基于TcAE系統(tǒng)的車身覆蓋件柔性料架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

魯開菊， 宋麗麗， 韋榮發(fā)

（上汽通用五菱汽車股份有限公司， 廣西 柳州 545007）

0 引 言

車身關(guān)鍵自制件包含側(cè)圍外板、翼子板、頂蓋、前后蓋內(nèi)外板、門內(nèi)外板等零件，這些零件通過(guò)壓力機(jī)沖壓成形，又叫關(guān)鍵沖壓件。沖壓件料架又稱為沖壓件工位器具、料框等，主要是指沖壓車間和車身車間生產(chǎn)過(guò)程中用于盛裝或（和）運(yùn)送沖壓零件的輔助性用具。不同的車身覆蓋件單個(gè)料架的裝框量相對(duì)固定，因此料架數(shù)量與車型的庫(kù)存規(guī)劃量直接相關(guān)，按照每個(gè)零件600件的庫(kù)存量估算，單個(gè)車型的料架數(shù)量約500個(gè)，成本約120萬(wàn)元。

傳統(tǒng)的料架一般都是專框?qū)Ｓ茫ㄒ环N料架對(duì)應(yīng)一種零件），無(wú)法柔性共用，規(guī)格不一樣、轉(zhuǎn)運(yùn)方式不統(tǒng)一、改造費(fèi)用較高[1]。目前，汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激勵(lì)，車型的平均壽命縮短到3年左右，車型停產(chǎn)之后，只有少數(shù)料架通過(guò)簡(jiǎn)單的改造后可以共用。大部分料架因?yàn)楦脑斐杀荆ㄎ锪骷案闹瞥杀荆┹^高不能回收利用，占用大量空間，最后進(jìn)行報(bào)廢處理，造成巨大的成本浪費(fèi)[2,3]。

目前行業(yè)內(nèi)對(duì)單個(gè)自制件柔性料架開發(fā)研究較多，也產(chǎn)生了許多專利[4,5]，但是對(duì)整車關(guān)鍵沖壓件柔性料架開發(fā)系統(tǒng)性研究的文獻(xiàn)較少。國(guó)旭華等[6]認(rèn)為精益工位器具開發(fā)必須滿足合理配置、經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸、便利搬運(yùn)三大原則。呂松等[7]認(rèn)為工位器具設(shè)計(jì)必須考慮質(zhì)量、安全、成本以及標(biāo)準(zhǔn)化等方面的要求。徐躍宏[8]建議利用數(shù)字化軟件進(jìn)行工位器具標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，有效提高器具柔性化程度，通過(guò)平臺(tái)化來(lái)降低工位器具的開發(fā)成本。

以下利用企業(yè)自主研發(fā)的PDM—TcAE系統(tǒng)分析了多個(gè)車型關(guān)鍵零件尺寸規(guī)格及裝框特征。在傳統(tǒng)工位器具設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，開展車身覆蓋件柔性料架設(shè)計(jì)開發(fā)研究，建立關(guān)鍵沖壓件柔性料架庫(kù)，并集成到TcAE系統(tǒng)中指導(dǎo)新項(xiàng)目關(guān)鍵沖壓件工位器具設(shè)計(jì)。

1 柔性料架設(shè)計(jì)原則

沖壓件料架基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由料架本體部分（框架、底座、轉(zhuǎn)臺(tái)等）、定位夾緊部分（懸掛桿、壓桿、支撐桿、定位塊、卡緊裝置等）和其它部分（活動(dòng)輪、固定輪、拖掛鉤、地剎器、叉車槽、信息看板等）構(gòu)成。本體部分是料架的骨架和基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須滿足裝框總質(zhì)量的要求；定位夾緊部分是零件在料框中的固定限位控制點(diǎn)，每種覆蓋件有不同的固定限位點(diǎn)；其它部分是料架的輔助部件，大部分主機(jī)廠都盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件。零件的尺寸決定了料架本體的尺寸，零件在料架中的定位夾緊部分模塊化是實(shí)現(xiàn)料架柔性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此柔性料架設(shè)計(jì)必須滿足系列化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化3個(gè)原則。

圖1 沖壓件料架基本結(jié)構(gòu)

