汽車前軸產(chǎn)品開發(fā)流程

劉元偉，李建波，胡亞民

（1.山東恒泰車橋有限公司，山東 新泰 271200；2.重慶理工大學(xué) 材料學(xué)院，重慶 400050）

汽車前軸產(chǎn)品開發(fā)流程

劉元偉1，李建波1，胡亞民2

（1.山東恒泰車橋有限公司，山東 新泰 271200；2.重慶理工大學(xué) 材料學(xué)院，重慶 400050）

簡述了汽車前軸新產(chǎn)品開發(fā)流程。以B02汽車前軸新產(chǎn)品開發(fā)為例，介紹了汽車前軸的零件三維造型設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換成二維圖紙，三維模具造型設(shè)計(jì)，模具二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，模具CNC加工，模具調(diào)試，小批量生產(chǎn)，并介紹了新產(chǎn)品開發(fā)中影響品質(zhì)的主要問題與預(yù)防措施。

汽車前軸；開發(fā)流程；三維造型；CNC加工；產(chǎn)品品質(zhì)

前軸是載貨汽車、大型客車底盤系統(tǒng)的重要保安件之一，形狀復(fù)雜，承受沖擊性負(fù)荷，尤其是車輛在下坡急剎車時(shí)，前軸將承受總負(fù)荷的2/3，因此對(duì)其強(qiáng)度、剛性和疲勞壽命要求較高，其品質(zhì)直接影響到汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的安全性。合理的前軸設(shè)計(jì)，不僅可以提高汽車的承載性能，還可改善汽車行駛中的平穩(wěn)性。

隨著國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)要求的不斷提高，尤其是汽車保安件的生產(chǎn)方式的優(yōu)化，高端產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。在保證產(chǎn)品品質(zhì)的情況下，企業(yè)為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，縮短前軸產(chǎn)品的開發(fā)周期，顯得尤為重要。

1 前軸模具設(shè)計(jì)流程

在進(jìn)行前軸的新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，一般是根據(jù)客戶所提供的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)模具，模具設(shè)計(jì)好以后，本廠有加工能力的則由本廠自己進(jìn)行加工，也可委托他廠外協(xié)加工。但作為一個(gè)老廠，為了縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本，也可利用本公司以往使用過的舊模具進(jìn)行局部焊補(bǔ)或切削加工翻新制造。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，有時(shí)還會(huì)接到用戶對(duì)所提供的前軸圖紙修改的通知，也應(yīng)根據(jù)新圖紙的形狀和尺寸要求，對(duì)已設(shè)計(jì)好的模具重新修改。前軸產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 前軸新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程

（1）首先對(duì)前軸零件圖進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，還可能發(fā)現(xiàn)客戶提供的零件圖有無問題。

（2）將做好的前軸零件三維造型轉(zhuǎn)換成前軸零件二維圖紙，然后與客戶會(huì)簽前軸零件二維圖紙。

（3）根據(jù)會(huì)簽結(jié)果及其修改意見，綜合考慮輥鍛件和模鍛件的設(shè)計(jì)知識(shí)，設(shè)計(jì)前軸模具的三維造型。

（4）將前軸模具的三維造型轉(zhuǎn)換成前軸模具的二維圖紙，圖紙轉(zhuǎn)換完畢，確認(rèn)模具三維造型正確。

（5）模具CNC加工。

（6）模具加工完畢，進(jìn)行模具調(diào)試。

模具調(diào)試成功，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，即可進(jìn)行小批量生產(chǎn)。

一般情況下，新產(chǎn)品開發(fā)周期相對(duì)較長，因?yàn)橹匦轮谱髂＞咝枰獪?zhǔn)備模具鍛坯、機(jī)械加工模塊、精加工模具型腔和熱處理等工序，需要較長時(shí)間，還有如確定開發(fā)方案、對(duì)產(chǎn)品和模具的三維造型設(shè)計(jì)和模具的加工、調(diào)試等，都需要一定時(shí)間。

