商用車車身主模型的工藝設(shè)計(jì)與制造

摘要：結(jié)合商用車車身主模型制作實(shí)例，對主模型的分類及用途進(jìn)行說明，詳細(xì)闡述了主模型工藝設(shè)計(jì)及制作流程，以及模型分塊設(shè)計(jì)、骨架設(shè)計(jì)、零件安裝工藝設(shè)計(jì)及模型材料選用等工藝設(shè)計(jì)方案，并對主模型的各項(xiàng)技術(shù)要求、制造精度、加工難點(diǎn)及解決方案進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

關(guān)鍵詞：商用車車身主模型；工藝設(shè)計(jì)；制造

中圖分類號：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2012）01-0051-04

Technological Design and Manufacture of Commercial Vehicle Cab Master Model

XIE Hong，DING Guo-bao

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Shiyan 442001 ，China）

Abstract: Combined with the example，this paper introduces the classification and use of cab master model，describing the process of technological design and manufacture，blocking model design，frame design，assembling process design of parts and how to select modle material，emphasizing the technical requirements of the master model and manufacture difficulties and solutions.

Key words：commercial vehicle cab master model；technological design；manufacture

隨著中國加入WTO，汽車產(chǎn)業(yè)融入國際市場，國內(nèi)汽車市場競爭日趨激烈。汽車產(chǎn)品研發(fā)周期縮短，改型頻次加密。車身主模型制作是車身開發(fā)過程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。車身主模型可使造型及車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在初期設(shè)計(jì)階段，就能對車身的外觀和內(nèi)飾造型進(jìn)行直觀的審視，并對結(jié)構(gòu)和工藝性進(jìn)行驗(yàn)證，有利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題并及時(shí)改進(jìn)。

受設(shè)備能力及制造工藝技術(shù)所限，國內(nèi)傳統(tǒng)的車身主模型制造方法均是采用手工制作，周期長且無法準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)原型，重點(diǎn)復(fù)雜的主模型只能委托國外廠商進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。二十世紀(jì)九十年代以來，隨著數(shù)控設(shè)備在中國的廣泛應(yīng)用，設(shè)備能力及制造工藝技術(shù)都得以提升。本文通過采用CAD/CAM集成技術(shù)，利用大型五軸銑設(shè)備完成多項(xiàng)商用車車身主模型制作，為車身開發(fā)提供了準(zhǔn)確依據(jù)，也逐步探索出一套完善的主模型制作工藝。

1 主模型的分類及用途

1.1 主模型分類

通常主模型按車身件在車身上所處的位置分為3類：

a）外主模型通常體現(xiàn)在車身外部可見的組成外殼體的沖壓件，如前圍外板、左/右側(cè)圍外板、左/右車門外板、頂蓋、后圍外板等。外主模型應(yīng)能實(shí)現(xiàn)前圍格柵、外后視鏡等零件安裝。

b）內(nèi)主模型通常體現(xiàn)在車身內(nèi)部拆下內(nèi)飾件后可見的組成內(nèi)殼體的沖壓件，如前圍內(nèi)板、地板、車門內(nèi)板、各立柱內(nèi)板等。內(nèi)主模型應(yīng)能實(shí)現(xiàn)內(nèi)飾件安裝，也有直接體現(xiàn)內(nèi)飾件型面及裝配關(guān)系的內(nèi)飾主模型。

c）分主模型以零件為分塊單元，按設(shè)計(jì)分離面劃分，如儀表板、保險(xiǎn)杠、前擋風(fēng)玻璃外、燈具外等。

此3類主模型在協(xié)調(diào)關(guān)系上沒有絕對的分界線，應(yīng)根據(jù)車身件在車身上的位置、作用和制造工藝方法來決定在哪一類主模型上制造。因此3類主模型如何選取分離面、明確模型協(xié)調(diào)依據(jù)，并保證準(zhǔn)確裝配是主模型工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

1.2 主模型用途

主模型是表示汽車車身內(nèi)外覆蓋件及內(nèi)飾件空間立體形狀的精確模型，是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵依據(jù)，同時(shí)為產(chǎn)品生產(chǎn)與檢查、工藝裝備（包括沖壓件模具、裝焊夾具、檢驗(yàn)夾具）制造與檢驗(yàn)等提供了有利條件。

2 主模型工藝設(shè)計(jì)及制造流程

車身主模型工藝設(shè)計(jì)復(fù)雜、技術(shù)難度大，制造過程中需利用先進(jìn)的加工和檢測手段保證制造裝配精度。主模型工藝設(shè)計(jì)及制造流程如圖1所示。

3 主模型工藝設(shè)計(jì)

