三元催化器殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

劉少飛

中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津市 300300

1 引言

自進入90年代以來，汽車已開始進入大眾家庭，就好像80年代的電器一樣，成為更多家庭所追求的目標。這在20多年前是根本無法想象的，由此可以充分說明，我國的經(jīng)濟實力、工業(yè)技術(shù)在不斷增強、更新，人民的生活水平正在大幅度的提升，同時將更加清晰的展現(xiàn)出，我國汽車工業(yè)的巨大進步。但汽車排氣管在生產(chǎn)中，依然存在部分問題，一部分是因生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀導(dǎo)致，另一部分是因零部件，尺寸誤差較大或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，致使生產(chǎn)出的排氣管，不良品居多。

2 沖壓件設(shè)計原則

設(shè)計的沖壓件應(yīng)滿足，產(chǎn)品在使用中的相關(guān)技術(shù)性能，并且便于組裝或維修。沖壓件應(yīng)該有利于，降低金屬材料的浪費，減少材料內(nèi)別和規(guī)格，盡可能降低材料的消耗。在技術(shù)性能允許的情況下，采用價格較低的材料，使零件做到無廢料或少廢料的生產(chǎn)工藝沖壓。沖壓件輪廓結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，簡化沖壓模具結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工序數(shù)量，以提高生產(chǎn)率。沖壓件應(yīng)該保證，能在正常使用的情況下，不影響相關(guān)技術(shù)性能，使其尺寸、精度、等級，及表面粗糙度要求盡可能低一些，可提高產(chǎn)品的使用率，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。沖壓件應(yīng)使用現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝流程，對其進行生產(chǎn)加工，且提高模具的使用壽命。

3 沖壓件生產(chǎn)工藝分析

沖壓件是靠沖床和模具對材料施加外力，使其發(fā)生變形，從而獲得所需的合格尺寸工件。沖壓的坯料主要是，熱軋和冷軋的鋼板、鋼帶。沖壓是一種高效的生產(chǎn)工藝，采用復(fù)合模具，尤其是多工位模具沖壓，可實現(xiàn)在一臺沖床上完成多道沖壓工序，實現(xiàn)由帶料開卷、矯平、沖壓到成型，精確的自動生產(chǎn)。生產(chǎn)效率高，且成本較低，每分鐘可生產(chǎn)數(shù)百件以上。

沖壓按工藝分類，主要有分離工序、成型工序和整形工序。分離是指，沖壓件是沿模具輪廓線，從板料上沖壓分離，同時要保證分離斷開的產(chǎn)品，質(zhì)量符合要求。沖壓件所使用板料的表面，和內(nèi)在性能，對沖壓件的成品質(zhì)量影響很大，要求沖壓板料厚度尺寸精確且均勻，表面光潔無拉傷、劃痕、裂紋等，屈服強度均勻[1]。其主要特點有，可以批量生產(chǎn)，并且生產(chǎn)出的產(chǎn)品一致性較好；①沖壓件是指在節(jié)約原料的情況下，經(jīng)過沖壓成型出來，其零部件質(zhì)量輕，剛度好，且板材經(jīng)過沖壓變形后，金屬材料的內(nèi)部分子組織結(jié)構(gòu)得到改善，使其沖壓件強度提高，②沖壓件具有較高的尺寸精度，同模件尺寸穩(wěn)定性好，有較高的互換性，不需要進一步的機械加工，就可滿足一般的裝配和使用要求，③沖壓件在沖壓生產(chǎn)過程中，由于材料的表面不受破損，相反有較好的外觀且光滑美觀，在沖壓件表面噴漆、電鍍、磷化及其他工藝的表面處理，提供了便利的條件[2]。針對沖壓重點講述分離工序，科學(xué)、合理計算分離工序，既可以做到產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，又可以做到提升利潤。

4 排氣管焊接工藝闡述

目前全世界不銹鋼的使用量仍以每年3%～5% 的速度迅速增長，不銹鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用將更加突飛猛進，以求其低成本、焊接可靠性等優(yōu)點，成為目前工業(yè)薄壁不銹鋼管，的主要生產(chǎn)工藝。但因其較低的焊接速度，及不合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)，嚴重限制了不銹鋼管焊接，的生產(chǎn)效率提高。根據(jù)焊接過程中駝峰焊道，和咬邊焊道形成的宏觀原因[3]，本文優(yōu)化針對，薄壁沖壓件高速焊接，且降低焊接變形，及漏氣概率，實現(xiàn)薄壁產(chǎn)品的高效生產(chǎn)。焊接速度會直接影響焊道熔深，也會影響零部件的焊接質(zhì)量及外觀。若提高焊接速度，可避免金屬過熱，減少熱影響區(qū)，與此同時焊道熔深也會縮小。如焊接速度過高，使其對焊道的保護性能降低，焊道寬度不均勻，還會出現(xiàn)焊道為滲透等現(xiàn)象。

