汽車輪罩焊裝尺寸設(shè)計研究

王虎,胡玉婷,李雄志,楊宇,龍曲波

(東風(武漢)實業(yè)有限公司，湖北武漢 430000)

0 引言

汽車白車身是由數(shù)百個沖壓件通過數(shù)千次裝配和焊接組合而成，在白車身項目前期開發(fā)過程中，對其定義公差與尺寸是極其關(guān)鍵的一項工作內(nèi)容，白車身中如果各個總成的尺寸偏差過大，將會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、風阻及噪聲增大和漏水等方面的問題。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，在裝車時很容易引起操作工及質(zhì)量部門的抱怨，特別是其法蘭邊的平面度問題，如果不能及時解決，對側(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、輪罩加強板、后懸掛支架、后懸掛支架加強板、燃油管支架5個零件組成，這些單件的材料、板厚不盡相同，在相互搭接配合時也相互影響，其中最大的也是最重要的一個件就是輪罩外板。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1 mm，特別是后懸掛支架達到2.2 mm，此件在總成焊接過程中將對輪罩外板起到拉伸作用，對總成尺寸影響極大。

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。對于這些搭接件，輪罩的尺寸對其影響極為關(guān)鍵，針對不同的總成搭接區(qū)域，對應(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際搭接環(huán)境件。

圖2 輪罩總成裝配環(huán)境圖

2 基準選擇

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)時按生產(chǎn)要求在工裝中能保持同一位置(其中忽略因為工裝定位誤差帶來的影響)。任何一個零件在未定位前，都可以看作空間直角坐標系中可以自由活動的物體，它可以沿X、Y、Z3個坐標軸平行的方向任意活動，即擁有沿3個坐標軸移動的自由度Tx，Ty，Tz(T代表平移)；同時，零件沿X、Y、Z3個坐標軸旋轉(zhuǎn)方向的位置也是可以任意活動的，即具有繞3個坐標軸旋轉(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個坐標系的平移和旋轉(zhuǎn)6個自由度，如圖3所示。

圖3 零件6個自由度

為了限制零件的自由度，在工裝中通常用一個支撐壓緊來限制零件一個自由度，通過用合理擺放的6個支撐壓緊來限制零件的6個自由度，就可以使零件的位置完全固定下來，通過6個點定位來固定零件，每個點限制一個自由度，即“六點定位法”。

2.2 基準選擇應(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；零件上被選作基準的面應(yīng)該要最小化裝配偏差；零件的基準面或孔應(yīng)該能夠反應(yīng)實際零件裝配過程中的某些特征關(guān)系。

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

(3)基準一致性。零件的基準一旦確定下來，就必須要保證其在制造、生產(chǎn)、檢測、裝配過程中的一致性。零件的模具基準、夾具基準、檢具基準必須保持一致。

2.3 基準一致性

基準選擇上要求滿足CDLS(Common Datum Locating Strategy)基準一致性定位策略標準，CDLS是一種開發(fā)車身制造綜合性尺寸的控制策略，它集成了設(shè)計與制造的所有關(guān)鍵控制因素，基準的一致性主要是指零件制造、加工、檢測過程的模、夾、檢具的主定位基準的一致性。基準一致性優(yōu)勢包括：

(1)減少了基準在變換過程中產(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)計加工，有助于工藝過程的制定；

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

(4)有利于對零件進行直觀的質(zhì)量缺陷判斷，提高質(zhì)量管理水平。

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

對于輪罩總成，在基準選擇中，采用了最基本的兩個夾一面的定位，即一個圓孔控制兩個方向自由度，一個長圓孔控制一個方向自由度，一個平面控制3個方向自由度。

理論上通過6點定位法，用6個定位點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，在實際焊接過程中并不能把輪罩總成完全看成為剛性體，僅通過6個點定位不能完全將輪罩總成固定在工裝上，還需要增加幾個輔助定位點，如圖4所示。對于檢具的設(shè)計，要保證檢具定位基準與裝配定位基準一致，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和三坐標采集數(shù)據(jù)的真實性，同時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，選擇的這些定位點所在的裝配面在冷沖過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，對于輪罩本體的沖壓調(diào)試，這些定位點所在的面將不會很平，尺寸精度也較差。在調(diào)試前期必須要確認該輪罩的裝配定位模夾檢基準的一致性，否則會導(dǎo)致零件在不同工裝上的檢測結(jié)果相差甚遠。