下面簡單介紹B02前軸的開發(fā)過程。

2 前軸模具設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)流程

在新產(chǎn)品開發(fā)、模具三維造型設(shè)計(jì)和模具CNC編程時(shí)，如由一位技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、編程，則設(shè)計(jì)、編程、校核周期長，開發(fā)進(jìn)度難以保證，而且對(duì)技術(shù)人員的業(yè)務(wù)技能要求較高。由多位成員組成的開發(fā)團(tuán)隊(duì)能夠縮短開發(fā)周期。往往在產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)過程中要嚴(yán)格協(xié)調(diào)，保證相互配合一致，不能出現(xiàn)差異。如果協(xié)調(diào)不好，人員配置不當(dāng)，不能充分發(fā)揮每個(gè)人的主觀能動(dòng)性，會(huì)使人員冗余，使得生產(chǎn)總成本增加，也增加了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，延緩了開發(fā)進(jìn)度，且難以保證產(chǎn)品品質(zhì)。

由圖1可知，前軸新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)流程可分為五大階段：開發(fā)背景階段；產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)階段；模具三維造型設(shè)計(jì)階段；模具CNC加工階段；產(chǎn)品試鍛、加工階段。

作為新開發(fā)產(chǎn)品或新投產(chǎn)的生產(chǎn)前軸的工廠或車間，開始的工作量很大，工廠以前沒有搞過類似產(chǎn)品，設(shè)計(jì)人員以前沒有搞過，工人也缺乏操作經(jīng)驗(yàn)，因此要花費(fèi)較多的時(shí)間，開發(fā)周期較長。而一旦工廠里具有了一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)后，再開發(fā)前軸類型的產(chǎn)品就容易了。這也就是建廠歷史較長的廠家或有經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)廠家開發(fā)周期較短的原因。

另外，當(dāng)模具三維造型設(shè)計(jì)為第二個(gè)人時(shí)，負(fù)責(zé)模具三維造型設(shè)計(jì)的人員應(yīng)認(rèn)真讀懂前軸零件圖紙和新設(shè)計(jì)的鍛件圖紙。要和前軸零件圖的設(shè)計(jì)人員相互溝通，不能粗枝大葉、不求甚解或?qū)D紙的認(rèn)識(shí)模糊不清。

在對(duì)模具模腔進(jìn)行CNC加工時(shí)，CNC加工的編程人員也要與前軸零件設(shè)計(jì)人員、模具三維造型設(shè)計(jì)人員溝通清楚。

總的來講，廠里的總工程師應(yīng)該協(xié)調(diào)這三方面人員的工作，確保在設(shè)計(jì)和加工前軸模具時(shí)不要在圖紙上發(fā)生矛盾，出現(xiàn)品質(zhì)問題。

B02新前軸零件圖如圖2所示。

2.2 B02前軸的開發(fā)

2.2.1 開發(fā)背景階段

在收到新產(chǎn)品零件圖后，總工程師應(yīng)組織召開評(píng)審會(huì)議，評(píng)審產(chǎn)品開發(fā)可行性，做出可行性分析報(bào)告。在進(jìn)行可行性分析時(shí)，對(duì)比與本廠現(xiàn)有產(chǎn)品的相符性，評(píng)審確定開發(fā)周期和具體的開發(fā)方案等。

圖2 B02前軸零件圖

新開發(fā)的產(chǎn)品一般會(huì)有三種情況：①與本廠現(xiàn)有前軸產(chǎn)品完全相符，新產(chǎn)品和現(xiàn)有的前軸成品可以共用一種毛坯；②與本廠現(xiàn)有前軸產(chǎn)品局部相符，如只有工字梁尺寸和板簧部位尺寸局部相符，等；③與本廠現(xiàn)有前軸產(chǎn)品不相符。

作為一個(gè)生產(chǎn)前軸多年的老廠，在對(duì)B02前軸產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)時(shí)，技術(shù)人員首先檢查核對(duì)本廠有否生產(chǎn)過該產(chǎn)品或與其相近的產(chǎn)品。如有形狀相似，或局部相符，或長短相近的產(chǎn)品，則具體區(qū)分異同。較為簡便的方法可將B02前軸零件圖或模具圖與廠內(nèi)已生產(chǎn)的前軸零件圖或模具圖分別疊放在一起，觀察分析前軸各部位的干涉現(xiàn)象如干涉量是多少及其對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響程度，并立即將這種情況通知用戶。

如干涉量較小，用戶認(rèn)為可以使用，無關(guān)大局，則要請(qǐng)其會(huì)簽認(rèn)可我單位的圖紙，然后投料生產(chǎn)。我們認(rèn)為：如果能用現(xiàn)有的前軸產(chǎn)品，只需對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的模具型腔進(jìn)行局部修改，修改后盡量做到兩種產(chǎn)品共用一種毛坯，這樣可以大大節(jié)約開發(fā)新前軸的生產(chǎn)成本，因?yàn)椴坏珳p少了對(duì)模具的再次加工，也減少了為保證后續(xù)機(jī)械加工時(shí)重新設(shè)計(jì)和加工制造刀、模、夾具的加工量和工作量。

