NX-XB項(xiàng)目手套箱前期工藝開(kāi)發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

范華山

(上海天馬微電子有限公司汽車事業(yè)部, 上海 200120)

0 前言

汽車的動(dòng)力性能、外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)飾質(zhì)感等方面越來(lái)越受到客戶的關(guān)注，相應(yīng)的要求也越來(lái)越高。駕乘人員在車輛使用期間直接接觸的部分就是汽車內(nèi)飾，汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)體現(xiàn)了整輛汽車的安全性、舒適性及檔次[1]。駕乘人員可以通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、觸覺(jué)和體感等感官，對(duì)汽車內(nèi)飾進(jìn)行綜合的感知評(píng)價(jià)[2]。因此，汽車內(nèi)飾的開(kāi)發(fā)，應(yīng)體現(xiàn)以人為本的理念，兼顧汽車的功能性和駕乘舒適性。

汽車儀表板大多采用搪塑發(fā)泡工藝進(jìn)行生產(chǎn)，其他內(nèi)飾件則以注塑件為主。塑料主要分為熱塑性塑料和熱固性塑料，焊接工藝只適用于熱塑性塑料。塑料的焊接分為兩類：一類是外部加熱法，通過(guò)外部加熱使塑料融化，焊接在一起，如激光焊接；另一類是通過(guò)塑料零件的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使塑料摩擦生熱，從而融化并焊接在一起，如超聲波焊接和振動(dòng)摩擦焊接[3]。汽車內(nèi)飾使用的注塑材料以聚丙烯(PP)材料和聚碳酸酯(PC)加丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料為主。目前，一些比較高檔的汽車，其內(nèi)飾件多采用包覆件和高光噴漆件。除了對(duì)汽車內(nèi)飾關(guān)注外，人們還特別關(guān)注揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)散發(fā)物質(zhì)的狀況[4]。當(dāng)前，常用的汽車內(nèi)飾零部件及其材料的VOCs分析測(cè)量方法主要采用袋式法[5]。

汽車內(nèi)飾零部件的裝配方式主要分為卡接裝配、螺釘裝配、超聲波焊接、振動(dòng)摩擦焊接和壓機(jī)壓裝等。本文主要對(duì)手套箱摩擦焊接工藝的開(kāi)發(fā)過(guò)程及后期結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行研究。

1 焊接胎模設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

汽車內(nèi)飾零部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程主要包括以下步驟：① 設(shè)計(jì)產(chǎn)品A面；② 設(shè)計(jì)產(chǎn)品B面結(jié)構(gòu)；③ 驗(yàn)證軟模；④ 設(shè)計(jì)評(píng)審；⑤ 凍結(jié)數(shù)據(jù)，輸出設(shè)計(jì)失效模式及風(fēng)險(xiǎn)分析(DFMEA)、工程物料清單(EBOM)和特殊特性清單；⑥ 根據(jù)EBOM輸出工藝物料清單(BOM)和過(guò)程流程圖；⑦ 根據(jù)過(guò)程流程圖、DFMEA、特殊特性清單，輸出過(guò)程失效模式及風(fēng)險(xiǎn)分析(PFMEA)；⑧ 根據(jù)PFMEA，輸出質(zhì)量控制計(jì)劃和防錯(cuò)清單；⑨ 根據(jù)防錯(cuò)清單、過(guò)程流程圖，輸出設(shè)備和模具清單，開(kāi)發(fā)設(shè)備模具；⑩ 根據(jù)設(shè)備情況和控制計(jì)劃，輸出作業(yè)指導(dǎo)書(shū)和日常點(diǎn)檢表；在幾次小批量試制后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝驗(yàn)證，鎖定相應(yīng)制造工藝；在小批量試制過(guò)程中，完成客戶需求及內(nèi)部試驗(yàn)驗(yàn)證；在產(chǎn)品數(shù)據(jù)和制造工藝鎖定后，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)狀況和客戶需求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝更改或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更改，并搭配部分試驗(yàn)驗(yàn)證。

