汽車輪罩焊裝尺寸設(shè)計(jì)研究

王虎,胡玉婷,李雄志,楊宇,龍曲波

(東風(fēng)(武漢)實(shí)業(yè)有限公司，湖北武漢 430000)

0 引言

汽車白車身是由數(shù)百個(gè)沖壓件通過(guò)數(shù)千次裝配和焊接組合而成，在白車身項(xiàng)目前期開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)其定義公差與尺寸是極其關(guān)鍵的一項(xiàng)工作內(nèi)容，白車身中如果各個(gè)總成的尺寸偏差過(guò)大，將會(huì)造成車身零部件出現(xiàn)安裝位置偏移，甚至難以安裝，外觀間隙變大、風(fēng)阻及噪聲增大和漏水等方面的問(wèn)題。汽車后端的輪罩總成，是典型的車身尺寸關(guān)鍵零部件，但由于其大多為較薄的鈑金件，外形復(fù)雜(多為空間曲面造型)、輪廓較大、焊接變形量較大等特點(diǎn)，在裝車時(shí)很容易引起操作工及質(zhì)量部門(mén)的抱怨，特別是其法蘭邊的平面度問(wèn)題，如果不能及時(shí)解決，對(duì)側(cè)圍內(nèi)板與其的貼合及焊接帶了極大的困擾[1]。

1 輪罩總成構(gòu)成及裝配環(huán)境介紹

1.1 總成構(gòu)成

輪罩總成一般由輪罩外板、輪罩加強(qiáng)板、后懸掛支架、后懸掛支架加強(qiáng)板、燃油管支架5個(gè)零件組成，這些單件的材料、板厚不盡相同，在相互搭接配合時(shí)也相互影響，其中最大的也是最重要的一個(gè)件就是輪罩外板。圖1是某款車型的輪罩總成示意圖，表1為各單件各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖1 輪罩總成組成

表1 某輪罩總成單件數(shù)據(jù)

由表1可以看出輪罩外板的板厚最薄，僅為0.67 mm，而其他零件除了燃油管支架小件外，厚度均超過(guò)1 mm，特別是后懸掛支架達(dá)到2.2 mm，此件在總成焊接過(guò)程中將對(duì)輪罩外板起到拉伸作用，對(duì)總成尺寸影響極大。

1.2 裝配環(huán)境

輪罩總成在車身上的裝配環(huán)境也較為復(fù)雜，一般在白車身上搭接的環(huán)境件有左右后內(nèi)縱梁、后翼子板里板、后三角窗里板、后縱梁總成、承載地板延伸板、后圍板等總成。對(duì)于這些搭接件，輪罩的尺寸對(duì)其影響極為關(guān)鍵，針對(duì)不同的總成搭接區(qū)域，對(duì)應(yīng)區(qū)域的偏置方向也不盡相同。圖2為某車型輪罩總成實(shí)際搭接環(huán)境件。

圖2 輪罩總成裝配環(huán)境圖

2 基準(zhǔn)選擇

2.1 定位原則

零件在模、夾、檢具中的定位原則，是要使同一工序中的所有零件，在生產(chǎn)時(shí)按生產(chǎn)要求在工裝中能保持同一位置(其中忽略因?yàn)楣ぱb定位誤差帶來(lái)的影響)。任何一個(gè)零件在未定位前，都可以看作空間直角坐標(biāo)系中可以自由活動(dòng)的物體，它可以沿X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸平行的方向任意活動(dòng)，即擁有沿3個(gè)坐標(biāo)軸移動(dòng)的自由度Tx，Ty，Tz(T代表平移)；同時(shí)，零件沿X、Y、Z3個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)方向的位置也是可以任意活動(dòng)的，即具有繞3個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的自由度Rx，Ry，Rz(R代表旋轉(zhuǎn))。所以，要使零件在工裝中中能保持同一位置，就必須限制零件的X，Y，Z3個(gè)坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)6個(gè)自由度，如圖3所示。

圖3 零件6個(gè)自由度

為了限制零件的自由度，在工裝中通常用一個(gè)支撐壓緊來(lái)限制零件一個(gè)自由度，通過(guò)用合理擺放的6個(gè)支撐壓緊來(lái)限制零件的6個(gè)自由度，就可以使零件的位置完全固定下來(lái)，通過(guò)6個(gè)點(diǎn)定位來(lái)固定零件，每個(gè)點(diǎn)限制一個(gè)自由度，即“六點(diǎn)定位法”。

