汽車軟工裝試制及夾具的開發

李達

（上汽通用五菱股份有限公司，廣西柳州545000）

0 引言

汽車開發設計是個系統性的工程。汽車開發主要分為項目方案策劃階段、概念設計階段、技術設計階段、樣件樣車生產和試驗階段、設計改進和量產階段等階段，其中樣件樣車的試制生產階段是極其重要的一個階段。汽車樣車試制是由設計部門提供相關的圖樣、數模和產品描述，將設計通過試制方現有的設備生產出來，從而得到樣件、樣車。它把設計開發概念變成了具有使用價值的實際產品，是汽車新車型由設計到量產過程中必不可少的一個環節，占據著重要地位。

焊接是汽車的四大工藝之一，在汽車行業競爭日益激烈的今天，軟工裝樣件的快速焊接制造成為行業面臨的共同問題。

1 汽車快速試制的發展趨勢

目前的樣件樣車試制行業逐步向專業化、體系化的高質量、低成本、短周期靠攏。

1）專業化。經過近幾年的發展，樣車試制行業已經逐步脫離產品設計鏈，成為獨立的子產業。圍繞樣車試制，上下游產業鏈已經慢慢形成，各專業試制公司自身具備豐富的開發經驗，有較強的研發能力，對于試制工裝完全可以自給自足地完成，并且擁有大型的加工設備，都不同程度地擁有一批核心的加工供應商，整個產業密切合作，實現快速制造。目前的樣車試制開發周期已經從5～6個月縮短為2～3個月，某種程度上也抬高了樣車試制行業的門檻。

與此同時，樣車試制也從傳統的碳鋼車身逐步向多元材料車身發展，輕量化材料（如鋁合金、高強鋼、復合材料等）越來越多地被運用到汽車車身中。這些對于汽車的試制也帶來了更多的挑戰。

2）體系化。TS16949/IATF16949質量管理體系在國內的整車廠、零部件配套廠已推廣多年，形成了穩定的、完善的開發與質量管控體系，保障了整個立項、開發、采購、制造、質量、供貨等環節的有序運轉。

試制工作雖然定義為研發階段的工作，離產品的量產與穩定供貨仍然有一定的周期，且TS16949/IATF16949對樣件樣車階段的工作規定極少，但現在的專業試制公司都有過汽車行業研發或者量產經驗，對于TS16949/IATF16949體系了然于胸，將樣車試制作為一個小型的項目開發，相關的流程與質量思維仍然適用。

因此，我國汽車樣件樣車的試制產業從第一批“吃螃蟹”的企業（即設備相對簡陋，制造工藝較簡單，家庭作坊式但又能夠依靠熟悉汽車車身設計開發、鈑金改善能力強的技工隊伍支撐，為國內的整車企業提供最初的樣件樣車試制服務）起步，截至目前已經完成了職業化、專業化、規模化的蛻變。

2 汽車快速焊接制造

軟工裝制造總的流程大致如圖1所示，焊接是其中重要的一個步驟。

2.1 軟工裝焊接線布局

焊接線隨著汽車的發展，由前期車身全為純手工打造，到逐漸出現工裝夾持車身進行裝配焊接，均為固定式、單工位，沒有量產的概念，而且線上自動化的設備也幾乎沒有，基本上純靠工人的技巧來保證焊接車身的質量。

圖1 軟工裝試制流程

目前的軟工裝焊接線主要有作坊式和流水線式。作坊式的試制生產線源自于早期的、不規范的汽車試制，且多以小型企業為主。與此對應的是流水線式的試制線，主要源自汽車量產線的經驗布置，更加規范、更加正規，但存在柔性化程度一般的缺陷。目前大多公司作坊式的試制生產線已經淘汰，均采用流水線式的試制線，流水線式試制線由許多工位組成，每個工位進行相同的工作內容，以完成批量生產。

早期的流水線式試制線僅以單個工位工裝夾持，每個工位都需要人工進行焊接，自動化程度很低，對操作人員的要求比較高，當車型進行更換后，還需要對生產線進行更改，如圖2所示。

近年來，科學技術的飛速發展，使得機器人技術、自動化水平有了快速的提升，焊接線柔性化的概念開始興起，并且在汽車制造業競爭日益劇烈、車型更新換代較快的推動下，許多汽車公司都在探索著焊接線柔性化的方向，即利用同一條汽車生產線，可以對多級別、多種車型進行焊接試制，很大程度上減少了汽車公司更換車型時更改建設生產線的成本費用，實現“短周期”的試制制造，提高競爭力。因此在軟工裝焊接的過程中，很多公司都借鑒了柔性化的概念，如圖3所示。

