汽車產品金屬樣件快速試制現代制造技術簡述

黃徽董宏秀紀升偉

（1.煙臺泰利機械工藝研究所有限公司，煙臺 264607；2.東方瑞創達電子科技有限公司，煙臺 264607）

汽車產品金屬樣件快速試制現代制造技術簡述

黃徽1董宏秀2紀升偉1

（1.煙臺泰利機械工藝研究所有限公司，煙臺 264607；2.東方瑞創達電子科技有限公司，煙臺 264607）

本文針對汽車產品樣件快速試制，闡述了快速試制技術方法，針對汽車試制件開發周期短，降低生產成本，著重說明快速試制技術中的數字化無模鑄造精密成型技術、激光三維切割和快速可重構焊裝系統，為汽車產品金屬樣件快速試制提供一定的技術參考。

快速試制 無模鑄造 激光三維切割 快速可重構 焊裝汽車模具

引言

汽車產品試制一般發生在整車企業需要推出全新車型或者對原有車型進行改進或升級時。汽車產品試制的對象主要指樣車、車身、車身局部、內外飾件和零部件。試制樣車一般有概念車、驗證車和試驗用車三種，概念設計更多關注外觀和造型；而驗證車和試驗用車設計和試制更多強調尺寸合理及質量合格等。0

試制樣車中各試制件以沖壓成形和鈑金件居多，一般是采用冷沖壓成形技術成型各金屬試制樣件。隨著整車制造企業推出新車型周期越來越短并快速占領品牌市場，已經形成了針對汽車產品金屬樣件快速試制的行業或產業鏈條，非傳統配套廠開發試制樣件。汽車制造業得到進一步的細化。

隨著試制行業或產業鏈條的出現，各試制樣件廠家針對樣件成形技術已經不局限于冷沖壓技術，而是采用更快速、可靠和制造成本相對低廉的先進試制技術，以適應樣件開發周期短、產品質量要求高和數量少等特點，達到快速試制要求。

1 汽車產品金屬樣件快速試制現代制造技術

汽車產品金屬樣件車身、車身局部、內外飾件和零部件等，縮短樣件試制產品周期和降低成本，必須縮短模具開發周期和降低模具制造成本。樣件試制企業在不斷探求能夠快速響應市場的生產模式和技術策略，如快速切削和快速成形技術等。

1.1 模具快速制造

模具制造成本高，周期長，因此，為解決模具快速制造，采用數字化無模鑄造精密成型技術[1-2]，既無模鑄造技術，是計算機、自動控制、新材料、鑄造等技術的集成和原始創新：由三維CAD模型直接驅動鑄型制造，不需要模具縮短了鑄造流程，實現了數字化鑄造、快速制造。

同傳統鑄型制造技術相比，無模鑄造具有無可比擬的優越性，它不僅使鑄造過程高度自動化、敏捷化，降低工人勞動強度，而且在技術上突破了傳統工藝的許多障礙，使設計、制造的約束條件大大減少。具體表現在以下方面：

（1）造型時間短。利用傳統的方法制造鑄型必須先加工模樣，無論是普通加工還是數控加工，模樣的制造周期都比較長。對于大中型鑄件來說，鑄型的制造周期一般以月為單位計算。由于采用計算機自動處理，無模鑄造工藝的信息處理過程一般只需花費幾個小時至幾十個小時。所以從制造時間上來看，該工藝具有傳統造型方法無法比擬的優越性。

（2）制造成本低。無模鑄造工藝的自動化程度高，其設備一次性投資較大，其它生產條件如原砂、樹脂等原材料的準備過程與傳統的自硬樹脂砂造型工藝相同。然而又由于它造型無需模樣，對于一些大型、復雜鑄件，模具的成本又較高，所以其收益是明顯的。

（3）一體化制造。由于傳統造型需要起模，因此一般要求沿鑄件最大截面處（分型面）將其分開，也就是采用分型造型。這樣往往限制了鑄件設計的自由度，某些表面和內腔復雜的鑄型不得不采用多個分型面，使造型、合箱裝配過程的難度大大增加，分型造型使鑄件產生“飛邊”，導致機加工量增大。無模鑄造工藝采用離散/堆積成形原理，沒有起模過程，所以分型面的設計并不是主要障礙。分型面的設計甚至可以根據需要不設置在鑄件的最大截面處，而是設在鑄件的非關鍵部位，對于某些鑄件，完全可以采用一體化制造方法，即上下型同時成形。一體化造型最顯著的優點是省去了合箱裝配的定位過程，減少了設計約束和機加工量，使鑄件的尺寸精度更容易控制。

（4）型、芯同時成形。傳統工藝出于起模的考慮，型腔內部一些結構設計成芯，型、芯分開制造，然后再將二者裝配起來，裝配過程需要準確的定位，還必須考慮芯子的穩定性。無模鑄造工藝制造的鑄型，型和芯是同時堆積而成，無需裝配，位置精度更易保證。