1.1 系列化

沖壓車間17個(gè)自制件料架按零件裝框方式優(yōu)化為懸掛式、擺放式、抽拉式和堆垛式4個(gè)系列，清單如表1所示。從表1可以看出，大部分零件可以通過(guò)懸掛式系列料架完成裝框，這是由于車身零件特性決定，懸掛的兩點(diǎn)位置在車門玻璃區(qū)域或門蓋內(nèi)板的大孔區(qū)域，需要兩側(cè)限位。其次是擺放式料架，由于零件特征無(wú)法懸掛只能通過(guò)兩點(diǎn)支撐固定，同時(shí)需要兩側(cè)限位。抽拉式料架是半截門外板專用，堆垛式料架是頂蓋專用。所有的料架必須要求外板單件隔離，防止在運(yùn)輸過(guò)程中劃傷零件外表面，所有的內(nèi)板根據(jù)物流和裝框數(shù)量設(shè)定間隔數(shù)量。綜上分析，沖壓件料架柔性的關(guān)鍵點(diǎn)是懸掛、限位等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)柔性可調(diào)整，而這些結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)是柔性調(diào)整的前提。

表1 關(guān)鍵沖壓件料架系列化清單

1.2 模塊化

料架上的柔性部件按分類標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)制作，可以縮短料架的制造周期和降低制造成本。建立通用標(biāo)準(zhǔn)料架支撐限位模塊化結(jié)構(gòu)，按照零件最優(yōu)位置布置。模塊化結(jié)構(gòu)采用柔性設(shè)計(jì)，可調(diào)、可更換，后期改造費(fèi)用少。

（1）通用懸掛桿和支撐桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2所示。懸掛桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)主要由雙立桿、上下調(diào)整塊和左右調(diào)整塊構(gòu)成，左右調(diào)整塊卡在料架框架主桿上，通過(guò)左右調(diào)整塊實(shí)現(xiàn)懸掛桿左右調(diào)整。上下調(diào)整塊采用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（前后5 mm厚的鋼板，4個(gè)φ14 mm螺釘固定）在雙立桿中實(shí)現(xiàn)懸掛桿上下調(diào)節(jié)。圖2（b）所示為通用支撐桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，通用支撐桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)一般包含內(nèi)部左右調(diào)整塊和框架左右調(diào)整塊，調(diào)整塊全部設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。2個(gè)內(nèi)部左右調(diào)整塊或2個(gè)框架左右調(diào)整塊組合實(shí)現(xiàn)支撐桿左右調(diào)節(jié)。懸掛橫桿和支撐橫桿在滿足外板單件隔離時(shí)需要增加間隔聚氨酯，對(duì)內(nèi)板零件需要增加限位塊。

圖2 通用懸掛桿與支撐桿柔性設(shè)計(jì)

（2）通用限位桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范如下：通用側(cè)限位桿包含外板限位桿和內(nèi)板限位桿，兩者都是通過(guò)上下調(diào)整塊實(shí)現(xiàn)限位桿上下調(diào)節(jié)。外板限位桿上增加間隔板，間隔板接觸零件外表面的位置需要增加聚氨酯橡膠防止刮傷零件。內(nèi)板限位桿根據(jù)間隔零件數(shù)量設(shè)置間隔板，還可以通過(guò)間隔板調(diào)整塊實(shí)現(xiàn)內(nèi)板間隔數(shù)量的調(diào)整，如圖3所示。

圖3 通用限位桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

1.3 標(biāo)準(zhǔn)化

部件模塊化后能標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)盡可能標(biāo)準(zhǔn)化。

（1）料架框架采用方形管，主受力管壁厚3 mm，輔助受力管壁厚2 mm，工作受力單板厚度5 mm。料架框架主受力方管斷面尺寸規(guī)格為50 mm×50 mm，受力雙桿尺寸為40 mm×40 mm，其它結(jié)構(gòu)管按照設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇。

（2）受力懸掛撐桿設(shè)計(jì)成方管或圓管結(jié)構(gòu)，尺寸規(guī)格為方管斷面50 mm×50 mm，圓管斷面φ50 mm，外板支撐桿管壁厚3 mm，內(nèi)板支撐桿管壁厚5 mm。

（3）所有的輔助配件如翻爪、聚氨酯橡膠、活動(dòng)輪、固定輪、拖掛鉤、地剎器、叉車槽等均標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)底板結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含標(biāo)準(zhǔn)接油盤、踩踏加強(qiáng)桿和標(biāo)準(zhǔn)叉車導(dǎo)向槽，導(dǎo)向槽標(biāo)準(zhǔn)尺寸為200 mm×80 mm，槽間距統(tǒng)一設(shè)為850 mm。這樣設(shè)計(jì)后可以縮短料架設(shè)計(jì)制造周期、降低開發(fā)成本，同時(shí)便于車間物流叉車作業(yè)。