軟工裝試制要求的節拍不高，遠低于量產制造，柔性化焊接線的布局顯得緊湊，且成本較低。柔性化焊接線的特點主要為縮短更新開發周期，節省場地，降低成本。柔性化焊接線的使用可以節省設計、建設、調試某一車型專用焊接線的時間，適用多個整車廠的多個車型，大大減少了生產線設計、建設的時間和成本。

圖2 流水線式焊接線

圖3 柔性化焊接線

2.2 快速制造夾具的開發

原先各大汽車主機廠針對每一款新車多借用量產開發思維，都要開發軟工裝夾具，并且多是采用一次性設計，延續性和兼容性很差。一款車型使用完只能報廢，不能沿用其他車型。這種重復設計和制造，大大增加了設計成本和開發成本，而且還嚴重影響了整個開發周期，拖慢開發進度。專用焊接試制夾具如圖4所示。

圖4 專用焊接試制夾具

目前，汽車試制行業意識到量產思維的制造方式不適用于試制項目，已經開始對夾具進行柔性化設計與制造，逐步運用在量產汽車零部件及總成、試制汽車零部件及總成中，組合夾具可體現出柔性化的思維。

組合夾具的核心思想是，基于夾具標準化和模塊化，采用一整套根據經驗在開發前已經制造好的標準夾具零部件[1]，面向各類產品零部件，根據需求裝配而成各類專用夾具，夾具使用完畢后，再拆散成元件和組件。尺寸具有完全互換性及可重復使用，是這類夾具的共同特征之一。組合夾具是一套預先制造好的、具有不同規格、不同形狀、不同尺寸，具有完全互換功能的標準元件系統，是由可重復使用的夾具標準零部件和專用零部件之間互相搭配組合而成的[2]，如圖5所示。

汽車試制組合夾具有較高的幾何尺寸精度、較高的硬度和耐磨性，元件的平均使用壽命在10 a以上。組裝時，夾具結構能滿足各種異型零件的加工要求。使用后，可拆卸、清洗、入庫，以備組裝新的夾具。

快速試制夾具便于組裝拆卸，能夠適用于較多的零部件，具有良好經濟效益，符合現代生產的環境保護要求，其特點主要為以下幾個方面：

圖5 柔性化快速試制夾具

1）縮短生產準備周期，降低成本。組合夾具將各種夾具元件靈活地組合起來，節省了大量的設計、制造、調試時間，產品產出效率得到了較大的提高。對于那些新車型開發、試制項目較多的汽車工廠，若是通過傳統的方法，制造多個車型所對應的專用工裝，這樣不僅成本較高，接近甚至超過制造一套柔性組合工裝，而且新車型的專用工裝在項目完成之后，使用程度將會大大減少甚至閑置不用，造成了資源的極大浪費。而組合的柔性化試制夾具就很好地克服了這一缺點，可以重復使用，一方面能節省夾具制造的時間和費用，另一方面又能減少夾具庫存量和倉儲保管費用，大大降低了生產成本。

2）提高生產率。采用組合夾具完成工藝過程，可大幅度降低組裝時間，減少了生產準備時間，大大提高了生產效率。

3 國內軟工裝試制供應商

我國汽車樣車制作產業，伴隨著我國汽車市場推出新車型和改進車型增多，自主品牌的市場表現越來越強勢，根據產業體系中社會分工的需要[3-5]，樣車試制越來越多地分包出給專業的制作公司，以便汽車設計公司和整車企業把更多精力投入到產品設計當中。

汽車行業中領先的樣車試制企業有廣西艾盛創制科技有限公司、上海菲格瑞特汽車科技股份有限公司、中源汽車零部件（大連）股份有限公司等，上述企業的共同點是試制與研發結合密切。自主創新是未來中國汽車企業必須走的一條道路，中長期發展如果沒有自主創新，后續的企業發展將面臨很大的問題。研發創新的支持才能使得試制行業內的佼佼者能夠脫穎而出。

4 結語

我國是汽車生產和銷售的大國，但是距離汽車技術強國仍然任重道遠。現在從國家到汽車企業都十分關注自主創新能力，原有的“以市場換技術”的觀念也都已經發生了轉變，開始了自主創新之路。對于產業升級，應保持對行業的研發投入，對于研發與試制過程進行持續改善，以提升我國汽車車身試制的整體核心競爭力。在目前的基礎上，我國汽車樣車試制已積累了許多基礎，后續需要提升試制的效率，縮短試制的周期，即繼續深化“短周期、低成本、高質量”的試制開發過程，是后續研究重點。