汽車主模型檢具前車燈檢測模塊的設計與制造研究??

李欽生 何 俊 劉彥春 丁響林 俞 蓓

(安徽機電職業技術學院，安微蕪湖241000)

汽車已進入千家萬戶，各品牌競爭越來越激烈，為吸引消費者眼球，各主機廠頻繁開發新車型以盡早占領市場。為縮短其開發時間和提高車身精度，常采用主模型檢具[1］。圖1所示為某主模型檢具三維圖，它不但可以檢測車身單個零件表面、周邊輪廓度和孔位置度，還可以檢測零件間的匹配情況。它主要由底座、框架和各檢測模塊等組成[2］。

模塊的檢測功能面不僅要與相應車身型面數據一致，而且還要提供相應零件的定位安裝點，所以設計時，不但要非常熟悉其結構、定位和測量方法，還要考慮其加工工藝，否則在后期裝配和加工時有可能出現各種問題而導致返工，甚至報廢。

本文以某主模型前車燈模塊為例，對其設計方法和加工工藝進行研究，總結了它的設計要點、加工策略和控制加工變形的方法，為類似產品的設計與制造提供一定參考作用。

1 前車燈模塊設計

1.1 前車燈模塊的位置與作用

圖2為前車燈模塊在主模型中的位置圖，它與機罩模塊、前保險杠模塊和翼子板模塊相連，且通過其定位安裝孔安裝在框架上，可再現前大燈安裝在車體時的狀態。它也可通過接頭與真實車燈互換，不僅能檢測車燈實物的面差、周邊輪廓度和各孔位置度，還可檢測其與相鄰零件間的間隙和光順度，同時還可看出前車燈的整體視覺效果[2］。

1.2 前車燈模塊的結構和材料

圖3為此前車燈模塊結構圖，它的檢測功能面要與客戶提供的車身前車燈表面數據一致。為減輕其重量和方便其裝拆，對它的非功能面進行掏空處理，同時增設兩個手柄以方便使用者操作。

該模塊的材料為航空鋁7050，屬Al-Zn-Mg-Cu系超硬鋁，具有較高強度和剛度、良好的斷裂韌性和疲勞強度[3］。具體性能如表1所示。

1.3 前車燈模塊精度要求

該模塊總體要求是:功能表面平整光亮，與相鄰模塊之間無色差、刀紋方向一致，不允許出現氣孔。具體要求是:該模塊線輪廓度偏差≤±0.1 mm，與相鄰模塊間的間隙偏差≤±0.1 mm，功能型面面輪廓度偏差≤±0.1 mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm，定位安裝孔位置度偏差≤±0.1 mm[2］。

表1 材料的力學性能

2 前車燈模塊加工工藝分析

2.1 加工難點及措施

(1)該模塊為鏤空結構，邊緣厚度較小，剛性很差，加工時極易產生殘余內應力導致變形[3-4］。所以在加工中要穿插合理的熱處理，以減小或消除其變形量。

(2)該模塊為鍛鋁毛坯經整體銑削而成[5］，正反面都需加工，需不斷調換裝夾位置。所以，不但設計時要考慮加工時的安裝方式，還要考慮加工基準，盡量保證基準統一，而且每次加工前都要精修基準。

(3)該模塊為鋁合金，由于鋁合金彈性模量小，密度小、屈強比大、熔點低等特點，加工時易產生切削熱和擠壓力，使刀具前刀面與切屑產生劇烈摩擦，產生積屑瘤，影響工件加工表面質量[6］。所以，加工要采用高速加工，且車間要保持恒溫，切削液采用油質切削液，將加工瞬時溫度控制在30℃以下，防止材料加工時瞬間被氧化，減小加工變形。

(4)由于該模塊為不規則形體，表面為自由曲面，多處壁的厚度較小，裝夾極易產生夾緊變形。所以要采用多個輔助支承增加加工剛性，以減小其加工變形量[2］。

2.2 結構分析

此模塊有兩個操作手柄，為了增強手柄強度和不影響其整體外觀，將手柄與本體一起進行整體加工，所以，設計時就要考慮到最后精加工的裝夾方式(即吊裝該模塊反面，加工其正面)，可將反面兩個不等高的裝配面作為加工時的吊裝平面。為了增強其加工剛性和穩定性，還需要增設兩個小吊裝平面，如圖4所示。