圖4 通用料架底板結(jié)構(gòu)

2 4種柔性料架設(shè)計(jì)規(guī)范

沖壓件的料架部件模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化后，4個(gè)系列料架的柔性化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下。

2.1 懸掛式料架

懸掛式料架根據(jù)零件的不同可分為通用懸掛式料架和側(cè)圍懸掛式料架，差異主要在于側(cè)圍式懸掛料架增加了下支撐桿。

（1）側(cè)圍懸掛式柔性料架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。側(cè)圍懸掛式柔性料架結(jié)構(gòu)如圖5所示，適用于兩廂車、三廂車、SUV、MPV、單排以及雙排側(cè)圍外板零件裝框。柔性單元包括懸掛桿、支撐桿和側(cè)限位桿，其中懸掛桿上下左右范圍≥600 mm，支撐桿左右調(diào)整范圍≥300 mm，側(cè)限位桿上下調(diào)整范圍≥300 mm。輪罩位置不承受零件質(zhì)量，只用于隔離零件前后位置，避免運(yùn)輸過(guò)程中碰傷零件。

圖5 側(cè)圍懸掛式柔性料架結(jié)構(gòu)

（2）通用懸掛式柔性料架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。通用懸掛式柔性料架結(jié)構(gòu)如圖6所示，適用于全框側(cè)門外板、全框側(cè)門內(nèi)板、半截門內(nèi)板、尾門內(nèi)外板、發(fā)罩內(nèi)板等零件。柔性單元包括懸掛桿和側(cè)限位桿，其中懸掛桿上下左右范圍≥600 mm，側(cè)限位桿上下調(diào)整范圍≥300 mm，根據(jù)內(nèi)外板選擇相應(yīng)的側(cè)限位桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。懸掛桿橫梁鋼材厚度內(nèi)板需≥5 mm，鋼材單根需滿足橫向承重300 kg。

圖6 通用懸掛式柔性料架結(jié)構(gòu)

2.2 擺放式料架

擺放式料架根據(jù)零件不同可分為通用擺放式料架和翼子板擺放式料架，差異點(diǎn)主要在翼子板支撐限位結(jié)構(gòu)不同。

（1）通用擺放式料架。通用擺放式料架如圖7所示，適用于發(fā)罩外板、發(fā)罩內(nèi)板、半截尾門外板等零件。柔性單元包括支撐桿和側(cè)限位桿，其中支撐桿左右調(diào)整范圍和側(cè)限位桿上下調(diào)整范圍≥300 mm。根據(jù)內(nèi)外板選擇相應(yīng)的側(cè)限位桿柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，發(fā)罩外板卡銷不得直接接觸零件A面（外觀面），但可以接觸零件背面及翻邊位置。

圖7 通用擺放式料架

（2）翼子板擺放式料架。翼子板擺放式料架如圖8所示，主要適用于翼子板裝框，根據(jù)翼子板輪轂處特征設(shè)計(jì)2個(gè)支撐桿（Ⅰ、Ⅱ），發(fā)動(dòng)機(jī)罩搭接處的限位桿和壓桿實(shí)現(xiàn)翼子板的固定。柔性單元包括支撐桿、限位桿和壓桿，其中支撐桿前后調(diào)節(jié)范圍≥300 mm，限位桿上下左右調(diào)節(jié)范圍≥300 mm，壓桿實(shí)現(xiàn)2級(jí)調(diào)節(jié)。

圖8 翼子板擺放式料架

2.3 抽拉式料架

抽拉式柔性料架如圖9所示，主要適用于半截側(cè)門外板裝框。柔性單元為上限位桿，上限位桿可以上下調(diào)整范圍≥300 mm，基本可以覆蓋所有半截門外板裝框。

圖9 抽拉式柔性料架

2.4 堆垛式料架

堆垛式柔性料架如圖10所示，適用于頂蓋、小天窗頂蓋，能實(shí)現(xiàn)單裝頂蓋或雙裝頂蓋（微型車頂蓋、單排車頂蓋）存放，可以根據(jù)車型情況是否選擇雙裝頂蓋中部支撐限位結(jié)構(gòu)，同時(shí)側(cè)卡板可以選擇鋼制側(cè)卡板和聚氨酯側(cè)卡板。柔性單元包括前部支撐桿、尾部支撐桿和前后限位桿，其中前部和尾部支撐桿左右調(diào)整范圍≥50 mm，尾部支撐桿前后調(diào)整范圍≥400 mm，前后限位桿實(shí)現(xiàn)3級(jí)調(diào)節(jié)。零件邊緣與卡銷立柱邊緣的距離控制在5 mm以內(nèi)，頂蓋零件側(cè)面有翻邊結(jié)構(gòu)，料架承托卡銷需要布置在零件前后側(cè)，避免零件變形。