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

對于組成輪罩的這些沖壓件，其沖壓過程均非一次拉深成形，都是經(jīng)過沖壓、彎曲、拉延、 翻邊、整形等多個不同工藝流程。再加上輪罩本體較薄，零件在經(jīng)過沖壓后會產(chǎn)生應(yīng)力變形，在應(yīng)力釋放過程中會導(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輸過程很容易引起變形，由于變形量較小，無法通過肉眼來識別，就算通過返修也無法達到零件之前的狀態(tài)。所以零件尺寸的偏差在所難免，對于沖壓件的尺寸監(jiān)控，必須要利用三坐標使用規(guī)定的參考系進行檢測，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程中能準確定位及維持穩(wěn)定的載體，夾具設(shè)計制造是否合理的標準應(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、焊接機器人施焊順序、焊點位置這些與工藝參數(shù)有關(guān)的工藝對于總成焊接和零件的尺寸精度都有很大的影響，還有在焊接過程中不同操作工和不同的操作習(xí)慣都會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現(xiàn)機器人全自動化焊接，對于人員操作過程偏差，必須要實現(xiàn)操作過程標準化，制定標準操作指導(dǎo)書，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，對車身的Y向開度有很大的影響。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)計時均為向車內(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。如果前部外張過多會頂?shù)胶髢?nèi)縱梁總成，導(dǎo)致整個門檻梁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影響焊接，導(dǎo)致焊點咬邊，修邊線過長則會夾具有干涉。

圖7 輪罩總成背部孔位

4 焊接對尺寸的影響

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。無論是裝配順序還是施焊順序都對車身裝焊工藝有著一定的影響。對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。但對于輪罩總成的施焊順序，需采用中間向兩端對稱焊和對稱剛性點固的順序，在第一序先輪罩外板與輪罩加強板焊接，然后再焊后懸掛支架加強板；在第二序焊接后懸掛支架和補焊其他的點位[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，但在焊接過程中仍舊會有焊接變形的出現(xiàn)。根據(jù)對輪罩總成焊接過程的跟蹤，發(fā)現(xiàn)在每次總成二序補焊工位上焊接時，輪罩的X向總會有一定程度的外張現(xiàn)象，這是由于輪罩外板與加強板和后懸掛支架加強板未能完全貼合的原因。輪罩加強板和后懸掛支架加強板的厚度是輪罩外板厚度的兩倍多，且輪罩加強板和后懸掛支架加強板均在輪罩外板中部，焊接過程中輪罩外板會被這兩個件拉動往外靠，使得輪罩外板的中部向上移動，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輔助的支撐壓緊，對于輪罩總成焊接的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的尺寸超差[6-7]。

5 問題經(jīng)驗總結(jié)

對于輪罩類總成的焊接調(diào)試部分，根據(jù)其項目階段出現(xiàn)的各種問題，進行分析驗證，總結(jié)了一套焊接總成尺寸缺陷分析流程圖(圖9)來進行尺寸分析。

圖9 焊接總成尺寸缺陷分析流程

6 結(jié)束語

介紹了汽車輪罩總成的尺寸開發(fā)及控制過程，主要通過分析總成的單件結(jié)構(gòu)構(gòu)成、裝配環(huán)境、基準選擇、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)合項目階段生產(chǎn)中的出現(xiàn)的問題點及裝車缺陷進行分析驗證并總結(jié)了一套對焊接總成尺寸缺陷分析流程圖，為后續(xù)輪罩類總成的項目開發(fā)提供了相應(yīng)的參考及經(jīng)驗。