重型卡車縱梁高效孔加工技術探討

康小彪，張佳，何耿煌

（1.東風柳州汽車有限公司商用車事業部車架技術科，廣西柳州 545005；2.廈門金鷺特種合金有限公司 數控刀片制造部，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著汽車工業的飛速發展，安全性與經濟性是汽車研發首要解決的技術難題［1］。重型卡車由于其體積龐大和質量大，其經濟性和質量的相互制約一直是影響其快速發展的主要因素之一。重型卡車車架是整個車身的脊梁，卡車上絕大部分的機械總成均安裝在其上面，因此，重型卡車的車架不僅是受力最大的部件而且也是動力傳輸的基礎部件［2］。必須在保證車架強度的基礎上，最大限度地減輕車架質量，而減輕車架質量的一個最有效的措施便是減輕車架縱梁質量。

重型卡車縱梁是車架的重要組成部件，也是卡車上尺寸最大的結構部件［3］。隨著行業技術的發展和用戶需求的不斷變化，重型卡車的更新換代速度非常快。因此，要求重型卡車車架的縱梁制造工藝和生產效率要和市場需求相適應。由于國內外重型卡車生產廠較多，為了提高自身產品的市場競爭力和占有率，各大卡車生產企業不斷采用新型金屬材料、新制造工藝以及新設備來提高重型卡車的承載能力、減輕質量以及降低生產成本和油耗。高強度鋼（如：T610L、WL590、T510 以及T700L 等）是目前重型卡車縱梁制造常用的材料［4］。由于高強度鋼的應用，縱梁生產效率低的問題（特別是孔的高效加工）一直是影響重型卡車產能的限制性因素。因此，分析實現高強度鋼制車架縱梁孔高效加工方法對提高縱梁生產效率具有十分積極的現實意義。

1 重型卡車縱梁專用高強度鋼性能簡析

目前，國外先進的重型卡車生產企業生產的車架縱梁（如圖1 所示）普遍采用屈服強度為700 MPa 左右的高強度低合金鋼（如圖2所示），與傳統縱梁相比，采用高強度低合金鋼的縱梁免去了內部加強筋，從而減輕了自身質量，但同時也給實現高效加工（特別是孔加工）帶來全新挑戰。國內的一汽解放汽車有限公司曾研究采用屈服強度約為500 MPa 的特種鋼制造卡車縱梁，但與國外先進重卡制造企業相比仍有不小的差距，車架的總體質量也明顯大于國外的［5］。

圖1 重型卡車車架縱梁

圖2 重型卡車縱梁專用高強度低合金鋼材

國內某鋼鐵公司研制的重型卡車縱梁專用高強度低合金鋼T700L 已經為各大卡車生產企業所用。國產高強度低合金鋼與國外鋼廠生產的高強度低合金鋼強度等級對比分析如表1所示，其力學性能如表2所示。

國產高強度低合金鋼主要用于制造重型卡車車架、傳動軸以及轎車底盤等零部件。為了獲得優良的冷加工成形性能和可焊性能，此類鋼的含碳量較低，韌性較高，可切削性能、斷屑性能和排屑性能較差，加工效率低［6］。

2 重型卡車縱梁孔加工現有方法分析

2.1 單次沖孔加工方法

縱梁單次沖孔加工是在壓力機（壓力F≥50 000 kN）上采用多孔復合沖壓模具單次沖壓成型的（沖孔設備如圖3 所示）。采用這種方法加工孔，能大大提高縱梁的生產效率，并且孔的尺寸精度能滿足設計要求，適合成批量生產。但其也有以下兩方面缺點：1）沖壓模具的更新換代常常滯后于產品的更新換代，且費用較高。當有新產品出現時，模具容易報廢，新模具要耗費半年以上才能投入量產。2）沖壓設備一次性投入費用較高，復合沖壓模具的費用約為25 萬元/臺，而壓力機的費用約為700 萬元。

2.2 搖臂鉆孔加工方法

搖臂鉆孔是較為傳統的孔加工工藝方法（如圖4 所示）。由于縱梁的結構特點，搖臂鉆孔無法實現一次性全孔成型。由于采用不同的鉆孔模具，因此，搖臂鉆孔分成U 型板鉆孔和平面板鉆孔兩道工序，采用這種方法的優點是設備簡單，投入費用少，生產適應性強，并且生產輔助周期短。缺點是生產效率低，加工孔形位精度較差。

表1 國內外高強度低合金鋼屈服強度對比 MPa

表2 國產高強度低合金鋼力學性能

圖3 大型縱梁沖孔設備

圖4 搖臂鉆孔設備

3.3 數控鉆孔加工方法

數控鉆孔方法和傳統的搖臂鉆孔工序上相似，也需要分成U 型板鉆孔和平面板鉆孔兩道工序。其中U 型板鉆孔主要采用數控三面鉆孔機，而平面板鉆孔主要采用數控平面板鉆孔機（數控鉆孔系統如圖5 所示）。數控鉆孔的優缺點主要表現在：