如果兩種產(chǎn)品的鍛件毛坯有較大不同，必須要區(qū)分，則盡量不要修改對(duì)鍛件品質(zhì)影響大、最容易出現(xiàn)品質(zhì)問題、最不容易調(diào)試模具型腔獲得滿意品質(zhì)的部分，如前軸的板簧座位置。因?yàn)榘寤刹课坏慕孛娣e最大，在前軸生產(chǎn)過程中，板簧座附近的飛邊最少，最容易發(fā)生產(chǎn)品缺肉，使產(chǎn)品不符合圖紙要求?？梢韵仍诮饘儆嗔慷?，飛邊大的地方修改，也盡量較小修改局部的尺寸。

如果不能共用一種鍛件，那么就要重新生產(chǎn)。此時(shí)也不一定考慮所需模具全部重新制作，可以考慮利用閑置的老模塊進(jìn)行型腔翻新。這樣可減少新模具加工投入的費(fèi)用，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間。對(duì)老模塊進(jìn)行改造翻新，先堆焊模膛，再采用數(shù)控加工中心加工出B02前軸模具型腔輪廓。

我們認(rèn)為，及時(shí)就本單位的實(shí)際生產(chǎn)情況與客戶溝通并會(huì)簽圖紙進(jìn)行確認(rèn)非常重要，否則就一定要根據(jù)零件圖對(duì)模具進(jìn)行修改，這相當(dāng)于重新設(shè)計(jì)和制造模具。不但多花了模具的設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，也增加了生產(chǎn)成本。另外，對(duì)設(shè)計(jì)人員也增加了麻煩，如果設(shè)計(jì)人員沒有認(rèn)真閱讀圖紙，沒有正確理解圖紙上的每一根線條和每一個(gè)細(xì)節(jié)，反而容易出錯(cuò)，造成不必要的損失。

2.2.2 產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)階段

對(duì)新產(chǎn)品B02前軸的開發(fā)方案確定后，即可進(jìn)行產(chǎn)品三維造型設(shè)計(jì)。產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)需要注意：首先要檢查B02前軸二維零件圖是否合理、準(zhǔn)確。由于各種原因，客戶提供的前軸圖有時(shí)并不完全正確，尺寸和線型等的表示效果不一定非常正確。如果是電子版的圖紙，還要看是否是1∶1的標(biāo)注尺寸，如果不是，要將圖形全部改成1∶1標(biāo)注。因?yàn)樵诎?∶1的比值所畫的圖紙上，產(chǎn)品直觀、準(zhǔn)確，容易發(fā)現(xiàn)問題。

把B02前軸零件的二維圖紙（圖2）導(dǎo)入到三維設(shè)計(jì)軟件里，做出零件的三維造型如圖3所示（半成品，無板簧孔和主銷孔），再把造型的軸頭A和板簧座B、工字梁側(cè)面C部位通過曲面抽取、延伸、拔模等方法對(duì)后續(xù)加工余量和拔模角度直接做出補(bǔ)充修改，做出前軸鍛件三維造型，如圖4所示。做完前軸鍛件三維造型后，及時(shí)做出產(chǎn)品鍛件的二維圖紙，檢查鍛件三維造型尺寸是否正確。

圖3 B02前軸零件三維造型（半成品）

圖4 B02前軸模鍛件三維造型

前軸鍛件三維造型和二維圖紙必須得到客戶的首肯，才能最終確定前軸加工成品圖。與客戶會(huì)簽圖紙這一環(huán)節(jié)非常重要，如果客戶不同意某些尺寸，必須向其認(rèn)真解釋，使其領(lǐng)會(huì)有關(guān)原因或是有利于提高產(chǎn)品品質(zhì)，或是為了降低生產(chǎn)成本，或是為了減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度等。如用戶還是不同意，那就一定要按照用戶要求再次修改前軸零件和模鍛件的三維造型和二維圖，直至客戶同意，否則不能生產(chǎn)，當(dāng)然更不能制作模具。

某廠曾經(jīng)發(fā)生在開發(fā)前軸時(shí)，在產(chǎn)品造型中改動(dòng)個(gè)別尺寸，但沒有向客戶通報(bào)和與客戶會(huì)簽圖紙，結(jié)果生產(chǎn)出的產(chǎn)品交付客戶進(jìn)行裝配時(shí)產(chǎn)生干涉，無法使用。

