白車身手動螺柱焊尺寸精度控制

熱夏提·亞力坤, 曹 楠

(上汽大眾(新疆)汽車有限公司, 烏魯木齊 830000)

汽車白車身主要采用焊接工藝連接,其中螺柱焊接作為汽車制造四大焊接工藝(點焊、熔化極氣體保護焊、螺柱焊、激光焊)中的一種,是將金屬螺柱或類似的其他固件焊接在工件上,可將車內儀表盤、線纜、內飾件等部件連接固定在車身上。目前汽車白車身上的螺柱一般采用電弧焊的方法進行焊接[1]。電弧焊接螺柱按照自動化程度又分為自動焊接及手動焊接:自動焊接具有效率高、定位準等優勢[2];手動焊接是自動焊接的補充,具有成本低、靈活性高等優勢,在節拍較慢的低成本工廠使用比較廣泛,因而也在汽車行業得到了廣泛應用。手動螺柱焊接需要焊裝夾具的輔助,生產工序多,任何一個工序導致的質量問題都會影響白車身總成的質量。

1 問題背景

在車身螺柱焊接過程中,會產生尺寸精度偏差導致的質量問題缺陷。焊接尺寸精度主要是指將螺柱等零件焊接到一起后焊接總成的尺寸精度。由于螺柱零件缺陷、焊接夾具不穩定及人為操作影響等原因,都會在一定程度上造成尺寸偏差,導致實際尺寸與理論尺寸差距較大,最終造成焊接后的螺柱與其相關聯零件出現配合不吻合、孔位不對應等問題[3]。焊接總成上螺柱焊接后的尺寸精度不僅會影響車身零件的裝配,還可能會因螺柱返工影響車身外表質量。

2 螺柱尺寸波動分析

結合上述白車身螺柱在焊接過程中出現尺寸偏差的原因[3],以新桑塔納車型的后保螺柱為例,畫出該位置螺柱手動焊接尺寸偏差魚骨圖,如圖1所示。

圖1 螺柱手動焊接尺寸偏差魚骨圖

對圖1進行人機料法環分析,最終確定產生尺寸偏差的主要原因在尺寸鏈、過程因素及設備因素三個方面[4-5]。

2.1 螺柱尺寸鏈分析

圖2中左右兩側共6顆螺柱均為手動焊接,通過查看其在車身的三坐標測量報告,取最近一年的測量數據,并研究往年的趨勢以確定手動焊接螺柱的尺寸狀態(哪一顆螺柱尺寸最不穩定?哪一顆相對穩定?哪一個方向最不穩定?哪一個方向最穩定?)。

圖2 左右后保螺柱示意圖

由圖3和圖4所示的左/右側后保螺柱測量數據可知:

圖3 左側后保螺柱尺寸趨勢

圖4 右側后保螺柱尺寸趨勢

1) 左側螺柱。X向(前后):超過理論公差的波動量為0%～8%(可接受范圍);Y向(左右):超過理論公差的波動量為6%～33%(不可接受范圍);Z向(上下):超過理論公差的波動量為14%～33%(不可接受范圍)。

2) 右側螺柱。X向(前后):超過理論公差的波動量為0%～3%(可接受范圍);Y向(左右):超過理論公差的波動量為6%～50%(不可接受范圍);Z向(上下):超過理論公差的波動量為11%～33%(不可接受范圍)。

由以上數據趨勢可知:手動焊接的左右側后保螺柱的X向(前后)尺寸最穩定,而Y向(左右)和Z向(上下)尺寸波動量較大,偏差較為明顯,這是影響后保裝配的關鍵尺寸。因為X向(前后深度)尺寸是由車身尺寸決定,由于車身尺寸波動量較小,所以對螺柱手動焊接的尺寸影響不大,而Y向(左右)和Z向(上下)尺寸波動則是由夾具定位及人員操作造成的。通過以上尺寸精度分析,確定了后續研究應放在設備定位因素及過程因素兩方面。

