汽车结构件工艺设计探讨

冷鸿彬 罗森侨

摘 要：汽车结构件设计除了考虑结构、材料之外，结构件的工艺设计也是非常重要的，在保证结构件整体强度及性能要求外，还需考虑零件的制造工艺、加工精度及制造成本等因素。汽车零件的工艺设计包括零件制造工艺，如冲压、铸造、机加、热处理等，还包括加工过程中基准的选择、公差的设计等过程。本文对结构件的主要制造工艺进行了介绍，并对制造过程中的基准选择、常用工艺关重点进行了探讨。

关键词：汽车结构件 工艺设计 公差设计

Abstract：In addition to considering the structure and materials， the process design of automobile structural parts is also very important. In addition to ensuring the overall strength and performance requirements of structural parts， the manufacturing process， machining accuracy and manufacturing cost of parts should also be considered. The process design of automobile parts includes the manufacturing process of parts， such as stamping， casting， machining， heat treatment， as well as the selection of datum and the design of tolerance in the processing process. This paper introduces the main manufacturing processes of structural parts， and discusses the benchmark selection and common process key points in the manufacturing process.

Key words：automotive structural parts， process design， tolerance design

1 前言

汽車结构件是保持汽车整体强度及稳定性，提供舒适性和操控性的重要零部件。在汽车产品开发中，由于结构件零件数量多，其搭建关系较为复杂等原因，成为汽车车身精度、强度以及整车开发成本的重要影响因素[1]。

汽车结构件设计是一个不断改进和优化的过程，其中结构件的工艺设计关乎零件的可制造性和产品的整体成本。产品设计工程师应当具备一定的工艺经验，且在进行产品设计时需与工艺工程师保持沟通和确认，共同制定结构件的工艺标准。

2 结构件主要工艺介绍

汽车结构件主要制造工艺包括冲压、铸造、锻造等，按不同工艺制造的产品在成本、性能以及重量等方面也有差异。在产品设计过程中，要同时兼顾成本、性能及重量，因此结构件材料选定后应考虑采用合理的制造工艺，常见工艺在成本、性能、重量方面的对比如表1：

其中前副车架、控制臂、后副车架等结构件常采用冲压工艺，铝制材料常采用铸造工艺，部分控制臂也采用锻造工艺。

3 基准的选取[2]-[3]

3.1 基准分类

基准是机械制造中应用十分广泛的一个概念，机械产品从设计时零件尺寸的标注，制造时工件的定位，校验时尺寸的测量，一直到装配时零部件的的装配位置确定等，都要用到基准的概念。基准是指用来确定零件上各部位几何关系所依据的点、现、面。

基准按功用分为设计基准和工艺基准两类：

1）设计基准：零部件在设计过程中采用的标砖，称为设计标准，可以在工程图纸上体现;

2）工艺基准：零件在加工、测量、装配过程中采用的基准都称为工艺基准。其中在加工时用于工件定位的基准，称为定位基准;在加工中或加工后用来测量工件的形状、位置和尺寸误差所采用的基准，称为测量基准;在装配时用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准，称为装配基准。

按重要性可分为主要基准和辅助基准：

1）主要基准：决定零件主要尺寸的基准;

2）辅助基准：为了便于加工和测量而附加的基准。

按几何形式可分为：面基准、线基准、点基准：

1）面基准：零件上某个平面（底面、端面、对称平面）;

2）线基准：零件上的一条线（包括回转轴线）;

3）点基准：零件上选取的一个点（包括球心、定点等）。

3.2 基准选取的原则

3.2.1 六点定位（3-2-1）原则

定位基准的主要功能是限制零件的六个空间自由度，通常我们采用3-2-1的定位原则。3-2-1定位准则即第一基准限制零件的三个自由度，第二基准限制零件的两个自由度，第三基准限制零件的一个自由度。常见的符合3-2-1原则的基准体系有三基面体系（如图1）以及一面两销体系（如图2）。

图1给出了常见的三基面基准体系及其标注，三基面基准体系由三个相互垂直的平面构成。其中第一基准平面限制了零件沿X、Y轴的转动自由度和绕Z轴的平动自由度，第二基准平面限制了零件沿X轴的平动和绕Z轴的转动自由度，第三基准平面限制了零件沿Y轴的平动。实际零件可能找不到三个相互垂直的平面，作为三基面体系的延伸在最大投影面上找三个点作为第一基准，在次大投影面上找两个点作为第二基准，在最小投影面上找一个点作为第三基准也能完全限制零件的6个自由度，符合3-2-1原则。

