新型高強度懸架集成制造技術研究

張建中，王敏，王勇，陳建河，譚學慧，鄂慶文，高峰

（內蒙古第一機械集團有限公司，內蒙古 包頭 014000）

0 引言

懸架系統是輪式裝甲車輛行動系統的核心部件，近年來，隨著輪式裝甲車輛迅速發展，產品類型的持續遞增，懸架系統也在結構設計、制造工藝等方面不斷地被改進。我國輪式裝甲車輛的研制和生產尚處在初級階段，懸架結構和性能與國外還存在較大差距。

本文針對我國輪式裝甲車輛懸架系統核心零件成形技術落后，嚴重影響產品強度和質量穩定性，熱處理變形大，影響部件焊接；部件焊接變形大，加工效率低，不能滿足批量配套生產要求，通過對輪式裝甲車輛懸架集成制造技術研究，實現輪式裝甲車輛懸架系統橫臂焊合件核心零件左右U形板整體熱成形的工藝創新、橫臂焊合件核心零件熱處理變形控制、部件焊接變形控制及對高效機械加工工藝的創新。新技術的應用為輪式裝甲車輛懸架系統轉型升級和產品研發提供了技術支持，具有顯著的軍事國防效益。

1 困擾懸架系統發展的主要原因

1）橫臂焊合件核心零件左右U形板成形技術比較落后，制約著懸架系統的發展空間。左右U形板是系列輪式裝甲車輛懸架上下橫臂焊合件中的核心支撐零件，規格多（10種）、基數大，形狀為不規則的立體空間結構，尺寸精度要求較高，加工難度非常大。

2）下支架總成核心零件左右支架熱處理后變形大且無法校正，成為該部件生產過程的瓶頸工序，制約著懸架系統的整體發展。左右支架為薄壁U形彎曲零件，而且尺寸較大（長1980 mm），在淬火、回火之后扭曲變形嚴重。

3）橫臂焊合件、下支架總成等部件焊接過程的變形控制是影響懸架系統技術發展的最重要因素。部件焊接變形的控制是懸架系統生產的核心技術，由于組成該部件的零件均為中硬度特種鋼，特種鋼的焊接性能較差且焊接過程變形非常嚴重，即使采用后續加工零件留加工余量、焊后進行精加工的工藝方法，仍存在大部分產品焊接變形太大、加工過程加工余量不足的現象。

4）部件高效機械加工是影響懸架系統發展的另一重要因素。因為部件焊接變形不可能完全控制，對于復雜形狀的焊接件，焊接變形的規律性也不是很強。

2 技術改進方案

通過以上的分析，影響輪式裝甲車輛懸架系統發展的主要因素為：橫臂焊合件左右U形板成形難題；下支架總成核心零件左右支架熱處理變形控制；部件焊接變形控制和部件高效加工工藝研究等。

1）針對目前懸架系統左右U形板拼焊狀態生產效率低、產品一次交檢合格率低、質量不穩定等缺點。經過詳細的論證和利用仿真原理分析，決定設計制造成形模具，對產品進行整體成形制造技術研究，提高生產效率和產品質量。

2）針對下支架總成核心零件左右支架熱處理變形控制工藝難點，通過熱處理前對零件進行一系列的工藝加固，改變零件加熱、入水、回火時的裝爐、操作方法等，有效地降低左右支架的熱處理變形，提高產品的生產效率和產品質量。

3）通過工藝試驗摸索，掌握部件焊接過程的變形規律，一方面利用焊接夾具及反變形裝置的使用，抑制焊接過程的變形；另一方面不斷地對焊接順序進行調整，對焊接參數進行優化，對焊接工藝進行完善，減小部件焊接過程的變形，提高生產效率。

4）通過專用工裝的使用，對焊接變形進行合理的分配，消除焊接變形對部件機械加工的影響，減少裝夾、找正的輔助時間；通過加工工藝的完善、加工參數的優化等措施的實施，提高機械加工效率，達到高效加工的目的。

3 具體實施方案

3.1 理論分析

3.1.1 材料對零部件熱處理、成形的影響

輪式裝甲車輛懸架系統選用的主要材料為特種鋼，合金元素含量相對較多，比例較高[1]，加大了材料的脆性和黏性，給材料成形和熱處理增加了難度，容易造成成形過程中出現裂紋、褶皺和熱處理過程扭曲變形等缺陷，影響產品質量。