（5）易于制造含自由曲面的鑄型。傳統工藝中，采用普通加工方法制造模樣的精度難以保證；數控加工編程復雜，另外涉及刀具干涉等問題。所以傳統工藝不適合制造含自由曲面或曲線的鑄件。而基于離散/堆積成形原理的無模鑄造工藝，不存在成形的幾何約束，因而能夠很容易地實現任意復雜形狀的造型。

（6）造型材料廉價易得。無模鑄造工藝所使用的造型材料是普通的鑄造用砂，價格低廉，來源廣泛；而粘結劑和催化劑也是非常普通的化學材料，成本不高。

與傳統有模鑄件制造相比，數字化無模鑄造加工費用僅為有模方法的1/10左右，開發時間縮短50%～80%，制造成本降低30%～50%。采用數字化無模鑄造精密成型技術，開發快速試制件模具，周期短，成本低，達到快速試制目的。

1.2 激光三維切割

激光切割屬于先進制造技術中的激光加工技術。由于激光能量集中，切割效率高，定位準確，精度高。激光三維切割在快速試制中主要是：切割下料、修邊和切孔。

三維激光切割是利用工業機器人靈活和快速的動作性能，根據用戶切割加工工件尺寸，可對不同產品、不同軌跡進行示教編程或離線編程，驅動機器人的第六軸裝載光纖激光切割頭對不規則工件進行三維切割。激光三維切割具有以下特點[3]：

（1）切割精度高、質量好，切口寬度小，熱影響區小，切口光潔；

（2）切割速度快，加工效率高；

（3）激光加工是一種非接觸式加工，沒有機械加工力，不變形，也不存在噪音、油污、加工屑等污染問題，是一種綠色加工；

（4）材料適應性高，幾乎可以切割任何金屬和非金屬材料

針對激光切割下料，相對傳統使用沖壓模具下料即降低成本又縮短開發周期；針對激光三維修邊和切孔，不受毛坯件大小或形狀限制，可在不同位置進行修邊和切孔，充分發揮激光三維切割的多自由度和高柔性加工，并提高切割質量和生產效率，重要的是不用開模具就可實現下料、修邊和切孔，生產成本大大降低，如圖1所示。

圖1 激光三維修邊

1.3 快速可重構焊裝系統

焊裝系統的可重用性[4-5]，已經成為車身制造系統新建或重組時的瓶頸，嚴重地影響汽車車型的改型周期、車身裝配線生產率、質量和成本。針對具有幾何相似和功能相似的沖壓件，設計了一種新型汽車焊裝夾具。該夾具結構方案采用孔系基臺、套合式立柱、可重構定位板等特別設計，可以實現快速安裝和定位，降低因車型改變時帶來的夾具維護升級成本。

汽車焊裝生產線通常由焊機、夾具、傳送裝置等組成，在資源信息建模過程中，采用面向對象的方法定義焊機類、夾具類和傳送夾具類。汽車焊裝是一個復雜的多層次裝配過程，一個車體通常有300～500個柔性薄板沖壓件在約200個工位上按一定的空間位置裝焊而成?？焖倏芍貥嫼秆b系統可實現功能重構，產量重構和技術重構，達到最大限度的利用已有制造資源。

2 結論與展望

汽車產品樣件快速試制技術，在新產品開發中起著重要作用。可極大縮短開發周期，降低開發成本。隨著高新技術在快速試制中的應用，激光3D打印技術已開始應用到汽車和鑄造產業，該項技術必將得到廣泛應用和發展。

[1]大型薄壁殼體件無模鑄造技術研究，鑄造技術，劉豐，單忠德等，2013，10.

[2]中國的無模鑄造，鑄造技術，單忠德，2011，5.

[3]三維光纖激光切割機器人介紹及應用，金屬加工：熱加工，武亞鵬，侯建偉，2014，8.

[4]可重構焊裝夾具在骨架蒙皮結構駕駛室生產中的應用，汽車工藝與材料，2012，5，李麗芹等.

[5]可重構汽車車身焊接夾具的研究?，裝備制造技術，2008，2，阮冬等.

Brief Introduction on Modern Manufacturing Technology Used in Automotive Products Metal Sample Fast Trial

HUANG Hui1,DONG Hongxiu2,JI Shengwei1
（1.Yantai Talim Institute of Mechanical Technology Limited,Yantai 264607;2.East Rui Chong Electronic Technology Co.,Ltd,Yantai 264607）

In this paper,in connection with automotive products sample's rapid trial production,described a rapid prototype technology method.Considering short automotive trial product development cycle and low cost,this paper highlights the rapid digital prototype technology without casting precision molding technology,three-dimensional laser cutting and rapid re welding system configurations,providing some technical reference for automotive products metal sample fast trial.

rapid trial,without casting,three-dimensional laser cutting,fast reconfigurable welding,automotive mold