整體式車架變形矯正控制研究

張文朋

奇瑞汽車股份有限公司 安徽省蕪湖市 241006

我公司開發的某款越野車，獨立車架為整體式結構。此種形式的車架有材料利用率高、焊縫少，生產成本較低，車架質量輕、抗扭轉和抗彎曲強度好的優點。但是由于整體式縱梁成形差、CO2焊接變形大等因素，導致車架各安裝點尺寸不穩定，從而出現總裝件裝配困難、四輪參數不合格等質量問題。

針對上述質量問題，我們采用多方面的優化措施，最終有效控制了車架安裝點的精度要求，以滿足總裝裝配及整車性能要求。

1 引言

車架是非承載式車身車型的重要組成部分。汽車各總成都直接或間接地安裝在車架上，車架是承受載荷的基礎件，它既承受汽車的靜載荷，還要承受汽車行駛中的動載荷。

整體式獨立車架的基本參數為4450mm×1380mm×420mm，主體由左右兩根整體式縱梁和七根橫梁組成。對于重要安裝點（上下擺臂、發動機、轉向機、前后橋安裝點），精度公差為±1.5mm，一般的安裝點精度公差控制在±2.0mm。

圖1 整體式車架結構示意圖

2 影響整體式車架精度因素分析

2.1 沖壓件精度

由于車架縱梁本體是非等截面梁，且存在很多的橫彎和縱彎，整體式縱梁沖壓制件成形的工藝性差，在制件成型后存在嚴重的扭曲、反彈現象。根據我們對沖壓件成品檢具檢測的結果，其回彈角只能控制到1°-2.5°，反彈為3-5mm，扭曲達到10-20mm。而縱梁又是車架最關鍵的沖壓件，從整個車架結構上看其他定位小件均依附于縱梁，縱梁的不穩定將直接導致其上焊接的小件的不穩定，因而縱梁的不穩定直接決定車架的精度的控制難度。因此要想控制整體式車架的精度，首先要控制整體式縱梁的精度和穩定性。

2.2 工藝原因

前期SE分析包括工藝拆分的工作，直接影響到焊接車架最終的尺寸精度和調整的可能性。在工藝分析階段必須充分考慮整體式車架的特殊要求，CO2焊接的工藝特性，在滿足節拍的前提下，盡量遵守將組成主體的縱梁和橫梁工序OP10完成焊接，對于功能尺寸要求的沖壓件必須拆分在同一工位的原則。

為了有效控制CO2焊接變形，必須選擇合理的焊接參數和焊接順序。車架厚板件焊接參數為焊絲直徑1.2mm，焊接電壓為16-21V，焊接電流為150-180A。焊接順序應盡量采用對稱焊接，以使焊縫引起的變形相互抵消；焊縫不對稱的，應先焊焊縫少的一側。對于較長的焊縫，盡量采用分段跳躍式焊接。

2.3 夾具設計因素（矯正工位、反變形控制）

整體式車架沖壓件料厚在2-4mm之間，采用CO2焊接，其功能尺寸和工藝要求對夾具的結構和形式提出了不同于薄板點焊夾具的要求。在夾具設計時，優先考慮實際工件的尺寸精度以及車架安裝點的功能尺寸要求，且針對焊接變形大，取件困難等問題確定預防措施。

3 整體式車架精度矯正控制方法

整體式車架由于其特殊自身尺寸和工藝要求，需要在以下幾個方面加以控制，以達到車架精度滿足總裝裝配需要和整車性能要求的目的。

3.1 針對縱梁單件的矯正控制

從上文所述，整體式縱梁的反彈和扭曲將嚴重影響整體式車架的Y向和Z向精度，但從沖壓件及模具本身完全消除整體式縱梁的反彈和扭曲無法實現，故從夾具上如何減少整體式縱梁的反彈扭曲影響成整體式車架的精度矯正控制的重點。這就決定了對于整體式車架的夾具，它已經不單單是對工件進行定位的工具，同時它要擔負起控制沖壓件變形，甚至對其進行校正的作用。

3.1.1 針對縱梁單件反彈的控制

車架縱梁結構剖面如圖2所示，其為一個大U型的縱梁外板和帶翻邊的縱梁內板扣在一起構成閉合的盒裝結構?？v梁本體受結構的影響其開口反彈如圖2所示，對此焊裝在縱梁外板與內板搭接處增加隨型液壓夾具（圖3）對縱梁外板開口尺寸進行校正后再焊接可以消除縱梁外板的反彈對縱梁總成精度的影響。