在主模型設(shè)計(jì)制造過程中，工藝方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。只有合理地進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，嚴(yán)格制定各項(xiàng)技術(shù)要求，才能制作出高精度的主模型，以保證主模型的后續(xù)應(yīng)用。主模型工藝設(shè)計(jì)包括總體方案設(shè)計(jì)、分塊模型工藝設(shè)計(jì)、骨架設(shè)計(jì)、實(shí)物零件安裝工藝設(shè)計(jì)及模型材料選用等。下面以某商用車車身為例介紹主模型工藝設(shè)計(jì)。

3.1 總體工藝方案設(shè)計(jì)

3.1.1 主模型主要技術(shù)要求

①總體要求

a）模型型面光順，輪廓清晰，可準(zhǔn)確真實(shí)反映設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

b）模型尺寸穩(wěn)定性好，便于長期存放；

c）模型骨架應(yīng)有足夠的剛性和強(qiáng)度；

d）需設(shè)置測量復(fù)位基準(zhǔn)點(diǎn)，便于裝配檢測。

②分塊模型及裝配技術(shù)要求

a）模型型面上無裂紋、氣泡、印痕和碰傷等缺陷；

b）輪廓線清晰挺拔，型面光順，分塊模型型面誤差±0.15 mm，邊界誤差為0 -0.15 mm，型面保留加工刀紋（波峰波谷最大差值0.03 mm）；

c）裝配狀態(tài)模型型面累計(jì)誤差不大于±0.30 mm，邊界累積誤差為+0.200 mm，對合型面階差不大于0.15 mm；

d）零件裝配位置度±0.50 mm。

3.1.2 外主模型總體工藝設(shè)計(jì)

外主模型要求依據(jù)產(chǎn)品三維CAD數(shù)模加工出駕駛室外部型面，需實(shí)現(xiàn)前大燈、前面罩及格柵等零件安裝。為保證模型精度，應(yīng)盡量減少分塊模型數(shù)量。如模型外形尺寸超出了加工機(jī)床的行程范圍，則需要進(jìn)行模型分塊。分塊時(shí)需選擇合適的型面進(jìn)行拼接以降低對模型評審效果的影響，同時(shí)應(yīng)充分保證各分塊模型加工方便性。圖2將外模型分為上下兩塊，分別加工再進(jìn)行組裝。

3.1.3 內(nèi)飾主模型總體工藝設(shè)計(jì)

內(nèi)飾主模型依據(jù)產(chǎn)品三維CAD數(shù)模加工駕駛室內(nèi)部型面，并實(shí)現(xiàn)各種內(nèi)飾零件的安裝。因此內(nèi)飾模型需分為若干分塊模型，最后進(jìn)行裝配。分塊時(shí)盡量按照車身內(nèi)飾零件真實(shí)的拼縫線進(jìn)行分塊，同時(shí)還應(yīng)考慮模型加工設(shè)備行程、裝配工藝順序等制造工藝可行性。該商用車車身內(nèi)飾模型分為地板、儀表板、左/右前支柱、左/右側(cè)圍、后圍、頂蓋、左/右車門等十個(gè)分塊模型。

3.2 分塊模型工藝設(shè)計(jì)

合理進(jìn)行分塊模型工藝設(shè)計(jì)是保證模型裝配精度的基礎(chǔ)。在分塊模型上設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)、檢測基準(zhǔn)及安裝部件等均需合理設(shè)置。通常分塊主模型有以下兩種結(jié)構(gòu)型式。

①帶骨架式

結(jié)構(gòu)型式：由骨架、基準(zhǔn)板及樹脂表層構(gòu)成，骨架上安裝基準(zhǔn)板，樹脂板粘接于骨架表面，如外模型上、外模型下、儀表板、地板模型采用此種結(jié)構(gòu)。

②不帶骨架式

結(jié)構(gòu)型式：以鋼板或鋁板為基體，表層粘接樹脂板、油泥等材料，小型模型也可采用整體樹脂板或硬泡，如車門、后圍等模型采用此結(jié)構(gòu)。

3.3 模型骨架設(shè)計(jì)

模型骨架結(jié)構(gòu)型式通常有鑄造骨架、焊接骨架、蜂窩板支承骨架3種。鑄造骨架制造周期長，成本高。蜂窩板支承骨架由蜂窩狀鋁合金薄板材粘接而成，剛性好、重量輕且變形小，但只適用于粘接式定位基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。焊接骨架是利用薄壁方鋼管或圓鋼管焊接而成，制造工藝簡單、成本低、周期短。結(jié)合該車身主模型設(shè)計(jì)要求，選用焊接結(jié)構(gòu)骨架。