1）數控鉆孔優點：生產效率和孔成型精度高，工藝系統有良好的柔性；設備的生產適應性強，生產輔助所需時間短，特別適合品種多、批量化的縱梁生產。

2）數控鉆孔缺點：鉆孔設備維修較繁瑣，對操作員要求比較高，維護費用和運行成本較高；一次性費用投入較大（主要費用包括鉆孔設備和配套設施），其中單臺數控平面鉆孔機的價格約為350 萬元，而單臺數控三面鉆孔機價格約為平面鉆孔機的2 倍。

圖5 大型數控鉆削系統及刀具

3 重型卡車車架縱梁高效孔加工新方法

在國內中大型載重車制造廠家中，所生產的汽車一般有幾十個品種甚至上百個規格的車型［7］。如此多的車輛品種及日漸加快的更新速度，車架縱梁的高效生產面臨全所未有的挑戰。對定型車的大批量生產比較容易，使用傳統的專用鉆模和設備便能很好地解決生產問題，但是專用鉆模的開發周期和生產輔助時間較長，根本無法適應高效生產的需求。而新型高精度、高效率的縱梁數控鉆孔加工系統雖能實現高效性，但會增加產品的生產成本，從而降低產品在市場上的競爭力和占有率。

機械加工的實踐表明，先進的機械制造方法除了要將先進技術融合入加工過程進行考慮外，同時還應充分考慮投入和產出的比值，以及綜合技術和經濟效益的相互關系［8］。因此，將先進的制造技術和成熟的傳統加工方法有效地整合（如：數控鉆孔與傳統鉆模相結合），往往可以實現經濟效益的最大化。實踐證明，在車架縱梁的生產過程中，采用數控鉆孔與傳統鉆模相結合能有效提高縱梁的生產效率，從而達到綜合技術與經濟效益雙贏的優化目標。

3.1 新方法提高縱梁生產的綜合經濟效益

與前面分析的3 種縱梁孔的加工方法相比，采用數控鉆孔與傳統鉆模相結合的新措施在費用投入方面凸顯出良好的綜合經濟效益。與前3 種方法相比，采用新方法所需設備總投入可節約將近2 700 萬元；并且每年的設備折舊費能降低約250 萬元；每年的設備維修費可節約將近50 萬元。

3.2 新方法降低了縱梁生產成本

新方法能有效減少縱梁生產過程中的輔助時間。在新品開發定型后，只需將設計圖紙數據導入數控鉆孔系統，電腦便會自動生成相應的加工指令，大大提高了生產效率，同時設備投入的費用僅為全數控系統投入費用的1/3，大大降低了產品的生產成本。

3.3 新方法提高了產品質量

新方法不但能生產制造相同產品范圍內的零部件，而且能實現卡車縱梁制孔的無模具化。這種方法用于成批量重型卡車縱梁生產中，更容易實現產品生產的高效性以及質量的高穩定性，并且其對產品的更新換代具有快速的適應能力，可實現真正的柔性化生產的目標。

4 結語

目前，重型卡車車架縱梁是用高強度低合金鋼制成的，由于零件材料特性和加工工藝的雙重影響，孔的形位精度較差。因此，孔的高精度和高效性生產兩方面問題的相互制約一直是困擾國內外卡車生產企業的關鍵技術難點。

本文從重型卡車車架縱梁材料及現有制孔工藝兩方面進行分析，提出了一種降低制孔成本、提高制孔精度和生產效率的新方法，即數控鉆孔系統與傳統鉆模相結合。經生產實踐證明，采用這種新的制孔方法，能在保證縱梁制孔精度的前提下，最大限度地獲得綜合經濟效益。

［1］陳耀平.重型卡車縱梁加工工藝的研究與優化應用［D］.西安：西安石油大學，2011：1-3.

［2］朱偉軍.重型運輸車車架銑削加工殘余應力及變形研究［D］.南京：南京航空航天大學，2012：40-41.

［3］姚杰，劉坤.1241 型重型卡車車架縱梁與橫梁聯接不同結構方案對比分析［J］.遼寧師專學報：自然科學版，2007，9（1）：82-84.

［4］貢博.重卡車架高強鋼縱梁工藝研究［J］.汽車實用技術，2013（10）：77-79.

［5］付艷麗.某型重卡車架的輕量化設計［D］.湖南：湖南大學，2011：5-7.

［6］何耿煌.大型筒節零件高效切削及刀具技術研究［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013：11-17.

［7］李娜，佟德輝，李國祥.汽車燃氣加熱器與LNG 發動機聯合運行試驗［J］.農業機械學報，2012，43（9）：27-28.

［8］He Genghuang,，Liu Xianli，YAN Fugang.Research on the Dynamic Mechanical Characteristics and Turning Tool Life under the Conditions of Excessively Heavy-Duty Turning ［J］.J.Fron.Mech.Eng.A，2012，7（3）：329-334.