图2给出了常见的一面两销基准体系及其标注，一面两销体系也是最常见的符合3-2-1原则的定位体系。一面两销体系的第一基准通常是一个大平面，它可以限制零件绕X、Y轴的转动自由度以及沿Z轴的平动自由度。第二基准通常是一个圆孔，它可以限制零件沿X、Y轴的平动自由度。第三基准通常是以长腰孔（也可能是圆孔配合菱形的基准销），它限制了零件绕Z轴的转动自由度。

3.2.2 一致性原则

1）基准的重合性：设计基准应尽量考虑可同时用作定位基准和测量基准。

2）基准的统一性：选择的基准要便于在大多数工序中，都使用同一基准，这样容易保证各加工表面的相互位置精度，避免基准变换所产生的误差。

3）基准的继承性：选择基准不仅要考虑单件加工的要求，而且还要考虑以后装配过程的要求。组装后的总成应尽可能采用组成零件已有的基准点中的部分基准点作为总成的基准点。

3.2.3 稳定性原则

1）选择的基准点间距要尽量地大，并尽量定位在零件主要功能点附近，有利于保证主要功能点的精度。

2）基准点必须定位于零件的稳定区域，即冲压零件冲压质量较好且稳定的区域，以及在后续焊装过程中不会改变或焊接变形较小的区域。

3）所选的基准，定位孔（销）应有足够大的直径和精度，定位面应有足够大的面积，以保证定位准确可靠。同时还应使夹紧机构简单，操作方便。

4 常见工艺的关重点

在产品设计的工艺性考虑中，除了最基本的基准选择之外，根据不同的加工工艺对产品设计也提出了不同的要求，下面将对常见工艺中的基本要求逐一介绍。

4.1 焊接

4.1.1 点焊

零件点焊时，应当设計出足够的边缘宽度，以保证焊接的有效性和强度。如图3所示，应留有足够的搭接宽度b。

4.1.2 弧焊

在焊缝设计为弧焊时，应考虑焊缝布置对焊接变形的影响，如采取尽量减少零件数和焊缝数量，零件结构应尽量使焊接变形和焊接应力减至最少等;考虑焊缝布置对性能的影响，如避免焊缝过度集中及出现交叉焊缝等;考虑焊接的可操作性，如焊缝的布置应使焊接设备的调整次数和零件的翻转次数最少，需保证足够的焊缝空间等。

4.2 冲压[4]

1）总则

冲压零件设计应合理。零件形状尽可能的简单、规则和对称，以便于节省原材料，减少制造工序并提高模具寿命，降低零件成本。

冲压零件上的尺寸和形位公差应当在满足零件功能要求的前提下尽可能的大，否则过于严格的尺寸和形位公差将会缩短模具寿命、增加制造成本，且需对零件进行抽检或全检。

冲压零件设计时应尽量创造左右件共用的条件，这将有利于减少零件的品种、方便生产组织和管理、节约生产线并提高生产效率。

2）冲裁工艺考虑

零件上的冲孔的位置和尺寸公差不要过于严格，否则，一些完全可以在落料工序内进行的冲孔则必须安排在成形工序之后冲制，这将会在一定程度上增加制造的成本，并且降低了生产效率。

尽可能避免侧壁冲孔结构，因为侧壁上的冲孔需要使用斜楔机构，而且模具结构较复杂。

零件孔位的设计应考虑到最小孔间距和最小孔边距的要求，否则，过小的孔间距和孔边距容易引起孔边缘材料的变形和翻扭，甚至造成孔边缘的破裂，如图4和表2。

4.3 机加

对于铸铝结构的副车架，机加工是其主要加工道序。由于铸铝结构副车架为实心体，刚性较好，只要基准选择合理，机加工的工艺性一般没有问题。

对于冲压焊接结构副车架，通常较少需要机加工，即使需要机加工，也仅仅是局部位置。由于冲压焊接结构副车架为空腔薄板结构，刚性较差，如需机加工，需在加工点附近布置刚性足够的定位点和夹紧点。另外，机加工零件在选择材料时，需在可焊性、可切削性及强度性能中平衡。

5 结论

本文对结构件主要工艺进行了介绍，重点阐述了结构件工艺设计中的基准选择、常用工艺的关重点等，对底盘结构件的工艺设计有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]赵娜.汽车结构件冲压工艺设计优化[J].汽车工艺师，2021（03）：48-50.

[2]王晶.浅析大型结构件制造设计基准与工艺基准的选择与统一性[J].山东工业技术，2018，（12）.

[3]赵玉霞.浅谈机械设计与制造中的基准选择与应用[J].职业，2016，（03）.

[4]周旸.钣金结构件设计冲裁工艺性问题分析[J].时代汽车，2020，（18）.

作者简介

冷鸿彬：（1989—），男，硕士，工程师，主要从事汽车专业教学及汽车零部件设计研究。