經過分析，左右U形板材料較厚（10 mm），零件形狀比較復雜，彎曲部位較多，中硬度熱處理后強度較高，熱處理后成形壓力較大且容易使零件拉裂；雖然左右支架材料較薄（5 mm），零件體積較大，成形結構較簡單，但由于彎曲處R太小（R12 mm），中硬度熱處理后成形容易在R處產生裂紋，因此均采用先成形后熱處理的方法。為了保證成形或彎曲過程中材料內部組織達到最佳狀態，具有最好的延展性，經分析，當材料內部組織為奧氏體時最好，最容易成形。因此，將左右U形板成形的工藝方案確定為模具熱沖壓成形，將毛坯進行去應力退火處理，預彎形后進行整體熱成形，最后進行熱處理。左右支架采用折彎機冷折，成形后進行熱處理。

左右U形板整體熱沖壓成形后，空間立體結構使其強度和剛度較好，通過工藝試驗，熱處理變形對其影響較小，不影響后續的裝配焊接。左右支架由于體積較大、厚度較薄，熱處理后變形較大，可通過工藝技術研究，采取必要的工藝手段，減小其熱處理變形，保證產品質量。

3.1.2 沖壓成形原理分析

與普通材料沖壓成形相比，高強度特種鋼板材的延展性和塑性較差，屈服強度大，由于Si元素含量較高，沖壓過程容易出現拉裂等缺陷，因此對模具和沖壓參數的要求非常嚴格。為了盡可能減少成形過程缺陷的產生，成形前對毛坯料片進行去應力退火，消除毛坯下料過程產生的應力和原材料殘余應力；為了保證熱沖壓成形過程零件的流向、定位的準確性，毛坯熱處理后進行預彎形處理，保證沖壓成形時料片與模具的貼合度，從而減小定位誤差，保證產品質量；通過工藝試驗，對沖壓成形模具結構、回彈力、模具材料、模具間隙等影響產品結果的因素進行調整和不斷的完善，使其達到預期的效果。

3.1.3 部件焊接變形原理分析

部件在焊接過程中，由于局部受熱不均勻，容易引起焊接變形[2]。輪式裝甲車輛懸架系統主要部件均采用焊接結構，焊接變形的控制是影響懸架系統發展的重要因素之一。如何防止和消除橫臂焊合件、下支架總成等部件焊接過程的變形，成為該集成制造技術研究的重點內容之一。通過對部件結構的分析，雖然部件結構比較復雜且不規則，但只要對其主要零件，關鍵尺寸部位采取措施，減小或消除其焊接應力，采取焊接時對主要零件、關鍵尺寸留加工余量，焊接后對部件進行機械加工的工藝方法可以滿足產品設計要求。

3.1.4 部件高效機械加工原理分析

由于部件的結構復雜且形狀不規則，機械加工過程裝夾、找正等消耗的輔助時間較長，直接影響著機械加工的效率。可以通過輔助工裝的使用，達到快速定位、夾緊、找正的目的，是提高加工效率的一條有效途徑；對工藝流程進行優化，減少工序間周轉時間是另一條有效的措施。總之，通過工藝優化可以實現高效加工的目的。

3.2 方案的選擇

3.2.1 熱處理

根據理論分析的結果，輪式裝甲車輛懸架系統核心零件左右U形板和左右支架的熱處理方案為毛坯狀態（毛坯料片）進行去應力退火，其主要作用為消除毛坯下料過程產生的應力和原材料殘余應力[3]，消除應力對后續加工的影響。左右U形板毛坯下料示意圖如圖1所示。

圖1 左右U形板毛坯下料示意圖（之一）

沖壓過程采用熱沖壓成形的工藝方案，沖壓時將預彎形后的毛坯進行預熱處理，即將毛坯加熱到900 ℃±10℃，保溫20～50 min，保證晶粒完全轉化后進行沖壓成形，保證沖壓過程毛坯的內部組織達到最佳的沖壓狀態[4]，成形后將零件從模腔中取出，水平放置在托盤上空冷。預彎形后產品示意圖如圖2所示。

圖2 預彎形后產品示意圖（之一）

成形后對產品進行熱處理淬火（中硬度286～340 HB（d=3.6～3.3 mm）），滿足產品熱處理性能指標，保證產品的使用要求。由于左右U形板結構為立體空間結構，穩定性較好，成品熱處理后變形較小，無需進行校正就能滿足部件組焊要求。

左右支架熱處理方案與左右U形板相同，區別在于左右支架熱處理變形較大，必須采取工藝措施才能有效地控制變形量。具體內容見工藝研究過程。

3.2.2 沖壓成形

1）模具的設計制造。根據左右U形板的厚度和材料性能，對制造沖壓模具的材料的性能要求非常高，為了滿足使用要求，同時考慮制造成本，采用45鑄鋼基體上固定5CrNiMo模塊或堆焊5CrNiMo焊條的結構，保證了足夠的模具強度和剛度。為了掌握確切的模具參數，根據產品毛坯實際厚度和產品使用要求，設計凸模工作尺寸（寬度）為60 mm，凹模工作尺寸（開口尺寸）為82 mm，理論單邊間隙為料厚加1 mm，其余形狀尺寸均按名義尺寸設計，根據試沖結果對模具進行調試，保證產品滿足設計要求。

