量要求，這種提高質(zhì)量的方法也難以滿足日趨復(fù)雜的汽車輕量化要求[5]。為了保證橋殼的力學(xué)性能，同時便于生產(chǎn)、裝配及后期維修，現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)大多采用焊接橋殼，焊接橋殼很好地避免了鑄造橋殼質(zhì)量過大的缺點，相對于鑄造橋殼，成本更低、材料使用程度更高[6]。后橋殼總成如圖1所示。由圖1可以看出，后橋殼的主體是附有半軸套管的圓柱型棒體，整個后橋殼共由半軸套管、后蓋、加強圈、三角板等4部分構(gòu)成。其中，后橋殼總成的焊接成為了關(guān)鍵所在，其焊接示意圖如圖2所示，在后殼體的上下坯拼接時，共有4條焊縫，該焊縫在生產(chǎn)過程中多為人工焊接，在批量生產(chǎn)的要求下，不但難以保證質(zhì)量，且存在安全隱患，故使用自動焊接機器人是完成自動化生產(chǎn)線的重要憑據(jù)，在降低生產(chǎn)成本的同時，也可以有效提高焊接質(zhì)量[7]。

圖1 汽車后橋殼總成示意圖

圖2 后橋殼總成焊接示意圖

經(jīng)過焊接，2個上下坯完成連接，形成完整的殼體時，再由后橋殼與半軸套管，加強圈，三角板，后蓋等焊接形成后橋殼體，所成橋殼體具有質(zhì)量輕，強度高等優(yōu)點。在眾多焊縫中，橋殼與半軸套管的所焊接的環(huán)形焊縫對整個后橋殼體的生產(chǎn)質(zhì)量也有著重要影響。同時，橋殼總成的焊接也直接影響到后續(xù)裝配的情況。因此，所選擇的焊接工藝是否為最優(yōu)，是避免車輛在運行過程中出現(xiàn)殼體受沖擊載荷斷裂及液滴泄露等問題，同時也是解決傳統(tǒng)焊接方法不易實現(xiàn)生產(chǎn)機械化和自動化等問題的關(guān)鍵所在，也為合理提高后橋殼生產(chǎn)質(zhì)量提供可靠依據(jù)。

2 焊接工藝

后橋殼零件及相應(yīng)焊接參數(shù)見表1。圖3為焊縫示意圖。傳統(tǒng)的后橋殼焊接選用焊條電弧焊工藝，但由于其生產(chǎn)效率低下，焊工勞作強度過大，且焊接質(zhì)量難以掌控等因素，已經(jīng)難以滿足日趨復(fù)雜的產(chǎn)品生產(chǎn)需求。為了提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，自動焊機由于其高效、高質(zhì)量及良好的焊接再現(xiàn)性，開始逐步取代焊條電弧焊，在減小工人勞動量的同時，也提高了生產(chǎn)效率，同時由于其穩(wěn)定的工藝過程，充分的消除了手工焊接的不確定性，提高了經(jīng)濟效益。

表1 后橋殼及相關(guān)焊接參數(shù)

圖3 焊縫示意圖

2.1 焊接方法的選擇

目前的后橋殼焊接主要采用CO2氣體保護電弧焊、電子束焊及摩擦焊等焊接工藝。在該設(shè)計中，選擇主要焊接工藝為CO2氣體保護電弧焊，與其他2種焊接方法相比，CO2氣體保護電弧焊具有以下優(yōu)點[8]：①氣體來源廣泛，CO2作為來源最廣的保護氣體之一，價格也遠(yuǎn)低于其他保護氣體，這使得CO2氣體保護電弧焊相比于其他2種焊接方法成本更低，且CO2氣體保護電弧焊所消耗的電能，均低于電子束焊、摩擦焊及傳統(tǒng)的焊條電弧焊，極大的提高了經(jīng)濟效益。②CO2氣體保護電弧焊相比于其他2種焊接可達性更好，在焊接時焊接死角更少，并且更適合后橋殼的板厚。③CO2氣體保護電弧焊熔敷率更高、焊縫抗裂性好，且不用清渣，焊接過程中更易于觀察并控制熔池成形。

2.2 焊接工藝參數(shù)設(shè)定

焊絲的選取原則為焊絲性能大于板材性能，后橋殼焊接的具體工藝參數(shù)設(shè)定為：由于板厚為5～8 mm，故選取焊絲直徑為1.2 mm，焊接速度為15 m/h，CO2氣體流量為15 L/min，采用短路過渡，電流設(shè)定范圍為180～240 A，電壓設(shè)定值依據(jù)公式：U=0.04I+16(<200 A)；U=0.04I+20(>200 A)，其電壓值的上下變化不超過2 V[9]。采用上述焊接工藝參數(shù)，對試驗件進行焊接，樣件實物如圖4所示，焊縫表面成形良好，焊縫均勻，飛濺較少。