在焊接過程中，焊接熱源處的周圍，和焊縫區(qū)存在一個應(yīng)力區(qū)，焊縫區(qū)因焊接高溫，基材晶體發(fā)生變化，材料基體產(chǎn)生應(yīng)力，焊縫周圍的應(yīng)力區(qū)域逐漸擴大，最終形成了焊縫應(yīng)力變形，不同的是受熱分布區(qū)域大小和應(yīng)力值。

因塑性變形是不可恢復(fù)的，同時各零部件之間是相互牽連和約束的整體，因而產(chǎn)生壓縮塑性變形的焊縫，和熱影響區(qū)受到應(yīng)力變化，在焊縫和熱影響區(qū)兩側(cè)必然會，各存在一個應(yīng)力區(qū)與之平衡[4]。

為保障SUH 409薄壁管焊接后漏氣補焊概率降低，現(xiàn)對催化器錐體合片結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，原因①因手工補焊，使用鎢極氬弧焊，用氬氣作為氣體保護，熱導(dǎo)率較低，焊接后焊道散熱較慢且不均勻，因而二次補焊焊接，對產(chǎn)品變形有直接性影響，②我公司焊接機器多，且機器手焊接一致性好，在原有基礎(chǔ)上能有效減小焊接變形量，特別是對薄板材焊接件，不會出現(xiàn)因焊道不穩(wěn)定因素，而導(dǎo)致漏氣現(xiàn)象。

5 沖壓零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化闡述

如圖1、圖2所示，錐體合片焊接結(jié)構(gòu)，分兩次焊接作業(yè)，且對沖壓件尺寸、成型要求更高，考慮到?jīng)_壓工位，環(huán)境溫差較大，零部件成型及反彈比率會出現(xiàn)部分差異。若零部件尺寸、成型誤差較大，則在焊接過程中，錐體合片兩側(cè)焊道，與進氣端、出氣端整圓焊道搭接不上（焊道沒有熔深），一次生產(chǎn)下線合格率低于50%。鑒于存在以上問題，本文重點針對三元催化器，沖壓合片的工藝及結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，不僅可以應(yīng)用到，三元催化器中，同時也可以應(yīng)用到，排氣岐管等更大范圍的零部件，提高產(chǎn)品生產(chǎn)合格率，力爭做到一次下線合格率達到99%以上，做到不出不良品，不返工維修。

如圖3、圖四所示[5]，錐體焊接結(jié)構(gòu)有很大改善，優(yōu)化后錐體相對于優(yōu)化前椎體，減少機器手調(diào)整焊槍姿態(tài)次數(shù)，減少起弧收弧，且在生產(chǎn)中，焊接作業(yè)流暢，現(xiàn)就對該結(jié)構(gòu)錐體優(yōu)點總結(jié)如下：

圖1 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖2

圖3 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)

圖4

● 減少焊道搭接數(shù)量，避免出現(xiàn)更多不良品；

● 減少錐體合片因沖壓變形、反彈致使兩端口尺寸不良，出現(xiàn)廢品；

● 減少錐體因半圓合片焊接，出現(xiàn)圓形不規(guī)則而返修；

● 錐體合片焊道貫穿鏈接，有效提高錐體強度。

如凸模下料時，材料產(chǎn)生瞬間輕微的變形，此時如提模，變形將消失，如果凸模繼續(xù)下壓，板料變形區(qū)域的應(yīng)力將逐漸增大，如果材料應(yīng)力達到一定強度，材料將進入塑性變形區(qū)域。如圖五所示，針對該方案做計算分析，錐體合片焊接強度滿足要求。

沖壓變形時，位于凸模平面下方，凹模平面上方的材料，收到模具傳遞的壓力作用，材料成型，同時材料塌角處，要支撐變形區(qū)域，又因為摩擦力的作用，而受到部分拉力。以上對沖壓件進行工藝分析，除了考慮上述因素外，還因考慮沖壓件的厚度，板料性能以及沖壓工序和其他工序，之間的關(guān)系相互影響。優(yōu)化后的錐體結(jié)構(gòu)，只需對沖壓工序的模具、設(shè)備進行調(diào)試、完善，就可以做到完整的焊接作業(yè)工序，下線合格率大幅度提升，且穩(wěn)定性好，保證產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，實現(xiàn)最好的經(jīng)濟效益，創(chuàng)造更加有利的價值。

6 結(jié)語

通過對沖壓產(chǎn)品的了解及實際問題分析，發(fā)現(xiàn)沖壓模具在生產(chǎn)過程中，因生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)環(huán)節(jié)等因素，出現(xiàn)產(chǎn)品不一致，尺寸誤差較大，致使產(chǎn)品在焊接過程中，無法完成焊接及產(chǎn)品的一致性，且部分出現(xiàn)不合格品等問題。

圖5

通過對沖壓件結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，以及對沖壓板材尺寸的管控，來降低沖壓件，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)不良品，減少沖壓件外表面劃痕，有效提高針對催化器所使用的，沖壓件的合格率，間接提高了沖壓件的質(zhì)量，及市場占有率。