白车身试制技术浅谈

白车身试制技术浅谈陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院成起石碧亮摘要：分析汽车白车身试制的一般过程，对试制样车的种类、常用试制技术及试制质量控制方法进行介绍。在试制过程中，重复使用柔性工装，在一定程度上可以降低开发成本；同时使用新技术（3D打印、万能工作平台、三维光学测量）不但可以保证样车制造精度，而且可以加快产品的开发流程，为新产品抢得市场取得先机。关键词：白车身试制样车1概述白车身试制是指车身产品在完成设计与工艺准备阶段后（正式投产之前）进行的样车试生产过程。试制的目的主要有四方面。包括产品设计验证、工艺验证、质量保证方面的验证、提供实验样车。a.验证产品设计。验证新产品的造型及结构是否达到预期效果，验证功能、性能是否满足要求，辅助查找设计缺陷。b．第二，验证工艺。验证产品的工艺可行性，验证生产线节拍能否满足，为工艺改进提供数据及问题反馈；c．第三，验证质量保证能力。通过对试制样车的三维数据检测，拿到零件质量的第一手资料，为产品、模具及夹具的改进提供依据。d．第四，提供试验用车。（如耐久性实验、碰撞实验等）2试制样车的种类及其意义试制可分为样车试制和小批量试制两种。样车试制是根据设计图纸、工艺文件和少数必不可少的工艺装备，由试制车间或试制厂试制出一、二件样品，以便检验产品的结构、性能及主要工艺是否达到设计要求，设计图纸是否正确，以便肯定或进一步校正产品设计。小批量试制，是通过鉴定和校正修改后，根据成批生产和大量生产的要求，编制全部工艺规程，设计制造全部工艺装备，然后生产一小批产品。目的是检验工艺规程和工艺装备是否适应生产的要求，并对产品图纸进行工艺性审查，以便进行必要的校正，为大批量生产（SOP）创造条件。白车身的试制过程作为车身设计验证、车身制造工艺验证的主要阶段，对其进行质量控制有着非常重要的意义【1】。同时，试制出的样车可以用来进行一些必要的试验——诸如可靠性、疲劳、碰撞等。一般汽车主机厂的新产品试制都有2～3轮，样车的名称也不尽相同，现以某主机厂新品开发过程中的样车为例进行说明。a.数字样车。它不是传统意义上的样车，是在计算机里对产品、工艺、人机、成本、公差、资源等信息进行统一管理的一种方式，完善的数字样车资料可以在一定程度上减小实物样车的制作与验证费用，同时大部分设计错误都可以被发现和避免，目前很多国内汽车企业已经在数字样车方面做的较好，如冲压件的成形性分析（见图1a）和数字化工厂（见图1b）的应用即是一个方面。a冲压件成型性分析b数字化工厂示意图图1总成件试制工装b.方案样车。在产品开发方案研究阶段制作的样车，主要用来验证总布置设计、装配设计，不具备试验方面的功能。c.P样车。用来验证整车造型，可以进行一部分性能试验，也可以为专门验证某一部分新零件的性能搭载在已成熟生产的车型上。d.X样车。验证可靠性试验、耐久性试验、同时验证部分工艺装备等。一般为可驾驶的样车，可根据需要安排试装1～2批。e.M样车。对整个生产工艺、生产设备、工装、时间节拍进行验证，同时为做产品认证提供样车，可用于售后服务或培训。3试制手段在前期产品验证试制过程中，因还没有非常完备的设备、工装来进行加工，因此需要一些特殊的手段来辅助完成样车的制造，这种简易生产方式虽然对产能没有严格要求，但依然必须按照设计和工艺规定的精度、定位和夹紧方式来控制。这些手段能够将设计周期控制在预期的时间内。3.1零件试制a.手工钣金。比较传统的手工制作方式，即钣金工通过手工敲制完成零件的制造，这种方法相对来说成本较低，但所制作的样件尺寸精度较差，对钣金工的技能要求也非常高，现在已较少使用。b.快速成型（RP）技术。快速成型技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、精密伺服驱动技术以及新材料技术的基础上集成发展起来的。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是分层制造，逐层叠加，类似于数学上的积分过程。目前快速成型的方法主要有有立体光固化成型法（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、分层实体制造（LOM）、熔积成型（FDM）目前市面上迅速发展的3D打印技术即是快速成型的一种。（见图2a）快速成型技术的优点是无需准备任何模具、刀具和工装卡具的情况下，直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出任何复杂形状的新产品的样件、模具或模型。（见图2b）但其成本相对较高，另外也受到堆积材料的限制，所制作的样件硬度、强度、弹性等性能不一定与设计要求的一致。c.快速模具。快速模具制造分为冲压件快速模具制造和塑料件快速模具制造，是基于RP技术和新材料发展而产生的。它依据快速成型制作的实体模型，采用拷贝方式(如金属喷涂、电镀、复合材料浇注、精铸等)快速制造模具的主要工作部件(凸、凹模)，其制造周期一般为传统数控切削方法的1/5—1/10，而成本却仅为其1/3—1/5。冲压件快速模具制造主要有两种类型。中熔点合金／低熔点合金快速模具，称为混装快速模具，材料可重复利用（见图2c），世界各大汽车公司通常采用这种技术方法；环氧树脂类或聚氨酯类模具，材料不可以重复利用。塑料件快速模具制造有硅橡胶模具、环氧树脂模具、低熔点合金模具、铝合金模具等【2】。