聚氨酯硬質模型在重卡造型設計中的應用

楊文德，張盼，李佳，何毓，樊鋒濤，韓像宏

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710220）

引言

自1956 年以來，我國重卡經過了60 余年的發展，特別在改革開放以來，隨著國民經濟的高速發展，我國已成為重卡生產和消費大國。重卡工業進入一個快速發展時期，隨之形成的整個重卡產業已成為我國國民經濟的重要產業之一。雖然目前國內的重卡工業出現蓬勃發展的跡象，但是從長遠可持續發展的戰略來看，我國的重型卡車產品質量和各方面的技術水平，同國際水平相比還有很大的差距。其中，在整個重卡產業鏈中，自主研發和創新能力還比較薄弱。

在重卡設計研發過程當中，造型設計是整車研發過程中的一個重要組成部分，且占據著重要的地位，而硬質模型制作又是重卡自主研發設計的一個重要環節。在發達國家，先進的科學技術已廣泛應用到重卡設計工作中來，例如虛擬現實技術、3D 打印技術等，但是在重卡造型設計過程中仍然保留硬質模型制作這一環節，這就表明硬質模型制作在重卡設計造型研發過程中，有著不可替代的地位和作用。硬質模型能給項目決策層和設計人員在造型評審時提供一個真實的樣件，所以硬質模型制作的好壞直接影響到造型方案的最終結果，同時它能夠大幅縮短新產品開發周期，降低產品開發成本。

1 聚氨酯硬質泡沫材料

聚氨酯硬質泡沫材料是以異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，通過專用設備混合，經高壓噴涂現場發泡合成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫有軟泡和硬泡兩種。軟泡為開孔結構，硬泡為閉孔結構。汽車內飾應用中以軟泡為主，它具有極佳的彈性、柔軟性、伸長率和壓縮強度。聚氨酯硬質泡沫是一種具有保溫與防水功能的新型合成材料，導熱系數較低，僅 0.022～0.033W/(m*K)，在汽車制造、家具裝修、服裝等行業被廣泛應用。汽車模型制作應用以硬泡為主，見圖1。

圖1 聚氨酯硬質泡沫板

2 聚氨酯硬質模型功用

2.1 聚氨酯硬質模型的定義

聚氨酯硬質模型是指以聚氨酯硬質泡沫為原材料，通過三軸銑削機，見圖2，依據造型設計師提供的三維數據加工出來的一種硬質樣件模型。

圖2 三軸銑削機

2.2 聚氨酯硬質模型的作用

其作用是在創意設計過程中給項目決策層及設計人員一個可實際感受的實體，進行造型感官體驗、功能布置驗證及人機舒適性分析等。

2.3 聚氨酯硬質模型的分類

聚氨酯硬質模型按照制作比例分為小比例物理模型和全尺寸物理模型，在重卡造型設計中，小比例模型通常采用1：10，小比例模型的好處是可以快速完成制作，可以進行及時修改，成本低廉，可以將造型設計師的想法快速進行展示，以便開展下一步工作。全尺寸物理模型是指與真實部件尺寸一樣，嚴格按照制作部件輪廓曲線和尺寸進行制作，任何一項細節的造型都要進行推敲設計，因為這個全尺寸物理模型是今后正式產品的依據。

3 聚氨酯硬質模型制作工藝方法

3.1 數據處理

數據處理是硬質模型制作的第一步，對硬質模型制作的各個步驟都起到一個指導的作用，毛坯的制作由數據提供，模型安裝定位由數據定義，模型后處理特征由數據決定，所以數據對一個模型的制作有至關重要的意義。

以重卡某內飾部件為例，根據造型設計師給出CAS 數據，模型師將CAS 數據導入CATIA，對面進行檢查，看看是否有明顯的斷面、空洞，見圖3，對面的質量進行檢測，確保連續性，見圖4。

圖3 三維數據

圖4 連續性檢查

3.2 毛坯下料

將CATIA 數據導入數控加工編制軟件PowerMILL 中，計算毛坯尺寸，給出安全距離，計算完成所需毛坯尺寸，原材料選用壓制成型的聚氨酯硬質泡沫板。根據計算尺寸取用合適聚氨酯泡沫板，用聚氨酯填充劑粘貼在加工平臺上，見圖5。

圖5 毛坯

3.3 數據編程

使用PowerINSPECT 軟件完成毛坯坐標采集，見圖6，使用PowerMILL 軟件進行粗加工和精加工程序編制，粗加工程序采用“三維區域清除模型”策略，見圖7，刀具選用?200-20球頭刀，步距10mm，內切尺寸10mm，余量2mm，精加工程序采用“平行精加工”策略，見圖8，刀具選用?200-20 球頭刀，步距1mm，余量0mm。

圖6 坐標采集

圖7 粗加工策略

圖8 精加工策略

3.4 機器加工

將編制好的粗加工策略和精加工策略導入三軸銑削機，首先進行機器歸零、對刀，然后操作機器進行加工，粗加工、精加工均選用直徑20 加長球頭刀即可滿足造型評審需求。加工過程中，及時清理毛坯表面泡沫殘渣。此重卡內飾部件機器加工結束需求15 小時，粗加工需要8 小時，精加工6 小時，切除多余邊角需求1 小時。

3.5 模型后處理

此內飾部件硬質模型主要用于造型效果驗證、人機舒適性及功能布置驗證，模型后處理工藝較為簡單。模型加工完成后，從機床上轉移到模型制作區域進行精修處理，包含邊界的倒角、面的光順、分縫線的扣取等，表面可使用砂紙進行輕輕打磨，內腔進行適應性手工掏空，滿足裝配即可，表面噴涂黑色裝飾漆，此過程需要1 小時左右，見圖9。

圖9

3.6 模型安裝

硬質模型噴漆完成后，作業人員在安裝過程中需佩戴白色光面手套，避免對模型表面造成損壞，安裝過程必須非常小心，不能將面刮傷，使用泡沫填充劑進行固定粘貼，待泡沫填充劑凝固后進行手工修補，可使用油泥進行細節修正。

4 聚氨酯硬質模型的優缺點

4.1 優點分析

以聚氨酯硬質泡沫進行硬質模型制作，總體來講，價格低廉，制作周期較短，能夠很好的等比例體現數模實體狀態。同時，造型效果比較逼真，制作工藝簡單；模型比較輕便，便于移動安裝，后期也不會出現龜裂現象。

4.2 缺點分析

以聚氨酯硬質泡沫制作的硬質模型相比較于油泥硬質模型，不可進行多次推敲設計，造型效果表面處理工藝也過于簡單，與真實樣車在造型效果上有一定的差異，裝配間隙也難以控制，不可作為展覽的用途；同時，聚氨酯硬質泡沫加工過程中廢料產生較多，對環境造成一定的污染。

4.3 可行性提升點

利用三軸銑削機可切換刀頭的特點，部件造型細節加工使用?200-8 球頭刀，R 角制作更加符合數據要求，表面工藝可進行刮膩子、底漆噴涂、面漆噴涂、表面覆膜等工藝處理，提升硬質模型表面整體表現方式。

5 結論

本文通過對聚氨酯硬質泡沫材料的介紹，以及重卡某部件聚氨酯硬質模型加工過程的闡述，通過對硬質模型全加工工藝流程的梳理，從毛坯下料、數據編程、機器加工、模型后處理、模型安裝等工藝過程進行具體描述，對于重卡產品開發經驗積累有著重要的意義。闡述了聚氨酯硬質模型的優點和缺點，進而給出了聚氨酯硬質模型制作的后期可行性提升點。