在與客戶對(duì)前軸零件圖會(huì)簽后，方可設(shè)計(jì)模具，確定模具型腔尺寸。為了縮短開發(fā)時(shí)間，最好用閑置的舊模具進(jìn)行局部焊補(bǔ)或切削加工翻新制造，確定最佳模具型腔的堆焊工藝方案。

設(shè)計(jì)焊接工藝方案的對(duì)比圖是為了在確保模具使用壽命的前提下，考慮工人容易焊接操作，保證焊接品質(zhì)，節(jié)省焊材。在焊接工藝方案對(duì)比圖上需明確標(biāo)識(shí)出模具型腔需要堆焊的部位，同時(shí)用不同的線型區(qū)分新前軸產(chǎn)品模具和原前軸產(chǎn)品模具的外廓尺寸。一般用粗實(shí)線表示圖紙中的可見輪廓尺寸，不可見輪廓線用虛線畫出，細(xì)實(shí)線表示剖面線、剖面邊界線、尺寸線和尺寸界線，雙點(diǎn)畫線表示成品尺寸，單點(diǎn)畫線是中心線。虛線、細(xì)實(shí)線和細(xì)點(diǎn)畫線的圖線寬度約為粗實(shí)線的1/3。

2.2.3 模具三維造型設(shè)計(jì)階段

前軸零件圖紙會(huì)簽確認(rèn)后，即可根據(jù)鍛件的三維造型設(shè)計(jì)前軸模具，如輥鍛模、終鍛模、切邊模、校正模等。在這些模具設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)輥鍛模的設(shè)計(jì)尤其復(fù)雜，其工作量最大。例如對(duì)輥鍛模型腔“拳頭”部位、板簧部位、工字梁截面的設(shè)計(jì)和如何合理確定這些部位不同的熱縮率等。

輥鍛模型腔截面大小是由鍛件對(duì)應(yīng)區(qū)段的截面加上飛邊截面和考慮了鍛件公差而決定的，其截面大小與相應(yīng)區(qū)段成形難易有關(guān)。輥鍛模型腔設(shè)計(jì)的精確程度直接決定了鍛件材料利用率的高低，因此為了提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益，精確制坯一直是鍛造工藝人員努力的方向。但是，在大批量、高效率的生產(chǎn)環(huán)境下，制坯的穩(wěn)定性更為重要。變截面的數(shù)量越多，輥鍛模的設(shè)計(jì)工作量越大，模具的制造維修越復(fù)雜，越麻煩。如模具型腔設(shè)計(jì)得不合理，輥鍛生產(chǎn)時(shí)的穩(wěn)定性越差，成品率低；反之，則輥鍛生產(chǎn)時(shí)的穩(wěn)定性好，成品率高。因此設(shè)計(jì)時(shí)，綜合各種因素后，在獲得較高材料利用率的同時(shí)應(yīng)該盡可能減少變截面數(shù)量，B02前軸截面圖如圖5所示。

圖5 前軸變截面數(shù)量的簡化

有關(guān)具體的前軸輥鍛模設(shè)計(jì)過程可參考拙作《M4輕型載貨汽車前軸輥鍛模的設(shè)計(jì)》，該文發(fā)表于《金屬加工（熱加工）》雜志2015年第9期。

前軸鍛件用材料主要分為調(diào)質(zhì)鋼和非調(diào)質(zhì)鋼。調(diào)質(zhì)鋼有45、50、40Cr及42CrMo等，非調(diào)質(zhì)鋼有12Mn2VB、32MnSiVS5等。它們的熱收縮率大致為1%～1.7%，非調(diào)質(zhì)鋼的熱收縮率取較小值，調(diào)質(zhì)鋼的熱收縮率取較大值。不同的模具熱縮率也是不同的，終鍛模比校正模稍大。

作為工廠的總工程師，在組織設(shè)計(jì)人員進(jìn)行三維模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)思路，明確分工，區(qū)分職責(zé)，充分發(fā)揮各個(gè)技術(shù)人員的主觀能動(dòng)性。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行任務(wù)交接時(shí)，應(yīng)當(dāng)書面交接，雙方簽字確認(rèn)。前軸鍛件設(shè)計(jì)人員和模具設(shè)計(jì)人員工作交接中不能掉以輕心。在圖紙上一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤，不管大小，都會(huì)使產(chǎn)品出現(xiàn)品質(zhì)問題，給工廠帶來經(jīng)濟(jì)損失。