2.2 基準(zhǔn)選擇應(yīng)考慮的要素

(1)功能。首先要考慮的是選擇以零件裝配的貼合面為基準(zhǔn)；零件上被選作基準(zhǔn)的面應(yīng)該要最小化裝配偏差；零件的基準(zhǔn)面或孔應(yīng)該能夠反應(yīng)實(shí)際零件裝配過(guò)程中的某些特征關(guān)系。

(2)基準(zhǔn)的可重復(fù)性。基準(zhǔn)特征本身在制造過(guò)程中必須保持尺寸穩(wěn)定性;基準(zhǔn)特征必須是可重復(fù)的，不會(huì)因裝配而發(fā)生變化;基準(zhǔn)應(yīng)在各種情況下都能保持穩(wěn)定或是基本不變化。

(3)基準(zhǔn)一致性。零件的基準(zhǔn)一旦確定下來(lái)，就必須要保證其在制造、生產(chǎn)、檢測(cè)、裝配過(guò)程中的一致性。零件的模具基準(zhǔn)、夾具基準(zhǔn)、檢具基準(zhǔn)必須保持一致。

2.3 基準(zhǔn)一致性

基準(zhǔn)選擇上要求滿足CDLS(Common Datum Locating Strategy)基準(zhǔn)一致性定位策略標(biāo)準(zhǔn)，CDLS是一種開(kāi)發(fā)車身制造綜合性尺寸的控制策略，它集成了設(shè)計(jì)與制造的所有關(guān)鍵控制因素，基準(zhǔn)的一致性主要是指零件制造、加工、檢測(cè)過(guò)程的模、夾、檢具的主定位基準(zhǔn)的一致性。基準(zhǔn)一致性優(yōu)勢(shì)包括：

(1)減少了基準(zhǔn)在變換過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，提高了零件尺寸精度；

(2)有利于工裝檢具的設(shè)計(jì)加工，有助于工藝過(guò)程的制定；

(3)有利于快速獲取準(zhǔn)確的零件尺寸數(shù)據(jù)，從而能快速分析出問(wèn)題所在；

(4)有利于對(duì)零件進(jìn)行直觀的質(zhì)量缺陷判斷，提高質(zhì)量管理水平。

其設(shè)計(jì)思路如下：基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程是由白車身到分總成，再由分總成到單件，逐級(jí)制定完成。基準(zhǔn)選擇的受控因數(shù)還有：工裝限制，主要是人機(jī)工程的影響，白車身很大程度上還需要依賴于人工焊接。所以基準(zhǔn)的選擇必須滿足人機(jī)工程以及沖壓成形穩(wěn)定性要求[4]。

對(duì)于輪罩總成，在基準(zhǔn)選擇中，采用了最基本的兩個(gè)夾一面的定位，即一個(gè)圓孔控制兩個(gè)方向自由度，一個(gè)長(zhǎng)圓孔控制一個(gè)方向自由度，一個(gè)平面控制3個(gè)方向自由度。

理論上通過(guò)6點(diǎn)定位法，用6個(gè)定位點(diǎn)可以完全將輪罩總成給固定住，但由于輪罩總成本體較薄，零件剛性較差，在實(shí)際焊接過(guò)程中并不能把輪罩總成完全看成為剛性體，僅通過(guò)6個(gè)點(diǎn)定位不能完全將輪罩總成固定在工裝上，還需要增加幾個(gè)輔助定位點(diǎn)，如圖4所示。對(duì)于檢具的設(shè)計(jì)，要保證檢具定位基準(zhǔn)與裝配定位基準(zhǔn)一致，即A1、A2、A3、B、C位置必須保持一致，以便于保證輪罩總成的在檢具上檢測(cè)和三坐標(biāo)采集數(shù)據(jù)的真實(shí)性，同時(shí)也保證輪罩總成在檢具上的擺放姿態(tài)能夠完全地模擬輪罩總成在白車身上的實(shí)際裝配環(huán)境。由于輪罩本體較薄，零件回彈較大，選擇的這些定位點(diǎn)所在的裝配面在冷沖過(guò)程中都不是一次拉延成形，均需二次整形。在零件冷沖生產(chǎn)前期，對(duì)于輪罩本體的沖壓調(diào)試，這些定位點(diǎn)所在的面將不會(huì)很平，尺寸精度也較差。在調(diào)試前期必須要確認(rèn)該輪罩的裝配定位模夾檢基準(zhǔn)的一致性，否則會(huì)導(dǎo)致零件在不同工裝上的檢測(cè)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。