圖2 縱梁單件理想狀態與實際狀態對比

圖3 縱梁隨型夾具校正夾具

3.1.2 針對縱梁單件扭曲的控制：

整體式縱梁受其長度及其結構形狀的影響，引起形狀在Y、Z方向均有彎曲型面，且型面較多，所以沖壓制件在Y、Z方向上均有較大程度的扭曲，除在沖壓工藝上進行控制外，焊裝也需采用反變形的控制手段進行控制。

反變形控制需要工程師們根據經驗與變形的規律，在現場試驗和模擬試驗，焊接前預先將焊接制件向著與焊接變形相反的方向變形或移動在縱梁單件內部形成一定的預應力，在焊接過程中，工件受CO2焊接熱量的影響形成熱變形，在應力的作用下，使工件預應力與焊接應力抵消達到焊接變形的目的。根據CO2焊接變形量，對于車架的CO2焊接夾具，調整墊片厚度總和為H1，原則上要求厚度為8mm（如圖3所示），對于規制塊H1=5mm+0.5mm×2+1mm×2，對于定位銷H1＝5mm +0.2mm×1＋0.3mm×1＋0.5mm×1＋1mm×2，個別位置根據實際狀況進行調整。

3.2 縱梁總成的矯正控制：

對于一個4.5m長的整體式縱梁，縱梁內外板的整個CO2氣體保護焊的焊接長度約為9m，按照正常CO2氣體保護焊的焊接速度為25m/h計算，等于車架持續受熱約0.36h，同時受熱部位遍及縱梁的每一個地方。如果熱量得不到很好的釋放與散發，則會對縱梁造成較大的熱變形。

3.2.1 焊接順序控制：

因為弧焊量太大，整個縱梁受熱太多，導致縱梁的變化量較大，因此在焊接工藝及焊接順序上需要進行控制。我們采用的方法是跳躍式分段焊接，避免焊接熱量集中，減少焊接熱量對縱梁造成的變形，同時又可以使其焊接應力達到相互抵消。

如圖5所示（黑色部分為第一序焊縫，白色部分為第二序焊縫），在每一序均采用跳躍式焊接方法可有效減少CO2焊接變形量。

3.2.2 車架總成利用橫梁進行反變形控制

考慮焊接變形的無法消除，在車架OP10工位利用各橫梁對縱梁總成Y向和Z向進行定位控制，此處控制可有效消除縱梁總成Y向的扭曲及CO2焊接變形。

圖5 車架縱梁分段跳躍式焊接示意圖

3.3 車架總成的矯正控制

通過上述分析，在縱梁焊接的時候，經過分段跳躍式焊接和橫梁定位的方法，縱梁總成的Y向變形得到了有效控制，但Z向變形方面仍無法有效控制。為此車架總成仍需進行Z方向的矯正控制，校正工位的工序順序選擇對車架總成Z向精度控制至關重要。

通過分析，對于功能尺寸要求較高的件，我們安排在同一工序焊接，雖能保證部分精度控制點的絕對準確，但因縱梁總成的反彈扭曲，導致縱梁與各焊接小件的相對位置不準確，故導致車架Z向尺寸不穩定，故確定在車架OP10工位后增加校正工位對車架整體Z向進行校正。

校正工位采用液壓電控系統，以車架中部結構最穩定部分為固定夾持，分別利用液壓缸機械校正車架前后兩段，以縱梁Z向基準為基準點進行校正車架兩端Z向尺寸。校正前對車架狀態進行測量取樣，經過試驗得出校正工位的參數，并且校正工位參數可以根據車架取樣狀態對每個車架選擇不同的參數進行校正。達到對不同狀態的車架均能校正合格的效果。

4 結語

由于整體式縱梁的扭曲、反彈量大，大大增加了整體式車架的精度控制難度。本文從自身車型實際出發，探討了影響整體式車架精度校正的因素，并從如何控制縱梁單件、縱梁總成和車架總成的焊接變形等方面介紹了如何進行整體式車架的精度矯正控制。關于如何使用夾具進行校正，目前在國內還屬于較為陌生的領域，業內也一直眾說紛紜，但就自身項目來看，獲得了較為良好的效果，故淺顯的提出來與大家共享。