模具三維設(shè)計(jì)完成后出模具二維圖紙，還要再次校核模具三維造型的正確性。

前軸零件往往是客戶廠家自行設(shè)計(jì)的，有經(jīng)驗(yàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必然要懂一些前軸產(chǎn)品加工制造工藝。我們搞前軸產(chǎn)品加工制造的人也要了解一些前軸裝配車輛的性能和在使用場(chǎng)合的受載情況及對(duì)輪廓尺寸的要求。

2.2.4 模具CNC數(shù)控加工階段

模具的二維圖紙完成后，即可對(duì)模具進(jìn)行CNC編程加工，要求編程工程師編的加工刀路盡可能避免出現(xiàn)抬刀程序和走空刀程序，從而節(jié)約加工時(shí)間。模具加工完成驗(yàn)收時(shí)，型腔尺寸應(yīng)該采用樣板進(jìn)行檢驗(yàn)。雖然采用數(shù)控CNC加工，加工的尺寸和加工精度比電火花加工大大提高，但是檢驗(yàn)這一環(huán)節(jié)仍然不能忽視。型腔尺寸用樣板檢驗(yàn)比用游標(biāo)卡尺檢驗(yàn)方便準(zhǔn)確，測(cè)量誤差小。而且樣板制作簡單，只需要采用一塊2mm～5mm低碳鋼板，把需要測(cè)量的模具型腔截面線切割加工后即可使用。圖6為檢驗(yàn)?zāi)城拜S工字梁部位型腔尺寸的線割樣板。為了防止使用過程中的磨損致使尺寸超差，最好對(duì)其進(jìn)行滲碳處理。

圖6 某前軸工字梁的線割樣板

模具檢驗(yàn)后，應(yīng)把檢驗(yàn)數(shù)據(jù)認(rèn)真記錄存檔，方便日后查找、追溯。對(duì)于這些工作，都應(yīng)當(dāng)作為廠里的一項(xiàng)制度認(rèn)真執(zhí)行，不能掉以輕心，敷衍了事，更不能隨意違反。

2.2.5 產(chǎn)品試鍛、加工階段

對(duì)加工完的模具驗(yàn)收合格后，即可進(jìn)行調(diào)試模具試生產(chǎn)。

在產(chǎn)品試鍛和加工時(shí)，要做好每一樣件的調(diào)試參數(shù)記錄和樣件的檢測(cè)和加工記錄。這樣出現(xiàn)問題可以改進(jìn)，也能追溯查找責(zé)任。對(duì)總結(jié)前軸設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提高產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期也大有好處。

3 結(jié)束語

前軸新產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)進(jìn)一步向標(biāo)準(zhǔn)化和流程化方向發(fā)展。在有條件的單位，都應(yīng)對(duì)前軸產(chǎn)品和有關(guān)工模夾具建立適應(yīng)本單位的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)，必須進(jìn)行評(píng)審，確定最佳開發(fā)方案，這樣可以減少技術(shù)人員的冗余工作，大大節(jié)約開發(fā)時(shí)間。同時(shí)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和找出各階段存在的問題和必須改進(jìn)之處，不斷總結(jié)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)提高本廠產(chǎn)品品質(zhì)大有好處，也有利于本廠技術(shù)人員業(yè)務(wù)能力的提高。

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Development process of front axle for automobile

LIU Yuanwei1，LI Jianbo1，HU Yamin2
（1.Shandong Hengtai Axle Co.，Ltd.，Xintai 271200,Shandong China; 2.School of Material,Chongqing University of Technology,Chongqing 400050,China）

The development process of front axle for automobile has been described.Taking the B02 automobile as an example,the 3D modeling design of front axle for automobile has been introduced and converted into 2D drawing.The 3D and 2D design have been expounded,as well as the CNC machining and commissioning of tool.The small batch of production has been exerted.The main problems affecting the quality and relevant precautions have been introduced during the development process of new front axle.

Front axle of automobile;Development process;Three dimensional modeling;CNC machining; Product quality

TG312

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.029

1672－0121（2016）04－0097－05

2016－03－07；

2016－04－29

劉元偉（1987－），男，助工，從事鍛造工藝及模具設(shè)計(jì)、加工工藝開發(fā)研究。E－mail：liuyuanwei0538＠163.com