圖10 堆垛式柔性料架

3 柔性料架尺寸系列化及系統(tǒng)管理

研發(fā)的PDM—TcAE系統(tǒng)是在商業(yè)版TcAE系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)和改造，將汽車行業(yè)先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念變成具體的結(jié)構(gòu)化、流程化的模塊放進(jìn)TcAE系統(tǒng)，快速高效地進(jìn)行車型設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理。將前面設(shè)計(jì)的柔性料架系列集成到此系統(tǒng)中管理，通過(guò)此系統(tǒng)可以方便調(diào)取不同車型的零件進(jìn)行裝框校核，如圖11所示。

圖11 TcAE柔性料架數(shù)據(jù)集和零件校核

通過(guò)零件校核可以獲得全部車型零件的尺寸數(shù)據(jù)和分布，經(jīng)分析和比對(duì)，可以設(shè)定柔性料架的尺寸系列化規(guī)格，如表2所示。經(jīng)過(guò)評(píng)估，12種系列化尺寸規(guī)格的柔性料架可以覆蓋97%以上的覆蓋件。從表2可以看到，通用懸掛式的料架規(guī)格最多，主要是它裝框的零件種類最多，而翼子板擺放式料架和半截門外板抽拉式料架只設(shè)定一種尺寸規(guī)格，因?yàn)檫@2個(gè)零件的裝框特征基本不變，料框部件的柔性調(diào)整范圍可以滿足不同車型零件的尺寸。系列中高度為1 600 mm的料架最多，這是為了滿足沖壓車間4層堆垛和叉車操作高度的要求。

表2 關(guān)鍵沖壓件料架尺寸清單 mm

4 產(chǎn)生效益

柔性化料架全面推廣應(yīng)用后，各生產(chǎn)基地取得了較好的效益。

（1）柔性化水平高。成功實(shí)現(xiàn)四大基地取消工位器具報(bào)廢的目標(biāo)，料架90%以上可通過(guò)平臺(tái)化實(shí)現(xiàn)共用，剩余10%通過(guò)改造后實(shí)現(xiàn)共用。

（2）制造周期短。傳統(tǒng)專用料架在車型退市后，由于存在改造困難、改造費(fèi)用高等問(wèn)題，需重新制造新車型零件料架，設(shè)計(jì)、制造周期為3~4周。優(yōu)化調(diào)整并模塊化料架內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)、可更換等功能，在后續(xù)新車型改造時(shí)僅需1~2天即可完成。

（3）開發(fā)、改造費(fèi)用少。通過(guò)柔性化共用相同裝框減少了項(xiàng)目新開發(fā)料架數(shù)量30%，且逐漸降低，節(jié)省了料架開發(fā)費(fèi)用。當(dāng)舊車型退市后，料架可通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)或更換少量?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)共用，節(jié)省料架改造費(fèi)用。

（4）料架強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)。傳統(tǒng)料架專件專用，整個(gè)項(xiàng)目車型包含的料架數(shù)量多，在項(xiàng)目預(yù)算的限制下，通常需要在滿足料架使用強(qiáng)度的條件下降低制造成本。柔性料架設(shè)計(jì)考慮料架強(qiáng)度裕度，滿足長(zhǎng)壽命的使用要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

依托企業(yè)自主研發(fā)的TcAE數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，對(duì)車型覆蓋件進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，獲得了零件裝框關(guān)鍵特征和尺寸系列分布。對(duì)自制沖壓件料架進(jìn)行系列化、部件柔性化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自制沖壓件柔性平臺(tái)開發(fā)。該研究成果推廣后，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，新項(xiàng)目關(guān)鍵沖壓件工位器具投資成本降低80%以上，每個(gè)項(xiàng)目平均節(jié)約廠房面積300 m2。為企業(yè)制造平臺(tái)化項(xiàng)目開展提供了成功的案列，可向企業(yè)內(nèi)車身物流以及企業(yè)外供應(yīng)商推廣。