三元催化器壳体结构设计优化

2018-06-28刘少飞

时代汽车 2018年6期

刘少飞

中国汽车技术研究中心有限公司天津市 300300

1 引言

自进入90年代以来，汽车已开始进入大众家庭，就好像80年代的电器一样，成为更多家庭所追求的目标。这在20多年前是根本无法想象的，由此可以充分说明，我国的经济实力、工业技术在不断增强、更新，人民的生活水平正在大幅度的提升，同时将更加清晰的展现出，我国汽车工业的巨大进步。但汽车排气管在生产中，依然存在部分问题，一部分是因生产工艺现状导致，另一部分是因零部件，尺寸误差较大或产品结构不合理，致使生产出的排气管，不良品居多。

2 冲压件设计原则

设计的冲压件应满足，产品在使用中的相关技术性能，并且便于组装或维修。冲压件应该有利于，降低金属材料的浪费，减少材料内别和规格，尽可能降低材料的消耗。在技术性能允许的情况下，采用价格较低的材料，使零件做到无废料或少废料的生产工艺冲压。冲压件轮廓结构应简单，简化冲压模具结构及生产工序数量，以提高生产率。冲压件应该保证，能在正常使用的情况下，不影响相关技术性能，使其尺寸、精度、等级，及表面粗糙度要求尽可能低一些，可提高产品的使用率，确保产品质量的稳定。冲压件应使用现有生产设备、生产工艺流程，对其进行生产加工，且提高模具的使用寿命。

3 冲压件生产工艺分析

冲压件是靠冲床和模具对材料施加外力，使其发生变形，从而获得所需的合格尺寸工件。冲压的坯料主要是，热轧和冷轧的钢板、钢带。冲压是一种高效的生产工艺，采用复合模具，尤其是多工位模具冲压，可实现在一台冲床上完成多道冲压工序，实现由带料开卷、矫平、冲压到成型，精确的自动生产。生产效率高，且成本较低，每分钟可生产数百件以上。

冲压按工艺分类，主要有分离工序、成型工序和整形工序。分离是指，冲压件是沿模具轮廓线，从板料上冲压分离，同时要保证分离断开的产品，质量符合要求。冲压件所使用板料的表面，和内在性能，对冲压件的成品质量影响很大，要求冲压板料厚度尺寸精确且均匀，表面光洁无拉伤、划痕、裂纹等，屈服强度均匀[1]。其主要特点有，可以批量生产，并且生产出的产品一致性较好；①冲压件是指在节约原料的情况下，经过冲压成型出来，其零部件质量轻，刚度好，且板材经过冲压变形后，金属材料的内部分子组织结构得到改善，使其冲压件强度提高，②冲压件具有较高的尺寸精度，同模件尺寸稳定性好，有较高的互换性，不需要进一步的机械加工，就可满足一般的装配和使用要求，③冲压件在冲压生产过程中，由于材料的表面不受破损，相反有较好的外观且光滑美观，在冲压件表面喷漆、电镀、磷化及其他工艺的表面处理，提供了便利的条件[2]。针对冲压重点讲述分离工序，科学、合理计算分离工序，既可以做到产品质量的一致性，又可以做到提升利润。

4 排气管焊接工艺阐述

目前全世界不锈钢的使用量仍以每年3%～5% 的速度迅速增长，不锈钢的生产和应用将更加突飞猛进，以求其低成本、焊接可靠性等优点，成为目前工业薄壁不锈钢管，的主要生产工艺。但因其较低的焊接速度，及不合理的设计结构，严重限制了不锈钢管焊接，的生产效率提高。根据焊接过程中驼峰焊道，和咬边焊道形成的宏观原因[3]，本文优化针对，薄壁冲压件高速焊接，且降低焊接变形，及漏气概率，实现薄壁产品的高效生产。焊接速度会直接影响焊道熔深，也会影响零部件的焊接质量及外观。若提高焊接速度，可避免金属过热，减少热影响区，与此同时焊道熔深也会缩小。如焊接速度过高，使其对焊道的保护性能降低，焊道宽度不均匀，还会出现焊道为渗透等现象。

在焊接过程中，焊接热源处的周围，和焊缝区存在一个应力区，焊缝区因焊接高温，基材晶体发生变化，材料基体产生应力，焊缝周围的应力区域逐渐扩大，最终形成了焊缝应力变形，不同的是受热分布区域大小和应力值。

因塑性变形是不可恢复的，同时各零部件之间是相互牵连和约束的整体，因而产生压缩塑性变形的焊缝，和热影响区受到应力变化，在焊缝和热影响区两侧必然会，各存在一个应力区与之平衡[4]。

为保障SUH 409薄壁管焊接后漏气补焊概率降低，现对催化器锥体合片结构优化设计，原因①因手工补焊，使用钨极氩弧焊，用氩气作为气体保护，热导率较低，焊接后焊道散热较慢且不均匀，因而二次补焊焊接，对产品变形有直接性影响，②我公司焊接机器多，且机器手焊接一致性好，在原有基础上能有效减小焊接变形量，特别是对薄板材焊接件，不会出现因焊道不稳定因素，而导致漏气现象。

5 冲压零件结构优化阐述

如图1、图2所示，锥体合片焊接结构，分两次焊接作业，且对冲压件尺寸、成型要求更高，考虑到冲压工位，环境温差较大，零部件成型及反弹比率会出现部分差异。若零部件尺寸、成型误差较大，则在焊接过程中，锥体合片两侧焊道，与进气端、出气端整圆焊道搭接不上（焊道没有熔深），一次生产下线合格率低于50%。鉴于存在以上问题，本文重点针对三元催化器，冲压合片的工艺及结构进行优化，不仅可以应用到，三元催化器中，同时也可以应用到，排气岐管等更大范围的零部件，提高产品生产合格率，力争做到一次下线合格率达到99%以上，做到不出不良品，不返工维修。

如图3、图四所示[5]，锥体焊接结构有很大改善，优化后锥体相对于优化前椎体，减少机器手调整焊枪姿态次数，减少起弧收弧，且在生产中，焊接作业流畅，现就对该结构锥体优点总结如下：

图1 优化前结构

图2

图3 优化后结构

图4

● 减少焊道搭接数量，避免出现更多不良品；

● 减少锥体合片因冲压变形、反弹致使两端口尺寸不良，出现废品；

● 减少锥体因半圆合片焊接，出现圆形不规则而返修；

● 锥体合片焊道贯穿链接，有效提高锥体强度。

如凸模下料时，材料产生瞬间轻微的变形，此时如提模，变形将消失，如果凸模继续下压，板料变形区域的应力将逐渐增大，如果材料应力达到一定强度，材料将进入塑性变形区域。如图五所示，针对该方案做计算分析，锥体合片焊接强度满足要求。

冲压变形时，位于凸模平面下方，凹模平面上方的材料，收到模具传递的压力作用，材料成型，同时材料塌角处，要支撑变形区域，又因为摩擦力的作用，而受到部分拉力。以上对冲压件进行工艺分析，除了考虑上述因素外，还因考虑冲压件的厚度，板料性能以及冲压工序和其他工序，之间的关系相互影响。优化后的锥体结构，只需对冲压工序的模具、设备进行调试、完善，就可以做到完整的焊接作业工序，下线合格率大幅度提升，且稳定性好，保证产品的精度和质量，实现最好的经济效益，创造更加有利的价值。