汽車結構件工藝設計探討

冷鴻彬 羅森僑

摘 要：汽車結構件設計除了考慮結構、材料之外，結構件的工藝設計也是非常重要的，在保證結構件整體強度及性能要求外，還需考慮零件的制造工藝、加工精度及制造成本等因素。汽車零件的工藝設計包括零件制造工藝，如沖壓、鑄造、機加、熱處理等，還包括加工過程中基準的選擇、公差的設計等過程。本文對結構件的主要制造工藝進行了介紹，并對制造過程中的基準選擇、常用工藝關重點進行了探討。

關鍵詞：汽車結構件 工藝設計 公差設計

Abstract：In addition to considering the structure and materials， the process design of automobile structural parts is also very important. In addition to ensuring the overall strength and performance requirements of structural parts， the manufacturing process， machining accuracy and manufacturing cost of parts should also be considered. The process design of automobile parts includes the manufacturing process of parts， such as stamping， casting， machining， heat treatment， as well as the selection of datum and the design of tolerance in the processing process. This paper introduces the main manufacturing processes of structural parts， and discusses the benchmark selection and common process key points in the manufacturing process.

Key words：automotive structural parts， process design， tolerance design

1 前言

汽車結構件是保持汽車整體強度及穩定性，提供舒適性和操控性的重要零部件。在汽車產品開發中，由于結構件零件數量多，其搭建關系較為復雜等原因，成為汽車車身精度、強度以及整車開發成本的重要影響因素[1]。

汽車結構件設計是一個不斷改進和優化的過程，其中結構件的工藝設計關乎零件的可制造性和產品的整體成本。產品設計工程師應當具備一定的工藝經驗，且在進行產品設計時需與工藝工程師保持溝通和確認，共同制定結構件的工藝標準。

2 結構件主要工藝介紹

汽車結構件主要制造工藝包括沖壓、鑄造、鍛造等，按不同工藝制造的產品在成本、性能以及重量等方面也有差異。在產品設計過程中，要同時兼顧成本、性能及重量，因此結構件材料選定后應考慮采用合理的制造工藝，常見工藝在成本、性能、重量方面的對比如表1：

其中前副車架、控制臂、后副車架等結構件常采用沖壓工藝，鋁制材料常采用鑄造工藝，部分控制臂也采用鍛造工藝。

3 基準的選取[2]-[3]

3.1 基準分類

基準是機械制造中應用十分廣泛的一個概念，機械產品從設計時零件尺寸的標注，制造時工件的定位，校驗時尺寸的測量，一直到裝配時零部件的的裝配位置確定等，都要用到基準的概念?；鶞适侵赣脕泶_定零件上各部位幾何關系所依據的點、現、面。

基準按功用分為設計基準和工藝基準兩類：

1）設計基準：零部件在設計過程中采用的標磚，稱為設計標準，可以在工程圖紙上體現;

2）工藝基準：零件在加工、測量、裝配過程中采用的基準都稱為工藝基準。其中在加工時用于工件定位的基準，稱為定位基準;在加工中或加工后用來測量工件的形狀、位置和尺寸誤差所采用的基準，稱為測量基準;在裝配時用來確定零件或部件在產品中的相對位置所采用的基準，稱為裝配基準。

按重要性可分為主要基準和輔助基準：

1）主要基準：決定零件主要尺寸的基準;

2）輔助基準：為了便于加工和測量而附加的基準。

按幾何形式可分為：面基準、線基準、點基準：

1）面基準：零件上某個平面（底面、端面、對稱平面）;

2）線基準：零件上的一條線（包括回轉軸線）;

3）點基準：零件上選取的一個點（包括球心、定點等）。

3.2 基準選取的原則

3.2.1 六點定位（3-2-1）原則

定位基準的主要功能是限制零件的六個空間自由度，通常我們采用3-2-1的定位原則。3-2-1定位準則即第一基準限制零件的三個自由度，第二基準限制零件的兩個自由度，第三基準限制零件的一個自由度。常見的符合3-2-1原則的基準體系有三基面體系（如圖1）以及一面兩銷體系（如圖2）。

圖1給出了常見的三基面基準體系及其標注，三基面基準體系由三個相互垂直的平面構成。其中第一基準平面限制了零件沿X、Y軸的轉動自由度和繞Z軸的平動自由度，第二基準平面限制了零件沿X軸的平動和繞Z軸的轉動自由度，第三基準平面限制了零件沿Y軸的平動。實際零件可能找不到三個相互垂直的平面，作為三基面體系的延伸在最大投影面上找三個點作為第一基準，在次大投影面上找兩個點作為第二基準，在最小投影面上找一個點作為第三基準也能完全限制零件的6個自由度，符合3-2-1原則。