汽車內(nèi)飾中的手套箱總成位于車內(nèi)儀表臺(tái)的副駕駛側(cè)下方，其主要功能是增加車內(nèi)儲(chǔ)物空間。手套箱總成打開(kāi)方式是打開(kāi)手套箱扣手，通過(guò)后端轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)打開(kāi)[6]。如圖1所示，NX-XB項(xiàng)目汽車手套箱總成由手套箱外蓋總成及手套箱內(nèi)斗總成組成，其中手套箱外蓋總成包含雜物箱開(kāi)啟把手總成、手套箱蓋板注塑本體(材料為PP)、螺釘、減振墊、開(kāi)啟蓋板彈簧等部件。手套箱內(nèi)斗總成包含了手套箱內(nèi)斗注塑本體(材料為PP)、雜物箱鎖舌A、雜物箱鎖舌B、拉桿連接件、螺釘、回位彈簧、雜物箱鎖軸套等部件。手套箱外蓋總成及手套箱內(nèi)斗總成預(yù)裝配好之后，通過(guò)振動(dòng)摩擦焊機(jī)焊接到一起。

圖1 NX-XB項(xiàng)目汽車手套箱總成

手套箱焊接胎模如圖2所示。NX-XB項(xiàng)目重新開(kāi)發(fā)了焊接胎模及振動(dòng)摩擦焊接工藝。PFMEA及控制計(jì)劃規(guī)定，手套箱內(nèi)斗總成中的回位彈簧、鎖舌A、鎖舌B不能漏裝錯(cuò)裝，因此，手套箱焊接胎模的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：① 焊接前手套箱外蓋總成通過(guò)真空吸附放置在上胎模；② 手套箱內(nèi)斗總成放置在下臺(tái)模，并具有定位功能；③ 如果上胎模沒(méi)有放置到手套箱外蓋總成，則會(huì)啟動(dòng)防錯(cuò)系統(tǒng)停止焊接；手套箱鎖舌A和手套箱鎖舌B，如果任一產(chǎn)品漏放，通過(guò)紅外進(jìn)行防錯(cuò)，系統(tǒng)停止焊接；④ 如果回位彈簧、雜物箱鎖軸套、螺釘錯(cuò)裝或者漏裝，則通過(guò)拍照防錯(cuò)，系統(tǒng)停止啟動(dòng)焊接設(shè)備；⑤ 為確保零件在振動(dòng)磨擦焊接過(guò)程中不對(duì)塑料零件造成損傷，需在不銹鋼胎模外表面澆筑一層樹(shù)脂材料。

圖2 手套箱焊接胎模

2 焊接工藝設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

手套箱振動(dòng)摩擦焊接工藝可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)包括控制模式(分為時(shí)間模式和深度模式)、振動(dòng)頻率、振幅、焊接壓力和焊接深度等。焊接后可以通過(guò)撕開(kāi)件來(lái)判斷焊接效果。此外，焊接產(chǎn)品通過(guò)檢具測(cè)量其與右護(hù)板的匹配情況，可判斷手套箱胎模各個(gè)型塊下方是否需要增減墊片。

圖3示出了兩種振動(dòng)摩擦焊接胎模墊片分布情況。如果焊接產(chǎn)品與右護(hù)板匹配度不理想，可以對(duì)其尺寸進(jìn)行微調(diào)。手套箱蓋板和內(nèi)斗的尺寸，需要通過(guò)注塑工藝進(jìn)行調(diào)整，注塑后產(chǎn)品需要通過(guò)檢具判定其尺寸是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。表1示出了手套箱振動(dòng)摩擦焊接參數(shù)，其中控制模式選擇了較為可靠的深度模式，其他參數(shù)值則是根據(jù)撕開(kāi)件的焊接效果最終鎖定。

圖3 振動(dòng)摩擦焊接胎模墊片分布

表1 手套箱振動(dòng)摩擦焊接相關(guān)參數(shù)