2）設備選擇。經計算，左右U形板熱成形時成形力約為2700 kN，根據估算的模具尺寸，對設備功率、工作臺大小、閉合高度、頂出力等主要參數要求較低，設備具備項目研發所需的能力。

3）左右支架直接在折彎機上進行成形工序，成形過程中，用檢驗樣板配合保證成形的尺寸。

3.3 工藝研究過程

3.3.1 沖壓工藝研究

針對左右U形板板料特性及產品結構特性，初步確定為熱沖壓成形，工藝流程如下：數控等離子制展開料→沖壓成形。模具試沖過程中發現板料直接成形流料不穩定，導致工件外形滿足不了理論要求。經過分析，產生此問題的主要原因是工件與定位面接觸面小，定位不穩定。重新調整沖壓工藝，增加預彎形工序，將沖壓成形過程分為兩個工序進行，即預彎形→熱沖壓成形。通過預彎形可以有效地消除毛坯定位差、與模具貼合不好等不利因素的影響，避免沖壓過程產品出現偏移，影響質量穩定性。

加熱溫度是熱沖壓成形過程最重要的參數之一，經過對特種鋼材料成分和熱處理參數的認真研究，結合沖壓試驗的依據，最終確定加熱溫度為900 ℃±10 ℃，保溫時間為20～50 min，該溫度下材料中的內部組織將全部轉化為奧氏體，具有更好的塑性和延展性，保證產品順利成形且質量穩定。

沖壓速度也是成形過程中一項重要的參數。由于是熱沖壓成形，沖壓速度過慢，毛坯溫度降到臨界點以下時，材料的形變能力降低，容易形成沖壓缺陷；沖壓速度過快，產品塑性變形過程加快，容易使產品局部瞬時拉力劇增而將產品拉裂[5]。經過試沖環節的摸索，最終確定沖壓速度為10 mm/s。進行制造技術研究前后產品對比圖如圖3所示。

圖3 進行制造技術研究前后產品對比圖

3.3.2 進行課題研究前后左右U形板成形方法對比

課題研究前、后的工藝流程分別如圖4、圖5所示。

圖4 改進前工藝流程

圖5 改進后工藝流程

3.3.3 模具結構設計

該系列輪式裝甲車輛左右U形板共10種，按左右對稱關系可分為5組。由于該產品為不規則空間立體結構，為了保證在沖壓成形過程中壓力機受力均勻、平穩，根據產品左右對稱關系，將模具的設計方案確定為每套模具一次沖壓2件產品（左右各1件），一次沖壓成形，10種產品共需5套模具。沖壓時將模具壓裝在油壓機工作臺中心位置，保證油壓機工作過程受力均勻、平穩的同時，能更好地保證產品沖壓成形的質量[6]。小批量試制實物照片如圖6所示。

圖6 小批量試沖實物照片

由于每套模具一次沖壓出2件產品，結合油壓機工作臺面的大小、成形過程受力分析、沖壓時毛坯定位等因素，確定模具的結構為上下結構，凸模在上，與工作主軸連接；凹模在下，與機床工作臺固定在一起，其中凹模模塊中間高、兩頭低的背靠背結構。該結構在保證產品沖壓質量的同時操作方便、易于清理，能滿足批量生產的要求。實物照片如圖7所示。

圖7 沖壓模具

對于厚度為10 mm的高強度裝甲板，借鑒薄板料模具設計的基礎，利用UG軟件進行模具設計，經過反復的模擬試驗和修改完善，所設計模具經過最終零件沖壓實驗，能夠滿足使用要求。

3.3.4 熱處理工藝研究

1）毛坯去應力退火工藝研究。為了保證毛坯在后續預彎形、沖壓成形、折彎工序中獲得最佳的組織、力學性能，必須嚴格控制去應力退火后毛坯的硬度。經過對試沖過程的現場跟蹤和對試沖結果的數據分析和總結得出結論：將毛坯去應力退火后的硬度控制到≤217 HB范圍內時，產品的延展性較好，可獲得一個比較理想的綜合力學性能，能滿足沖壓成形要求。