a3D打印的复杂镂空结构零件b快速成型的零件c快速模具图2快速样件及快速模具d.一序模具件。为了降低投资风险，防止产品涉变造成的模具报废，一般正式模具开发并不一次投入所有模具，而是先投入一序拉延模具，此阶段需要样件的零件边线用激光焊根据三维数模割出，待零件通过装焊、装配验证没问题之后再开发后续的切边修整模具。3.2总成件的试制a.螺钉车。是将零件用螺钉或铆钉连接取代焊接的一种连接方式。这种方式在白车身试制中经常用到。主要用来验证产品、发现冲压件及工装的问题，可以在一定程度上缩短开发周期和早期稳定模具质量【3】，同时通过钻孔加螺钉连接的方式对各零件之间的连接方式的可靠性进行验证。b.简易工装。是正式批产工装的简化版，其在生产效率上几乎没有严格要求，但精度和定位方式与正式工装基本一致，一般采用手动夹紧器。一般产品批产后简易工装将报废不再使用，因此其可重复利用性几乎没有，投入相对较大。（见图3a）c.柔性夹具。与简易工装类似，但其BASE板采用厚度为25～30mm厚的钢板，其上布置矩阵孔（一般间距约为100×100），定位夹紧立柱采用标准模块化的结构通过中间连接板与BASE板连接在一起，在前一次试制完成后BASE板和其他通用部分可以继续供下一个车型使用，仅需要更换中间连接板和与不同车型接触的定位、夹紧及与曲面部分接触的部分即可完成新车型的试制，在一定程度上减少了重复投资，目前在很多主机厂都在使用。（见图3b）d.万能工作平台。为目前柔性化最强的组装式工装，其主体主要有四面带有矩阵孔的平台以及一些附属组件组成（见图3c），这些组件的品类非常多（常用的有L支架、直板、可调角度夹紧器等），用户可以根据需要选择不同型号，并以任何方式组装，同时平台的面积也可以根据需要进行拼接，组件之间的连接采用快速标准连接销，可以迅速拆装。当然根据主机厂的特殊需求，可以在其上连接一些适应自身产品的一些定位与支撑单元来满足不同车型的造型。a简易工装b柔性夹具c万能工作平台图3总成件试制工装4试制件质量控制近年来由于同步工程的深度参与，新车型开发过程的质量控制已经成为一条贯穿于产品生命周期的一条主线。在产品开发的初期阶段，就要去对质量目标进行定义，同时为质量控制设定人力和专项资金。下面对试制过程中的尺寸工程和三维数据测量方式进行介绍介绍。4.1尺寸工程对于新车型试制过程中的质量保证，尺寸工程已经作为一个新的理念被国内主机厂广为使用。尺寸工程首先要定义产品的质量目标（包括功能尺寸、尺寸技术规范（DTS）等），对产品零部件建立与本企业制造能力相符的初始公差，通过对实际装配的计算机模拟得出影响质量目标的关键因子，通过对这些关键因子的重点控制和产品优化来保证最终产品达到预期目标。另外尺寸工程通过前期GD&T图纸的规范，保证模具、检具、夹具的基准保持一致，避免由于基准转换带来的产品精度丢失。数据方面，尺寸工程提供了标准的数据测量计划，保证后期数据采集的规范性和可追塑性，为后期数据分析和改进提供可靠依据。4.2测量方式精品的产品离不开精密的测量仪器，如今汽车产品大都追求完美的流线型造型设计，而曲面的造型用传统的测量方式很难满足如今试制要求的大批量数据收集，这样也就离不开三坐标测量（CMM），三坐标测量可以将测量对象数模直观的显示在电脑屏幕上，给测量人员带来很大方便。a.固定式三坐标。有很多种类型，如移动桥架式、床式桥架型、柱式桥架型等。主要用于白车身本体及其他可移动部件的检测，其优点是整个三坐标固定在特殊处理过的地面上，精度较高，可以实现人工编程后自动测量，但由于其自身固定且体积较大，因此零件部分位置不可达，同时仅适用于零件可移动至三坐标室的工件的测量（见图4a）。b.移动式关节臂三坐标。在汽车试制过程中使用较多，因其可以固定在车间的任何位置实现对工装及零件进行测量，免去由于工装无法搬运带来的测量困难，对试制过程中的夹具调试有很好的适用性，其精度也完全能够满足汽车零部件制造的要求。（见图4b）c.激光三坐标。可实现长距离的测量，对于一整条生产线的检测来说，关节臂式三坐标几乎不可实现，多次移动重复定位导致的基准转换带来的误差让测量数据的可信度大打折扣，如果使用激光三坐标则可以解决这个问题，测量员只需要将侧头的激光接受侧对着固定的发射装置，即可保证大距离的测量成为可能。（见图4c）d.三维光学拍照技术。近几年兴起的新型测量技术，拍照的光源主要有蓝光、白光。只需要从不同角度对零件拍照，通过反射光线数据的计算即可快速获取零件的三维点云数据（见图4d），与机器人结合安装在机器人的手臂上可以完成批量生产的快速数据收集。获取的三维数据通过软件与理论数模自动对比，即可得到预先设计好模板的测量报告，这种测量方式在今后将是一种发展趋势。a固定式三坐标b移动式关节臂三坐标c激光三坐标d三维光学拍照设备图4试制常用光学测量设备5结束语试制过程是一个非常复杂的系统工程，可能用到的手段也非常多，本文所述的某一种试制技术不一定就适合每个企业。企业根据自身条件和新产品的特点同时考虑投入成本、开发周期与质量要求，选择适合自己的试制手段才能在计划时间周期内达到预期的产品、工艺及质量验证目标。参考文献[1]庞新福,冯斌,张春斌.白车身试制过程中的焊接质量控制分析汽车工艺与材料，2009,（08）：10-12.[2]田媛.白车身样件快速制造在样车试制中的应用汽车工艺与材料，2010,（04）：15-20.[3]杜坤,高海洲,魏庆丰,杨谊丽.螺钉车技术的开发及应用汽车工艺与材料，2011,（12）：52-58.