第9章 汽车先进制造技术4、5

9.4焊接技术焊接定义：焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的建和而形成永久性连接的工艺过程。焊接优点：（1）节省金属材料，减轻结构重量。（2）结构强度高，街头密封性好（3）焊接过程易实现机械化和自动化（4）为结构设计提供较大的灵活性汽车工业所用到的焊接方法及零部件的应用焊接方法零部件的应用电阻焊点焊主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等。多点焊用于车身底板、载货车车厢、车门、发动机盖和行李箱盖等。凸焊、滚凸焊用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄、螺钉、螺帽和小支架等。缝焊用于车身顶盖雨檐对焊用于钢圈、进排气阀杆、刀具等电弧焊CO2保护焊用于车厢、后桥、车架、减震器阀杆、横梁、后桥壳管、传动轴、液压缸和千斤顶等氩弧焊用于机油盘、铝合金零部件的焊接和补焊。焊条电弧焊用于厚板零部件如支架、备用胎、车架等。埋弧焊用于半桥套管、法兰、天然气汽车的压力容器等特种焊摩擦焊用于汽车阀杆、后桥、半轴、转向杆和随车工具等电子束焊用于齿轮、后桥等激光焊割由于车身底板、齿轮、零件下料及修边等氧乙烷焊用于车身总成的补焊钎焊用于散热器、铜和钢件、硬质合金的焊接搅拌摩擦焊在汽车制造中的应用搅拌摩擦焊原理由一个圆柱形的焊头伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接搅拌摩擦焊工艺夹紧固定搅拌指头深入焊缝搅拌指头高速旋转与工件摩擦产生热量，使工件塑化搅拌指头沿焊缝移动搅拌指头离开，尾部塑性金属流在挤压下重新结合形成固相焊缝搅拌摩擦焊主要优点有：（1）焊接接头质量高。①焊接接头不易产生缺陷。②焊接接头热影响区显微组织变化小。③焊接工件不易变形。（2）能一次完成较长、较大截面、不同位置的焊接。由于不是依靠两焊接相对摩擦来进行焊接，根本上改变了传统的摩擦焊只能焊接简单断面的局限性，扩大了应用范围。（3）操作便于机械化自动化。不需要熟练技巧的高水平焊工进行操作，因此质量稳定性好，重复性高。（4）低成本①不需要填充材料，也不用保护气体；②厚焊接件边缘不用坡口加工；③焊接铝材工件不用去氧化膜，只需用溶剂擦去油污即可；④对接容许留一定间隙，不苟求装配精度；⑤节能，安全，无污染，无烟尘搅拌摩擦焊可以用于众多汽车零件的制造，比如汽车车体顶棚加强板、车体地板加强构件、铝合金发动机构架、发动机壳体内衬、悬架系统加强件、侧体内衬加强件、车门加强结构件、后门加强结构件等。激光焊接技术在汽车制造工业中应用激光焊接是以激光作为能量的载体的一种高能密度焊接方法。激光焊接是把能量很高的激光束照射到工件上，使工件受热溶化，然后冷却得到焊缝。激光焊接与常规焊接方法相比有如下特点：（1）可焊接高焊点材料如钛、石英等，并能对异性材料进行焊接，效果良好。（2）聚焦光斑小，焊接速度快，作用时间短。热影响区小，变形小。（3）属于非接触焊接，无机械应力和机械变形。（4）易与计算机联机，能实现精确定位，实现自动焊接。（5）可在大气中进行，无环境污染。（6）可焊接难接近的部位，可以远距离焊接。（7）激光束易实现按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件（8）激光束功率密度很高，焊缝熔深大，速度快，效率高。（9）激光焊缝组织均匀、晶粒很小、气孔少、夹杂缺陷少，在力学性能、抗腐蚀性能和电磁学性能上优于常规焊接方法。（10）激光焊接具有熔池净化效应，能纯净焊缝金属。车身总成激光组焊激光组焊技术是将已冲压或切割成形的各种车身构件，先两两件组焊，然后再多件组焊，从而形成白车身分总成，各白车身分总成再组装成白车身总成。白车身激光焊接虽然目前尚存在设备投资及维护成本高，使用条件苛刻等问题，但由于其具备焊接精度高、零件变形小，焊接结构强度与刚度提升显著等一系列突出的优点，而被世界各大汽车厂商采纳使用。