三元催化器殼體結構設計優化

劉少飛

中國汽車技術研究中心有限公司 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，我國的經濟實力、工業技術在不斷增強、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出，我國汽車工業的巨大進步。但汽車排氣管在生產中，依然存在部分問題，一部分是因生產工藝現狀導致，另一部分是因零部件，尺寸誤差較大或產品結構不合理，致使生產出的排氣管，不良品居多。

2 沖壓件設計原則

設計的沖壓件應滿足，產品在使用中的相關技術性能，并且便于組裝或維修。沖壓件應該有利于，降低金屬材料的浪費，減少材料內別和規格，盡可能降低材料的消耗。在技術性能允許的情況下，采用價格較低的材料，使零件做到無廢料或少廢料的生產工藝沖壓。沖壓件輪廓結構應簡單，簡化沖壓模具結構及生產工序數量，以提高生產率。沖壓件應該保證，能在正常使用的情況下，不影響相關技術性能，使其尺寸、精度、等級，及表面粗糙度要求盡可能低一些，可提高產品的使用率，確保產品質量的穩定。沖壓件應使用現有生產設備、生產工藝流程，對其進行生產加工，且提高模具的使用壽命。

3 沖壓件生產工藝分析

沖壓件是靠沖床和模具對材料施加外力，使其發生變形，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工藝，采用復合模具，尤其是多工位模具沖壓，可實現在一臺沖床上完成多道沖壓工序，實現由帶料開卷、矯平、沖壓到成型，精確的自動生產。生產效率高，且成本較低，每分鐘可生產數百件以上。

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品，質量符合要求。沖壓件所使用板料的表面，和內在性能，對沖壓件的成品質量影響很大，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，并且生產出的產品一致性較好；①沖壓件是指在節約原料的情況下，經過沖壓成型出來，其零部件質量輕，剛度好，且板材經過沖壓變形后，金屬材料的內部分子組織結構得到改善，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、合理計算分離工序，既可以做到產品質量的一致性，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，不銹鋼的生產和應用將更加突飛猛進，以求其低成本、焊接可靠性等優點，成為目前工業薄壁不銹鋼管，的主要生產工藝。但因其較低的焊接速度，及不合理的設計結構，嚴重限制了不銹鋼管焊接，的生產效率提高。根據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，實現薄壁產品的高效生產。焊接速度會直接影響焊道熔深，也會影響零部件的焊接質量及外觀。若提高焊接速度，可避免金屬過熱，減少熱影響區，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，還會出現焊道為滲透等現象。

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

因塑性變形是不可恢復的，同時各零部件之間是相互牽連和約束的整體，因而產生壓縮塑性變形的焊縫，和熱影響區受到應力變化，在焊縫和熱影響區兩側必然會，各存在一個應力區與之平衡[4]。

為保障SUH 409薄壁管焊接后漏氣補焊概率降低，現對催化器錐體合片結構優化設計，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，不會出現因焊道不穩定因素，而導致漏氣現象。

5 沖壓零件結構優化闡述

如圖1、圖2所示，錐體合片焊接結構，分兩次焊接作業，且對沖壓件尺寸、成型要求更高，考慮到沖壓工位，環境溫差較大，零部件成型及反彈比率會出現部分差異。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構進行優化，不僅可以應用到，三元催化器中，同時也可以應用到，排氣岐管等更大范圍的零部件，提高產品生產合格率，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]，錐體焊接結構有很大改善，優化后錐體相對于優化前椎體，減少機器手調整焊槍姿態次數，減少起弧收弧，且在生產中，焊接作業流暢，現就對該結構錐體優點總結如下：

圖1 優化前結構

圖2

圖3 優化后結構

圖4

● 減少焊道搭接數量，避免出現更多不良品；

● 減少錐體合片因沖壓變形、反彈致使兩端口尺寸不良，出現廢品；

● 減少錐體因半圓合片焊接，出現圓形不規則而返修；

● 錐體合片焊道貫穿鏈接，有效提高錐體強度。

如凸模下料時，材料產生瞬間輕微的變形，此時如提模，變形將消失，如果凸模繼續下壓，板料變形區域的應力將逐漸增大，如果材料應力達到一定強度，材料將進入塑性變形區域。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，之間的關系相互影響。優化后的錐體結構，只需對沖壓工序的模具、設備進行調試、完善，就可以做到完整的焊接作業工序，下線合格率大幅度提升，且穩定性好，保證產品的精度和質量，實現最好的經濟效益，創造更加有利的價值。

6 結語

通過對沖壓產品的了解及實際問題分析，發現沖壓模具在生產過程中，因生產工藝及生產環節等因素，出現產品不一致，尺寸誤差較大，致使產品在焊接過程中，無法完成焊接及產品的一致性，且部分出現不合格品等問題。

圖5

通過對沖壓件結構設計優化，以及對沖壓板材尺寸的管控，來降低沖壓件，在生產過程中出現不良品，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量，及市場占有率。