2.3 加工基準的選擇和加工策略安排

該模塊正反面都需加工，且極易產生加工變形。所以，要正確選擇加工基準和安排加工策略。

如圖5所示，先對其反面(即非外觀面)開粗，初始基準選擇在毛坯拐角上。為了縮小毛坯尺寸節省材料，開粗后在反面要保留一組斜立輔助圓柱形吊裝凸臺和一組正立輔助圓柱形吊裝凸臺，為了控制加工變形，粗加工分兩次開粗，第一次反面開粗后留有2.5 mm余量。斜立輔助吊裝凸臺是第二次正面開粗時吊裝使用，正立輔助吊裝凸臺是正面半精加工時吊裝使用，這樣可以減小毛坯的高度，從而節省材料成本。

反面第一次開粗后再進行正面(即外觀面)第一次開粗，這時還是以反面開粗基準為加工基準，用等高塊吊裝反面的斜立輔助凸臺加工其正面，加工后的形狀如圖6所示。為了后續加工對刀和裝夾需要，在正面保留一組正立輔助圓柱形吊裝凸臺，并鉆好吊裝孔方便后續反面加工吊裝使用，而且保留兩個正立方形基準凸臺作為后續第二次正面開粗和半精加工時加工基準。正面第一次開粗后同樣留有2.5 mm余量。

第一次開粗后對該模塊進行自然時效處理，時間大約為一周，初步消除其第一次開粗后的殘余內應力。而后進行第二次開粗，還是先銑其反面，如圖5所示，用等高塊吊裝正面輔助吊裝凸臺和基準凸臺，仍以方形基準凸臺作為對刀基準，將反面斜立輔助吊裝凸臺銑掉，只留正立輔助吊裝凸臺，反面第二次開粗后留1 mm余量；再對其正面進行第二次開粗，如圖6所示，用等高塊吊裝反面正立吊裝凸臺，還以方形基準凸臺作為對刀基準，遵循基準統一原則，第二次開粗后仍保留方形基準凸臺和圓柱形吊裝凸臺，繼續為后續半精加工提供加工基準和輔助支撐。第二次開粗后留1 mm余量。

第二次開粗后對該模塊進行人工時效處理，時間為6 h左右，進一步消除其殘余內應力。而后再進行半精加工，還是先銑反面，如圖7所示，用等高塊吊裝正面方形和圓柱凸臺，仍以基準凸臺為基準，銑掉反面的正立吊裝凸臺。為提高正面加工的剛性，再銑出四塊吊裝平面，并鉆吊裝孔，且加工完成后用百分表測出四個吊裝面之間的高度差，確保實際高度差與理論值保持一致。半精加工后的余量為0.1 mm。接下來半精銑模塊正面，用等高柱吊裝反面4個吊裝平臺，加工原點設置在正面方形基準凸柱上，加工時銑掉正面所有凸臺，分兩次加工，第一次背吃刀量為0.6 mm，第二次背吃刀量為0.3 mm，同樣預留0.2 mm余量，如圖8所示。

半精后對該模塊再次進行自然時效處理，時間為1天左右，等殘余應力完全消除后再對模塊進行三坐標測量，檢測加工余量是否均勻。在進行反面精加工時，在正面被切除的吊裝凸臺處粘上樹脂凸臺進行安裝，加工基準設在反面吊裝平臺上，注意刀路方向要與半精刀路方向相反。在精加工正面時，對反面吊裝平臺進行吊裝，為了保證功能面表面質量，注意精加工刀紋要與汽車坐標系一致。

3 前車燈模塊加工工藝流程及數控加工

3.1 工藝流程

本車燈模塊的機械加工工藝流程如表2所示。

3.2 數控加工工序設計

本車燈模塊的數控加工工序如表3所示。

4 實驗驗證

本前車燈模塊加工完后，安裝到主模型檢具上的照片如圖9所示。從圖中可以看出此模塊與鄰近模塊匹配度較好，表面無色差，經測量，外型也與客戶車身數據相符，整體外觀效果很好。將此模塊與真實車燈調換，現場照片如圖10所示，也可以看出該模塊與真實車燈間具有良好的互換性。

表2 前車燈模塊機械加工藝工藝過程簡表

表3 前車燈模塊數控加工工序簡表

5 結語

(1)模塊分兩次開粗，且中間穿插兩次時效處理，逐步釋放殘余內應力，防止開粗后產生過大變形。

(2)由于該模塊表面為自由曲面，所以設計時就要考慮設置加工基準以便加工時對刀，且做到基準統一，保證加工精度。

(3)為了保證加工穩定性、控制加工變形量和節省毛坯材料，還要考慮增設多處輔助支撐。

(4)為保證模塊的加工精度，需兩次進行三坐標測量，保證精加工前余量均勻和精加工后的精度。