车身的激光焊接主要分为总成焊接、侧围与车顶焊接、后续焊激光焊接技术运用于汽车车身的优点（1）大幅度提高汽车的刚度、强度和密封性；（2）降低汽车车身重量并达到节能的目的；（3）提高汽车车身的装配精度，使车身的刚度提升30%，从而提高车身的安全性；（4）降低汽车车身制造过程中的冲压和装配成本，减少车身零件的数目并提高车身一体化程度；（5）使整个汽车车身强度更高，安全性更好，并且降低了车辆行驶过程中的噪音和震动，改善了乘坐舒适性。（6）推动了汽车车身在不降低刚度和强度的前提下，向轻量化设计方向发展。激光拼焊板的应用拼焊板在汽车工业上被大量应用为不同强度或不同表面处理状态的零件的整体成形。使用拼焊板将几个小零件通过激光焊接集成一个大的毛坯并进行冲压。充分发挥不同强度、不同厚度板材的性能，并使汽车减重，降低零部件数量和保证安全。激光拼接焊技术在车身部件中的应用激光拼焊板优点：（1）增加汽车安全性、（2）减轻重量、（3）减少加工工序、（4）降低成本、（5）提高生产效率、（6）减少材料消耗（7）提高总成装配的精确性汽车零部件激光焊接汽车零部件焊接采用激光焊代替传统焊接优点：（1）零件焊接部位几乎没有变形，（2）焊接速度快（3）不需要焊后热处理新型焊接技术——激光复合焊接激光复合焊是将激光束与其他热源结合起来，结合了两者各自的优点，获得了最佳的焊接效果、更高的焊接速度和良好的焊缝搭桥能力。激光—电弧复合焊接技术是一种功能多、可靠性高、适应性强的精密焊接工艺方法。激光—电弧复合焊原理激光与电弧同时作用于金属表面的同一位置，两者互相促进材料对其的能量利用率提高了母材对激光的吸收率外加电弧之后，低温低密度的电弧等离子体会稀释激光产生的等离子体电弧作用使母材温度升高提高了电弧的能量利用率激光熔化金属，为电弧提供了大量的自由电子，减小了电弧通道的电阻激光——电弧复合焊优点：（1）有效地提高了焊接效率（2）增加了间隙的适应性（3）可以进行填丝，改善焊缝的组织性能（4）通过两种热源的相互作用，提高彼此能量的利用率（5）很宽的焊速调整范围激光-电弧复合焊接技术还能够改善某些难焊材料的焊接性，如异质金属、铝合金等。新型焊接技术——激光远程焊接远程焊接的优点:发挥了单侧，非接触式激光焊接带来的技术和经济优势，并将其与高速扫描镜片带来的优势相结合，大大缩短了焊接时间，在整个焊接流程中增加了总生产效率汽车制造中焊接数值模拟技术的应用通过焊接数值模拟，可以模拟出焊接过程中的应力变化及分布情况，为制定合理的焊接工艺提供理论依据通过计算机模拟技术与设计者的经验相结合，可以优化焊装车间平面布置和工作单元布局；预测工艺对产品的影响和各工序间的关联；校验所需设备数量和对自动化设备的需求；计算生产面积和所需工人数；进行焊装线上的机器人、自动化设备及人体作业仿真分析汽车工业焊接的总体发展趋势焊接技术的发展趋势具有如下特点：（1）随着新的焊接材料和结构的不断出现，需要开发新的焊接工艺方法。（2）改进常用的普通焊接工艺方法，提高焊接过程机械化、自动化水平，提高焊接质量和生产效率（3）采用电子计算机控制焊接过程，大力推广焊接机器人、焊接中心（4）发展专用成套焊接设备9.5机械加工及热处理技术汽车制造机械加工技术现在的机械加工技术是将现代化信息技术、自动化技术、企业管理技术的新成果运用于机械制造过程中，发展新的制造技术和生产模式，是机械产品的生产更加优质、高效、低能、快捷、灵活汽车零部件机械加工生产线的技术特征流水生产线一直是汽车及零部件生产方式的主体，其根本技术是集成技术——将工艺系统、物流系统、信息系统集成为流水生产线（1）工艺系统也就是机床—工具—工件系统。现代汽车制造，特别是轿车的生产线的工艺装备已经进入柔性化时代，它由数控机床和智能工具组成。