撕開(kāi)件的焊接筋及焊接連續(xù)性如圖4所示。手套箱內(nèi)斗上布設(shè)有焊筋，這些焊筋在振動(dòng)摩擦焊過(guò)程中融化，并與手套箱蓋板焊接在一起。通過(guò)觀察手套箱蓋板上焊接印的焊痕，可以判定焊接的連續(xù)性。

圖4 手套箱撕開(kāi)件示意圖

在小批量試制過(guò)程中，需要根據(jù)法規(guī)要求及客戶需求完成手套箱的相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括焊接性能試驗(yàn)、耐光老化性能試驗(yàn)、耐化學(xué)試劑性能試驗(yàn)、氣味試驗(yàn)、耐刮擦性能試驗(yàn)、開(kāi)啟力試驗(yàn)、關(guān)閉力試驗(yàn)和疲勞耐久性能試驗(yàn)。

為了保證手套箱焊接強(qiáng)度，需要對(duì)手套箱總成與右下護(hù)板總成進(jìn)行匹配性測(cè)量,其測(cè)量點(diǎn)如圖5所示。表2為根據(jù)測(cè)量計(jì)劃(DTS)對(duì)手套箱與周邊右護(hù)板間隙要求及實(shí)際調(diào)整后的測(cè)量結(jié)果。

表2 手套箱總成與右下護(hù)板總成匹配測(cè)量結(jié)果

圖5 手套箱總成與右下護(hù)板總成匹配測(cè)量點(diǎn)

3 振動(dòng)摩擦焊工藝驗(yàn)證

通過(guò)初步確認(rèn)手套箱焊接參數(shù)及墊片數(shù)量后，需要對(duì)目前的焊接工藝進(jìn)行工藝驗(yàn)證，如圖6所示。

圖6 焊接工藝驗(yàn)證步驟

具體工藝驗(yàn)證步驟為：① 焊接前先測(cè)量手套箱內(nèi)斗上筋位的高度；② 焊接后撕開(kāi)并分離手套箱蓋板和手套箱內(nèi)斗，測(cè)量手套箱內(nèi)斗焊后的筋位高度；③ 測(cè)量手套箱蓋板上凹陷處深度。假設(shè)實(shí)際焊接的深度為h，則其計(jì)算公式為：

h=h1-h2+h3

(1)

式中，h1為手套箱內(nèi)斗上筋位的高度，單位mm；h2為撕開(kāi)并分離后手套箱內(nèi)斗焊后的筋位高度，單位mm；h3為手套箱蓋板上凹陷處深度，單位mm。

通過(guò)測(cè)量25件產(chǎn)品，確認(rèn)實(shí)際焊接深度均滿足1.00～1.40 mm的范圍要求。表3為25件產(chǎn)品的實(shí)際焊接深度。經(jīng)過(guò)工藝驗(yàn)證，手套箱A面無(wú)明顯焊接印，通過(guò)檢具測(cè)量手套箱與右下護(hù)板總成匹配均滿足要求。

表3 25件產(chǎn)品的實(shí)際焊接深度

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在試車場(chǎng)試車時(shí)，手套箱處出現(xiàn)了異響，通過(guò)拆解零件發(fā)現(xiàn)手套箱內(nèi)斗右側(cè)安裝的手套箱限位塊脫落。通過(guò)對(duì)其脫落原因分析，發(fā)現(xiàn)由以下幾方面因素造成：① 由于手套箱限位塊是卡接在手套箱內(nèi)斗上的，在更換空調(diào)濾芯時(shí)，需要拆除限位塊。經(jīng)過(guò)反復(fù)拆裝后，限位塊對(duì)手套箱內(nèi)斗造成了一定的損傷。② 手套箱內(nèi)斗選用的材料型號(hào)為PP+EPDM-T20，該材質(zhì)較軟；而手套箱限位塊選用的材料型號(hào)為PA66+GF15，該材料含有一定的尼龍成分，材質(zhì)相對(duì)較硬，容易造成手套箱限位塊從手套箱內(nèi)斗脫落。③ 手套箱內(nèi)斗與限位塊的卡接量?jī)H為0.5 mm左右，卡接量較小，容易損壞。圖7為手套箱限位塊示意圖。圖8為手套箱內(nèi)斗損傷狀態(tài)示意圖。