骨架設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則：

①較好的剛性及強(qiáng)度；

②定位準(zhǔn)確，聯(lián)接牢固，可實(shí)現(xiàn)實(shí)物零件安裝；

③保證粘接樹脂型面加工余量均勻，以節(jié)約材料成本；

④方便加工找正、裝夾；

⑤足夠的裝配空間，吊裝裝置設(shè)置合理。

骨架設(shè)計(jì)是模型工藝設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，外主模型和內(nèi)飾主模型的骨架有很大區(qū)別。

外主模型骨架設(shè)計(jì)重點(diǎn)為保證毛坯材料有足夠且盡可能均勻的加工余量。型面加工后，樹脂材料可牢固地連接在骨架上。在進(jìn)行外主模型骨架設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮以下幾個(gè)方面。

①上、下骨架的定位和連接如圖3、圖4所示。定位基準(zhǔn)板是保證分塊主模型正確拼裝及確定模型加工基準(zhǔn)的關(guān)鍵部件。定位基準(zhǔn)板一般采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，設(shè)置在骨架端面，可依據(jù)模型不同尺寸設(shè)置4～6塊。定位板布置間距采用200 mm的整數(shù)倍。該外主模型在上下骨架上各布置4個(gè)定位塊，每一對定位塊采用定位面配合，該定位面在模型加工時(shí)做為加工基準(zhǔn)。

②加工找正、裝夾方式。上模型加工時(shí)，除底面為非型面外，其余各面均為數(shù)據(jù)型面，找正裝夾非常困難。因此在設(shè)計(jì)骨架時(shí)，在骨架上安裝上4個(gè)方箱用于找正夾緊，加工完成以后，將方箱拆掉，不影響上、下模型的裝配。

內(nèi)飾主模型骨架設(shè)計(jì)應(yīng)充分地考慮實(shí)物零件的正確安裝。如地板模型骨架需實(shí)現(xiàn)儀表板、側(cè)圍、后圍模型的裝配。儀表板模型骨架設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)車門、前支柱、離合踏板、制動踏板、油門踏板及轉(zhuǎn)向柱等零件的安裝。各骨架之間的裝配采用一面兩銷定位，螺栓聯(lián)接。儀表板模型骨架與地板模型骨架裝配關(guān)系見圖5。

骨架均采用方鋼管和鋼板焊接而成，骨架焊接后進(jìn)行退火處理，消除焊接應(yīng)力以防止骨架變形，保證模型存放期內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性。骨架表面進(jìn)行除銹，噴涂黑色亞光漆。

3.4 零件安裝工藝設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證零件裝配特性，主模型需實(shí)現(xiàn)實(shí)物零件及快速樣件裝配。安裝方式一般無法采用實(shí)車安裝方式，因此需對零件的結(jié)構(gòu)及安裝方式等進(jìn)行全面的分析，在保證零件安裝視覺效果不變的前提下，對零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)或重新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)零件準(zhǔn)確安裝，保證模型評價(jià)效果。該內(nèi)飾主模型主要實(shí)物零件安裝工藝設(shè)計(jì)方案見表1。

3.5 模型材料選用

模型材料選用主要依據(jù)模型技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)、用途及加工工藝性，同時(shí)充分考慮經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備加工能力，如：地板模型是整個(gè)內(nèi)飾模型的安裝基礎(chǔ)，同時(shí)需承受人體的重量及座椅等零件位置調(diào)整時(shí)的沖擊力量，因此選用強(qiáng)度較高的RS460樹脂板材進(jìn)行銑削；車門模型要求實(shí)現(xiàn)開閉，需減輕重量，可選用BM5108硬泡材料，但車門鉸鏈安裝面需鑲嵌BM5166樹脂板材；其他輔助材料包括糊狀樹脂和模型材料粘接專用黏合劑等。表2為內(nèi)飾主模型主要材料選用表。

4 主模型制造

4.1 模型毛坯制造

采用樹脂材質(zhì)的模型是將樹脂表層通過粘合劑粘接在加工完畢的金屬骨架上，通過數(shù)控加工形成模型型面。樹脂層應(yīng)留量均勻，加工余量不小于20 mm。制造工人按尺寸要求將樹脂板切成簡單幾何形狀，用粘接劑逐層粘接，并利用器具進(jìn)行夾持保證貼合緊密。毛坯圓角部位可用粘接劑填充，固化后形成最終模型毛坯（見圖6）。

4.2 模型型面數(shù)控加工

CAD/CAM集成技術(shù)和數(shù)控設(shè)備的廣泛應(yīng)用，使主模型制造精度大幅提高，制造周期不斷縮短。數(shù)控設(shè)備可以加工各種復(fù)雜型面，且對稱性、一致性好。此次采用的五軸銑機(jī)床設(shè)備參數(shù)為：加工臺面為2 000 mm×5 500 mm； 加工范圍為2 000 mm×3 000 mm×6 500mm；數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC18，五軸四軸聯(lián)動。主軸轉(zhuǎn)速范圍為0～12 000 r/min，進(jìn)給速度最大10 000 mm/min。