现代高速加工机床的要求是：高速度、高精度、高精度保持性用于发动机生产线的高速加工中心，快速移动已到达60~100m/min，加速度大0.6~1.5g，主轴最高转速达8000~15000r/min，定位精度/重复定位精度—工作台在1m以下为8μm/4μm（VDⅠ标准），工作台1m以上为10μm/5μm（VDⅠ标准），主轴普遍应用电主轴，进给运用普遍采用直线电机，同时普遍运用三坐标模块化和箱中箱结构，机床非常简约，外购件（配套件）比例增加，交货值大大缩短某高速四轴卧式加工中心高速加工优点单位时间的材料切除率可增加3~6倍切削力可降低30%以上95%~98%的切削热被切屑带走切屑是在瞬间被切离工件，工件表面的残余应力非常小切削平稳振动小，能加工出非常精密的零件要实现数控高速切削加工，就是依据高速切削加工理论，采用高速主轴单元、高速进给系统以及高性能的刀具系统，并搭配相应的机床支撑技术及辅助单元技术高速主轴单元高速运转的电主轴的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装人主轴组件的内部，即把高速电机置于精密主轴内部，电主轴的电机转子就是主轴，主轴的壳体就是电机的机座，实现了变频调速电机和主轴一体，电机直接驱动主轴，形成电主轴。电主轴取消了中间的传动环节，传动链长度为0，可以实现真真意义上的机床主轴系统的“零传动”，避免了中间环节对精度的影响密封圈旋转变压器电主轴陶瓷球轴承冷却水出口冷却水入口陶瓷球轴承高速化的电主轴，要解决三方面问题机械方面——轴承发热和振动问题电机设计方面——定子、转子功率密度和绕组发热问题驱动和控制角度——调速问题采用几下措施，来解决响应的问题：(1)高速精密主轴上大量采用高速、高刚度的轴承，如一般情况采用陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承；轴承的润滑采用定时定量的油气润滑而不是油脂润滑。(2)主轴电机主要采用矢量控制的交流异步机。(3)电主轴的内置高速电机采用高频变频装置来驱动，实现每分钟几万甚至十几万转的转速，变频器的输出频率甚至要达到几千Hz。高速进给系统高速加工机床不仅有高速主轴功能，还应有高速进给功能。目前新的进给机构是大导程滚珠丝杠或直线电机。下图为直线电机原理直线电机直接驱动有以下优点：①高速度，目前最大进给速度可100~200m/min；②高加速度，可达2~10g(g=9.8m/s)；③定位精度高，由于只能采用闭环控制，其理论定位精度可以为0,但由于存在检测元件安装、测量误差，实际定位精度不可能为0，最高定位精度可达0.1~0.01m；④行程不受限制，由于直线电机的次级(定子)可以一段一段地铺在机床床身上，不论有多远，对系统的刚度不会产生影响。物流系统它是由原材料处理、存贮、上下料装置和机床问传输装置组成柔性生产线柔性制造系统柔性制造单元柔性制造技术，也称柔性集成制造技术，是现代先进制造技术的统称，主要边现在：1.生产设备的零件、部件可根据所加工产品的需要变换2.对加工产品的批量可根据需要迅速调整3.对加工产品的性能参数可迅速改变并及时投入生产4可迅速而有效地综合应用新技术5.对用户、贸易伙伴和供应商的需求变化及特殊要求能迅速做出反应。柔性制造系统原理其他柔性技术形式还有柔性制造单元（FlexiblemanufacturingCenter，简称FMC）柔性制造线（FlexiblemanufacturingLine，简称FML）柔性制造工厂（FlexiblemanufacturingFactory，简称FMF）。信息系统主要包括生产控制、刀具更换、工装及附件更换、工件调度、自动编程、自动监控、自动补偿、工件质量自动控制、刀具磨损或破损后的自动更换和自动报警等。最新要求是具备CAD，CAM功能，运程生产线管理和维护功能，故障诊断和自动修复功能等。发动机制造技术的发展与变革发动机研发越来越快，新品开发周期越来越短(从30个月缩短到13个月)，车型数量多，生产批量不确定。目前为进一步提高高速柔性生产线的生产效率，最新发展出来敏捷高速柔性生产线（AgileFlexibleTransferLine，简称AFTL）。AFTL目标：对变化的市场需求快速作出反应。满足汽车发动机多品种