圖4 輪罩定位示意

3 尺寸分析

3.1 尺寸影響因素

3.1.1 零件偏差

對(duì)于組成輪罩的這些沖壓件，其沖壓過(guò)程均非一次拉深成形，都是經(jīng)過(guò)沖壓、彎曲、拉延、 翻邊、整形等多個(gè)不同工藝流程。再加上輪罩本體較薄，零件在經(jīng)過(guò)沖壓后會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形，在應(yīng)力釋放過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致其形狀和尺寸都產(chǎn)生變化，導(dǎo)致零件回彈較大。而且輪罩子件在包裝和運(yùn)輸過(guò)程很容易引起變形，由于變形量較小，無(wú)法通過(guò)肉眼來(lái)識(shí)別，就算通過(guò)返修也無(wú)法達(dá)到零件之前的狀態(tài)。所以零件尺寸的偏差在所難免，對(duì)于沖壓件的尺寸監(jiān)控，必須要利用三坐標(biāo)使用規(guī)定的參考系進(jìn)行檢測(cè)，以保證沖壓件的尺寸精度。

3.1.2 工裝夾具

工裝夾具是保證零件焊接過(guò)程中能準(zhǔn)確定位及維持穩(wěn)定的載體，夾具設(shè)計(jì)制造是否合理的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是能否保證定位可靠、精度是否合格、是否方便裝配和焊接。根據(jù)基準(zhǔn)一致性原理，應(yīng)選取重要的裝配孔、工藝孔和裝配面作為基準(zhǔn)定位，即與模具檢具保持一致。輪罩是屬于剛性較差的零件，沖壓型面不穩(wěn)定的零件，應(yīng)采取過(guò)定位方式約束零件尺寸。部分剛性很大，已經(jīng)定型了的，復(fù)雜的型面，則應(yīng)減少輔助定位，避免導(dǎo)致過(guò)渡定位引起的干涉[3]。

3.1.3 工藝及操作人員影響

零件裝配順序、焊接機(jī)器人施焊順序、焊點(diǎn)位置這些與工藝參數(shù)有關(guān)的工藝對(duì)于總成焊接和零件的尺寸精度都有很大的影響，還有在焊接過(guò)程中不同操作工和不同的操作習(xí)慣都會(huì)造成輪罩總成焊接完成尺寸變化。由于此總成焊接并未完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全自動(dòng)化焊接，對(duì)于人員操作過(guò)程偏差，必須要實(shí)現(xiàn)操作過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化，制定標(biāo)準(zhǔn)操作指導(dǎo)書(shū)，將不穩(wěn)定因素降到最低，從而提升輪罩總成尺寸的穩(wěn)定[2]。

3.2 關(guān)鍵尺寸

輪罩總成在車身上搭接件較多，需要關(guān)注的重點(diǎn)尺寸也很多。

(1)輪罩總成的翻邊面。如圖5所示，此處翻邊面與車身上后翼子板里板、三角窗里板、流水槽里板等總成均有搭接，對(duì)車身的Y向開(kāi)度有很大的影響。這一整條面不僅要保證其面位置度，還需要保證共面度，以便于白車身的焊接裝配。(此面定義設(shè)計(jì)時(shí)均為向車內(nèi)走的偏置公差)

圖5 輪罩總成翻邊面

(2)輪罩總成X向開(kāi)度。如圖6所示，輪罩總成在前后分別與后內(nèi)縱梁總成和承載地板延伸板或是后圍板總成搭接。如果前部外張過(guò)多會(huì)頂?shù)胶髢?nèi)縱梁總成，導(dǎo)致整個(gè)門(mén)檻梁X向傾斜。而后部的面如果搭接不良可能導(dǎo)致白車身漏水現(xiàn)象。