圖2給出了常見的一面兩銷基準體系及其標注，一面兩銷體系也是最常見的符合3-2-1原則的定位體系。一面兩銷體系的第一基準通常是一個大平面，它可以限制零件繞X、Y軸的轉動自由度以及沿Z軸的平動自由度。第二基準通常是一個圓孔，它可以限制零件沿X、Y軸的平動自由度。第三基準通常是以長腰孔（也可能是圓孔配合菱形的基準銷），它限制了零件繞Z軸的轉動自由度。

3.2.2 一致性原則

1）基準的重合性：設計基準應盡量考慮可同時用作定位基準和測量基準。

2）基準的統一性：選擇的基準要便于在大多數工序中，都使用同一基準，這樣容易保證各加工表面的相互位置精度，避免基準變換所產生的誤差。

3）基準的繼承性：選擇基準不僅要考慮單件加工的要求，而且還要考慮以后裝配過程的要求。組裝后的總成應盡可能采用組成零件已有的基準點中的部分基準點作為總成的基準點。

3.2.3 穩定性原則

1）選擇的基準點間距要盡量地大，并盡量定位在零件主要功能點附近，有利于保證主要功能點的精度。

2）基準點必須定位于零件的穩定區域，即沖壓零件沖壓質量較好且穩定的區域，以及在后續焊裝過程中不會改變或焊接變形較小的區域。

3）所選的基準，定位孔（銷）應有足夠大的直徑和精度，定位面應有足夠大的面積，以保證定位準確可靠。同時還應使夾緊機構簡單，操作方便。

4 常見工藝的關重點

在產品設計的工藝性考慮中，除了最基本的基準選擇之外，根據不同的加工工藝對產品設計也提出了不同的要求，下面將對常見工藝中的基本要求逐一介紹。

4.1 焊接

4.1.1 點焊

零件點焊時，應當設計出足夠的邊緣寬度，以保證焊接的有效性和強度。如圖3所示，應留有足夠的搭接寬度b。

4.1.2 弧焊

在焊縫設計為弧焊時，應考慮焊縫布置對焊接變形的影響，如采取盡量減少零件數和焊縫數量，零件結構應盡量使焊接變形和焊接應力減至最少等;考慮焊縫布置對性能的影響，如避免焊縫過度集中及出現交叉焊縫等;考慮焊接的可操作性，如焊縫的布置應使焊接設備的調整次數和零件的翻轉次數最少，需保證足夠的焊縫空間等。

4.2 沖壓[4]

1）總則

沖壓零件設計應合理。零件形狀盡可能的簡單、規則和對稱，以便于節省原材料，減少制造工序并提高模具壽命，降低零件成本。

沖壓零件上的尺寸和形位公差應當在滿足零件功能要求的前提下盡可能的大，否則過于嚴格的尺寸和形位公差將會縮短模具壽命、增加制造成本，且需對零件進行抽檢或全檢。

沖壓零件設計時應盡量創造左右件共用的條件，這將有利于減少零件的品種、方便生產組織和管理、節約生產線并提高生產效率。

2）沖裁工藝考慮

零件上的沖孔的位置和尺寸公差不要過于嚴格，否則，一些完全可以在落料工序內進行的沖孔則必須安排在成形工序之后沖制，這將會在一定程度上增加制造的成本，并且降低了生產效率。

盡可能避免側壁沖孔結構，因為側壁上的沖孔需要使用斜楔機構，而且模具結構較復雜。

零件孔位的設計應考慮到最小孔間距和最小孔邊距的要求，否則，過小的孔間距和孔邊距容易引起孔邊緣材料的變形和翻扭，甚至造成孔邊緣的破裂，如圖4和表2。

4.3 機加

對于鑄鋁結構的副車架，機加工是其主要加工道序。由于鑄鋁結構副車架為實心體，剛性較好，只要基準選擇合理，機加工的工藝性一般沒有問題。

對于沖壓焊接結構副車架，通常較少需要機加工，即使需要機加工，也僅僅是局部位置。由于沖壓焊接結構副車架為空腔薄板結構，剛性較差，如需機加工，需在加工點附近布置剛性足夠的定位點和夾緊點。另外，機加工零件在選擇材料時，需在可焊性、可切削性及強度性能中平衡。

5 結論

本文對結構件主要工藝進行了介紹，重點闡述了結構件工藝設計中的基準選擇、常用工藝的關重點等，對底盤結構件的工藝設計有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]趙娜.汽車結構件沖壓工藝設計優化[J].汽車工藝師，2021（03）：48-50.

[2]王晶.淺析大型結構件制造設計基準與工藝基準的選擇與統一性[J].山東工業技術，2018，（12）.

[3]趙玉霞.淺談機械設計與制造中的基準選擇與應用[J].職業，2016，（03）.

[4]周旸.鈑金結構件設計沖裁工藝性問題分析[J].時代汽車，2020，（18）.

作者簡介

冷鴻彬：（1989—），男，碩士，工程師，主要從事汽車專業教學及汽車零部件設計研究。