2）熱成形（沖壓）過程毛坯溫度控制。在試沖過程中，毛坯的加熱溫度對沖壓過程和效果的影響比較明顯。為了保證產品在沖壓過程中有比較好的塑性變形，分別對850 ℃、880 ℃、900 ℃三個溫度進行了熱沖壓成形試驗，前兩個溫度點，產品在沖壓過程中容易出現工作壓力過大、成形困難、底部R過大，滿足不了圖樣要求，出現底平面沒接觸到氣墊板、底部不平整等現象。經過對以上原因的分析和后續試驗結果的研究，最終決定將加熱溫度調整為900 ℃±10 ℃，保溫20～50 min，該溫度下材料的內部組織將全部轉化為奧氏體，具有更好的塑性，保證產品順利成形且質量穩定。

3）熱處理淬火工藝研究。針對左右U形板，為了保證產品熱處理要求（熱處理硬度為286～340 HB），沖壓成形后對產品進行熱處理淬火，淬火工藝按正常的特種鋼淬火工藝執行。在加熱過程中要規范地擺放零件，以保證零件各部受熱均勻，浸入淬火介質時要求零件U形底部向下，平行地進入淬火介質，防止產品變形。

對于左右支架，產品為薄壁U型彎曲零件，而且尺寸較大，在淬火、回火之后變形嚴重，以往采用臺車爐水平加熱，零件單件加熱淬火，淬火后發生扭曲變形，而且變形較大，并且已經成形的零件在校正時非常困難。通過對現有設備進行技術改造，采用井式爐將零件垂直加熱，淬火時也垂直入水，為了防止變形，零件槽內加了4根拉筋，并且將2件零件扣到一起，進行局部點焊，整體熱處理淬火、回火后再打開，利用零件自身的強度抵抗變形，大大減少了變形，保證了單件產品的質量。

3.3.5 部件焊接變形控制工藝研究

1）根據橫臂焊合件的結構特征，設計制造了焊接夾具，通過心軸定位，將主要零件固定在焊接夾具上，壓緊后進行焊接，焊接過程中根據工藝要求的焊接順序依次從內到外、由小焊縫到大焊縫、先兩邊后中間進行焊接。焊接過程中，通過夾具的遏制（局部有反變形裝置），有效地防止變形。為了防止去應力回火過程發生變形，回火時用一根防變形心軸穿在兩支座孔中間，保證回火過程中兩孔的同軸度，滿足機械加工要求。

2）左右支架是下支架總成中最重要的兩個零件，焊接成部件后跨度大，機加后要保證其上的各平板平面度及平行度≤1 mm，各組孔系位置度及垂直度≤0.5 mm。為了保證部件焊接后能滿足機械加工要求，設計制造了專用焊接夾具，利用焊接夾具的夾緊力，遏制零件變形，減小部件的整體變形。將左右支架總成固定在焊接夾具底板上之后，通過連接板總成將一端連接在一起，用壓緊螺釘緊固在焊接夾具上；其余零件用焊接夾子夾緊，焊接過程中零件不松開，利用焊接夾具的剛性遏制焊接變形。通過對部件結構的分析，結合理論上焊接過程的變形規律，對左右支架、連接板總成、彎板總成、底板和上蓋板等主要零件的焊接順序和焊縫分布情況進行了明確的規定，對點焊后、整體焊接后、校正后3種狀態進行測量分析，掌握焊接變形量的大小和焊接變形的規律，利用焊接變形之間的相互作用來抵消焊接變形，從理論上消除焊接變形，對焊接工藝方案進行調整完善，達到焊接工藝研究的目的。同時針對焊接過程變形嚴重的部位，設置反變形裝置，有效地控制焊接變形。

3.3.6 部件高效加工工藝研究

有效控制焊接變形后，通過設計制造專用工裝，減小部件加工過程的定位、裝夾、找正等輔助時間，為關鍵部位的精加工配備專用定尺寸刀具，保證尺寸的精度。專用工裝的使用可大幅提升加工效率，同時有效地提高了產品質量，為批量配套提供了保障。實物效果如圖8所示。

圖8 整體熱成形產品實物圖

4 結論

通過對懸架系統整體及重要零部件的集成制造技術研究，使輪式裝甲車輛懸架系統核心零部件左右U形板整體熱成形、左右支架熱處理變形控制、部件焊接變形控制，以及部件高效加工制造技術的研究等核心技術得到了突破，取得了較好的效果。左右U形板整體熱成形技術提高生產效率和產品質量的同時，填補了中等厚度特種鋼板材整體成形技術的空白；掌握了大型薄壁異形特種鋼板材成形后熱處理變形控制方法；突破了框架式焊接件焊接變形控制方法以及部件高效加工制造技術，為輪式裝甲車輛懸架系統的發展和創新奠定了技術基礎，積累了較詳實的技術資料。