圖6 輪罩總成X向

(3)輪罩總成孔位。如圖7所示，輪罩總成一般內(nèi)部與外部都需要焊接一個(gè)帶孔小支架，內(nèi)部孔位主要是走線和固定的作用。而外部的孔位則是與后縱梁搭接的孔，此外部孔位需特別關(guān)注X和Z向孔位置度。

(4)輪罩總成翻邊修邊線(圖5)。輪罩總成的翻邊面在白車身均有焊接，且分別搭接不同總成，而翻邊面的修邊線如果太短將會(huì)影響焊接，導(dǎo)致焊點(diǎn)咬邊，修邊線過(guò)長(zhǎng)則會(huì)夾具有干涉。

圖7 輪罩總成背部孔位

4 焊接對(duì)尺寸的影響

4.1 焊接順序

焊接順序內(nèi)容主要有：(1)鈑金件的裝配順序;(2)施焊順序。無(wú)論是裝配順序還是施焊順序都對(duì)車身裝焊工藝有著一定的影響。對(duì)于輪罩總成的裝配順序，采用從上到下、從里到外的裝配順序。但對(duì)于輪罩總成的施焊順序，需采用中間向兩端對(duì)稱焊和對(duì)稱剛性點(diǎn)固的順序，在第一序先輪罩外板與輪罩加強(qiáng)板焊接，然后再焊后懸掛支架加強(qiáng)板；在第二序焊接后懸掛支架和補(bǔ)焊其他的點(diǎn)位[5]。圖8為輪罩總成焊接順序圖。

圖8 輪罩總成焊接順序圖

4.2 焊接變形

盡管已經(jīng)增加零件定位，優(yōu)化了焊接順序，但在焊接過(guò)程中仍舊會(huì)有焊接變形的出現(xiàn)。根據(jù)對(duì)輪罩總成焊接過(guò)程的跟蹤，發(fā)現(xiàn)在每次總成二序補(bǔ)焊工位上焊接時(shí)，輪罩的X向總會(huì)有一定程度的外張現(xiàn)象，這是由于輪罩外板與加強(qiáng)板和后懸掛支架加強(qiáng)板未能完全貼合的原因。輪罩加強(qiáng)板和后懸掛支架加強(qiáng)板的厚度是輪罩外板厚度的兩倍多，且輪罩加強(qiáng)板和后懸掛支架加強(qiáng)板均在輪罩外板中部，焊接過(guò)程中輪罩外板會(huì)被這兩個(gè)件拉動(dòng)往外靠，使得輪罩外板的中部向上移動(dòng)，而兩側(cè)的X向面自然就外張了。因此，在焊接夾具上不僅僅是要增加幾個(gè)輔助的支撐壓緊，對(duì)于輪罩總成焊接的X向面的外張的仿形支撐也是必須要增加的，這樣才能盡量阻止輪罩總成焊接變形所帶來(lái)的尺寸超差[6-7]。

5 問(wèn)題經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

對(duì)于輪罩類總成的焊接調(diào)試部分，根據(jù)其項(xiàng)目階段出現(xiàn)的各種問(wèn)題，進(jìn)行分析驗(yàn)證，總結(jié)了一套焊接總成尺寸缺陷分析流程圖(圖9)來(lái)進(jìn)行尺寸分析。

圖9 焊接總成尺寸缺陷分析流程

6 結(jié)束語(yǔ)

介紹了汽車輪罩總成的尺寸開(kāi)發(fā)及控制過(guò)程，主要通過(guò)分析總成的單件結(jié)構(gòu)構(gòu)成、裝配環(huán)境、基準(zhǔn)選擇、尺寸分析、焊接及工裝、人員影響等方面總結(jié)輪罩尺寸控制的主要方法。文中還結(jié)合項(xiàng)目階段生產(chǎn)中的出現(xiàn)的問(wèn)題點(diǎn)及裝車缺陷進(jìn)行分析驗(yàn)證并總結(jié)了一套對(duì)焊接總成尺寸缺陷分析流程圖，為后續(xù)輪罩類總成的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供了相應(yīng)的參考及經(jīng)驗(yàn)。