圖7 手套箱限位塊

圖8 手套箱內(nèi)斗損傷

針對(duì)手套箱內(nèi)斗中手套箱限位塊脫落現(xiàn)象，可采取在手套箱內(nèi)斗上增加高度為0.45 mm,寬度為3.00 mm的旋轉(zhuǎn)型導(dǎo)向筋位。手套箱內(nèi)斗修模如圖9所示。該旋轉(zhuǎn)型導(dǎo)向筋位與手套箱限位塊有0.2 mm的干涉量，其作用為：① 安裝限位塊時(shí)，該導(dǎo)向塊起到導(dǎo)向作用，不易損傷卡節(jié)點(diǎn);② 即使卡節(jié)點(diǎn)損傷，因?qū)驂K與手套箱限位塊存在一定的干涉量，不會(huì)脫落，也不會(huì)出現(xiàn)異響。如圖10所示，通過(guò)手工樣件在手套箱內(nèi)斗上貼墊片方式，驗(yàn)證了該方案的有效性。經(jīng)溝通，確認(rèn)使用該方案對(duì)手套箱內(nèi)斗進(jìn)行修模。修模后，手套箱內(nèi)斗中手套箱限位塊脫落的問(wèn)題得到解決。

圖9 手套箱內(nèi)斗修模示意圖

圖10 手套箱內(nèi)斗修模手工樣件驗(yàn)證

5 結(jié)論

本文結(jié)合NX-XB項(xiàng)目，通過(guò)調(diào)整焊接胎模和優(yōu)化焊接參數(shù)，后期手套箱內(nèi)斗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化等措施，介紹了手套箱前期工藝開(kāi)發(fā)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程，經(jīng)過(guò)多輪的工藝驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1) 手套箱振動(dòng)摩擦焊接工藝，需在設(shè)計(jì)之初就要充分考慮該工位的焊接節(jié)拍，并根據(jù)PFMEA和控制計(jì)劃確認(rèn)該工序的防錯(cuò)清單，對(duì)照節(jié)拍、防錯(cuò)清單的要求設(shè)計(jì)焊接胎模。

(2) 根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定初始的焊接參數(shù)。焊接后需根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品的焊接連續(xù)性及與周邊零件匹配情況，調(diào)整焊接參數(shù)及胎模上墊片。焊接后產(chǎn)品必須通過(guò)檢具測(cè)量其尺寸及與其他零件的匹配是否能夠滿足設(shè)計(jì)要求及客戶需求。

(3) 經(jīng)過(guò)多次試制后，需要通過(guò)工藝驗(yàn)證方式來(lái)鎖定最終的焊接工藝。雖然可以在設(shè)備上設(shè)置焊接深度，但是產(chǎn)品的實(shí)際焊接深度必須通過(guò)測(cè)量來(lái)確認(rèn)設(shè)備的輸出情況與實(shí)際生產(chǎn)是否相符。通過(guò)工藝驗(yàn)證鎖定工藝參數(shù)，后續(xù)如果需要更改工藝參數(shù)，則必須走工藝更改流程。

(4) 注塑產(chǎn)品因?yàn)椴牧鲜湛s率、模具設(shè)計(jì)(如水路和澆口布置)、注塑工藝等方面原因，尺寸不能百分之百滿足設(shè)計(jì)要求，在實(shí)際生產(chǎn)中也會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)初期無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題。當(dāng)實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)生尺寸變更或者客戶投訴時(shí)，應(yīng)該找準(zhǔn)問(wèn)題產(chǎn)生的根本原因，針對(duì)原因提出解決措施，并兼顧對(duì)產(chǎn)品其它尺寸及功能的影響，同時(shí)也需考慮方案執(zhí)行的難易度和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)施修模前，應(yīng)通過(guò)手工樣件小批量生產(chǎn)來(lái)驗(yàn)證措施是否有效，然后再實(shí)施修模方案。