圖4 樣件實物圖

3 后橋殼自動化生產(chǎn)線

3.1 后橋殼自動化生產(chǎn)線組成設(shè)計

該自動化生產(chǎn)線需要適應(yīng)后橋殼不同零部件的焊接與拼裝，整條生產(chǎn)線以推進生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量、提高自動化焊接水平及減小焊工勞動強度為核心內(nèi)容，確定以CO2氣體保護電弧焊為主要焊接方法，自動化焊機為主要焊接單元，以進行后橋殼的自動化生產(chǎn)。

整條生產(chǎn)線應(yīng)呈流水狀分布，除了必要的自動化焊機焊接外，為了符合核心設(shè)計理念，還應(yīng)使用PLC控制系統(tǒng)，對其余步驟進行自動化優(yōu)化，完成如圖5所示的生產(chǎn)線流程圖。

圖5 生產(chǎn)線流程圖

3.2 后橋殼焊接工藝流程設(shè)計

基于選定的方法，在進行后橋殼的焊接時，應(yīng)當(dāng)遵循先定位再焊接，從中間到兩邊的原則進行焊接生產(chǎn)。首先要進行上下半殼定位焊接，隨后進行橋殼上下半殼縱縫焊接，再進行后蓋、后橋加強圈的環(huán)縫焊接。隨后對左右半軸套管進行附件點焊，在對三角板環(huán)縫焊接之后，完成后橋殼總成拼裝環(huán)縫焊接。隨后對后橋殼總成進行檢測及校直，并進行氣密性檢測。其具體工藝流程如圖6所示。

圖6 后橋殼生產(chǎn)具體工藝流程

3.3 后橋殼加工生產(chǎn)線設(shè)備組成

根據(jù)所設(shè)計的工藝流程，后橋殼加工生產(chǎn)線應(yīng)包含以下設(shè)備[10-12]：①CO2氣保焊自動焊機：用于橋殼上下半殼縱縫焊接，基于其自動化設(shè)定，工作時可以通過操作臺來對焊接過程中的變量進行控制。②橋殼后蓋、加強圈自動焊機。③半軸套管拼裝夾具：用于完成半軸套管與總成的拼裝與定位焊接。④半軸套管環(huán)縫自動焊機：在定位拼裝完成后，對半軸套管進行環(huán)縫焊接。⑤壓力校正機：用于校正在焊接總成與半軸套管環(huán)焊縫時產(chǎn)生的變形。⑥密封測試機：對產(chǎn)品進行氣密性檢測。

所設(shè)計的自動化生產(chǎn)線在符合核心設(shè)計理念(提高生產(chǎn)效率，減少焊工勞動量)的前提下，應(yīng)用PLC控制系統(tǒng)來完成以自動化焊機為焊接單元的焊接工位與工件傳輸、拼裝的有效結(jié)合，從而提升生產(chǎn)線自動化水平，操作人員可以憑借操作平臺來對整個生產(chǎn)線進行控制。

在工件傳輸過程中，中心控制系統(tǒng)根據(jù)各工位的狀態(tài)可以控制工件的傳輸，當(dāng)傳輸出現(xiàn)問題時，可以根據(jù)實際情況及需要調(diào)整工件傳輸順序及速度，控制整個系統(tǒng)的運行。在生產(chǎn)線運行期間控制系統(tǒng)還可以保證工作期間各工位出現(xiàn)緊急狀況的自鎖和互鎖，來確保生產(chǎn)安全。同時，控制系統(tǒng)還能對生產(chǎn)線進行實時監(jiān)控，檢測各工位運行狀態(tài)，并進行故障提示，以方便工作人員維修。

4 結(jié)論

(1)CO2氣體保護電弧焊具有來源廣泛、質(zhì)量可控等優(yōu)點，選擇CO2氣體保護電弧焊作為主要焊接方法可以有效控制焊接質(zhì)量，提高后橋殼構(gòu)件焊接效率，為自動化生產(chǎn)線設(shè)計提供依據(jù)。

(2)生產(chǎn)線結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，工序流程合理，能夠?qū)崿F(xiàn)自動運輸、焊接、拼裝等工序，參數(shù)選擇及系統(tǒng)運行具有合理依據(jù)，以保證工作流程的穩(wěn)定進行。

(3)選用PLC控制系統(tǒng)，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)線可控性良好，調(diào)整迅速，適應(yīng)能力強，選擇自動焊機作為主要焊接設(shè)備能夠有效提高生產(chǎn)效率及生產(chǎn)質(zhì)量，達成生產(chǎn)線的自動化設(shè)計。