4.2.1 加工坐標(biāo)系的建立

因分塊模型在加工中需進(jìn)行多次裝夾，為保證加工精度，必須建立統(tǒng)一的坐標(biāo)系。

4.2.2 深腔的加工

在大面粗加工時(shí)，對于比較平緩的型面，通常通過程序落刀加工而成。而加工大面上深腔（如圖7所示保險(xiǎn)杠與前面罩之間的深腔）時(shí)，如仍采用上述方式，加工效率極低。因此對于深腔，需采用局部粗加工方法，精加工時(shí)再與大型面整體加工。亦可單獨(dú)將深腔部分精加工到位，精加工大面時(shí)，將深腔部位進(jìn)行保護(hù)，只加工其余型面。這樣不僅提高加工效率，還能有效改善表面質(zhì)量，如圖7所示。

4.2.3 模型正、反兩面加工

在內(nèi)飾模型加工過程中，頂蓋、側(cè)圍、后圍、車門、前支柱均需要進(jìn)行正、反兩面的加工，因此如何選擇建立加工基準(zhǔn)非常重要。如前支柱采用以下特殊工藝方案，如圖8、圖9所示：在加工反面后，在凹腔中使用高強(qiáng)度石膏填充，待石膏干透以后，將上表面銑平作為正面的加工基準(zhǔn)，然后將模型翻面，加工正面。型面加工后，將石膏去除并進(jìn)行清理即完成模型加工。

4.3 模型裝配及檢測

4.3.1 模型的裝配

內(nèi)飾主模型的裝配以地板模型為基礎(chǔ)，左／右側(cè)圍模型、后圍模型與地板模型、儀表板模型與地板模型之間均采用一面兩銷定位，通過螺栓進(jìn)行聯(lián)接。頂蓋模型安裝在前支柱模型、側(cè)圍模型、后圍模型上方，通過一面兩銷定位，靠頂蓋模型自重緊密貼合。車門模型采用門鉸鏈與儀表板模型進(jìn)行聯(lián)接。

外主模型在裝配時(shí)，將上模型骨架上的預(yù)置方箱拆卸，通過定位塊與下模型定位裝配。

4.3.2 質(zhì)量檢測

主模型檢測是對模型型面及尺寸精度進(jìn)行評價(jià)。外觀檢查內(nèi)容為：間隙、涂色、組合部協(xié)調(diào)性、表面粗糙度等。尺寸精度分為：主要尺寸精度、細(xì)部尺寸精度、縫隙精度、接合面差、重復(fù)定位精度等。由于主模型型面為曲面，可采用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行檢測，精度及效率較高。一般主模型檢測點(diǎn)可多達(dá)數(shù)百至上千點(diǎn)，如采用先進(jìn)的激光掃描儀可高速采集型面點(diǎn)云，經(jīng)后續(xù)處理可直接與三維數(shù)模擬合對比，快速得到檢測數(shù)據(jù)，大大縮短檢測周期。

5 結(jié)語

該主模型經(jīng)檢測評審達(dá)到設(shè)計(jì)要求，模型檢測數(shù)據(jù)與理論數(shù)模擬合良好，外型輪廓線清晰，型面光順，滿足設(shè)計(jì)要求，并為今后主模型的制造提供了極其寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因自行完成設(shè)計(jì)制造，節(jié)約大量開發(fā)費(fèi)用。同時(shí)應(yīng)用了CE（并行）工程，設(shè)計(jì)與制造交叉進(jìn)行，在模型制造過程中允許設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修正，可及時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，縮短開發(fā)周期。

主模型制造技術(shù)難度大，工藝復(fù)雜，但對產(chǎn)品的開發(fā)及車身制造具有重要意義。隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)模塊及檢測手段的日益完備，主模型的制造水平將不斷提高，在車身開發(fā)及制造中主模型的應(yīng)用一定會更加廣泛。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 石云愛.車身主模型的制作［J］.汽車研究與開發(fā)，1997，（3）：15-21.

［2］ 紀(jì)建昌，唐運(yùn)河，劉穎.汽車主模型設(shè)計(jì)及制造工藝的探討［J］．陜西汽車，1992，（4）：13－27.

［3］ 諸德春，吉啟昌.淺論轎車主模型工藝設(shè)計(jì)［J］．汽車研究與開發(fā)，1993，（6）：47-51.

［4］ 劉志民．微型轎車車身木質(zhì)主模型的工藝設(shè)計(jì)與制造［J］．汽車技術(shù)，1996，（6）：35-37.

［5］ 李銘.關(guān)于汽車主模型檢具制造工藝問題的討論［J］. 模具技術(shù)，2006，（6）：42-44.