2.2 設備定位因素

套筒機械機構的配合度會影響螺柱尺寸的精度,該螺柱焊槍套筒在夾具導向中存在較大的晃動及偏移,因此該定位方式精度較低。而且受操作人員焊接動作影響,焊接后的螺柱尺寸波動量較大,無法滿足尺寸控制要求。

觀察焊接前螺柱在螺柱導向套內的位置,發現螺柱在夾持器內明顯不對中(如圖5所示)。盡管夾持器具有適當的夾緊力及驅動力,但其長期受焊接及出料影響,出現了明顯的松動,從而產生了不對中的問題。焊接前待焊接螺柱相對于螺柱導向套內的位置已出現明顯的不對中問題,因此,該不對中問題也極易造成焊接后螺柱尺寸出現偏差,并且此偏差不受定位夾具所控制。

(a) 不對中(b) 對中

2.3 螺柱焊接過程因素

根據螺柱預定用途和要求確定定位方法,對于精度要求較高的螺柱,一般采用特殊定位夾具或固定式螺柱焊設備,即需要焊裝夾具的定位、夾緊和支撐,焊裝夾具的作用是保證車身所要焊接的零件間的相對位置和焊接件的尺寸精度,減少焊接過程中的尺寸偏差。而對于更高精度的焊接則完全由機器人進行。

生產規劃初期,按低成本、低產量方式設計的后保螺柱焊接定位夾具和螺柱焊槍導向套如圖6和圖7所示。

圖6 螺柱定位夾具圖7 螺柱焊槍導向套

通過觀察后保螺柱的手動焊接過程及圖6、圖7可知:操作人員將焊槍套入夾具內進行焊接時(如圖8所示),明顯存在較大的晃動量,此晃動余量最大可達到2 mm,并且在上下(Z向)及左右(Y向)平面內均能進行2 mm內的焊接。此焊接過程的研究結果與尺寸分析報告一致。

圖8 螺柱焊槍在夾具內

綜上所述,首先,螺柱在導向套內存在明顯的不對中問題。其次,螺柱套筒機械機構配合精度差。以上兩個問題直接導致了螺柱焊接后偏移量較大,降低了焊接后的螺柱尺寸精度。

3 螺柱焊接尺寸精度控制對策

通過以上分析,提出保證新桑塔納白車身后保螺柱尺寸精度的基本對策和措施,主要在螺柱焊接工裝夾具的設備優化以及焊接設備的過程優化兩個方面[6]。

3.1 設備定位優化

焊裝夾具設備是指螺柱焊裝過程中使用的定位夾具,主要由臺板、支座、基準銷、基準面、氣缸、限位塊等組成[7-8]。

3.1.1 螺柱定位夾具改進前

螺柱焊接夾具原定位方式為圓柱面+止口定位,如圖9所示。其中,螺柱尺寸波動量大于10%,螺柱尺寸精度為2 mm。優點是制造簡單、易加工、成本低;缺點是尺寸定位精度低(公差帶為2 mm左右),當操作人員將螺柱焊槍推緊后,錐形定位面與夾具不配合,且止口離縫較大,極易使焊槍在焊接時出現歪斜現象,從而導致焊接后的螺柱尺寸出現較大波動。

(a) 止口定位(b) 焊槍套(c)結構圖

3.1.2 螺柱定位夾具改進方案一

改進方案一的螺柱焊接夾具定位方式為加長圓柱面+止口定位,如圖10所示。其中,螺柱尺寸波動量大于4%,螺柱尺寸精度為2 mm。優點是制造簡單、易加工、成本低,且配合度相對較好;缺點是定位精度低(公差帶為2 mm左右),當操作人員未將焊槍推緊或者配合磨損嚴重時,由于止口離縫,容易出現焊槍歪斜現象,仍然會導致焊接后的螺柱尺寸出現較大波動,如圖11所示。

(a) 止口定位(b) 焊槍套(c)結構圖

圖11 方案一焊接過程圖示

3.1.3 螺柱定位夾具改進方案二

改進方案二的螺柱焊接夾具定位方式為圓柱面+端面三抓銷,如圖12所示。其中,螺柱尺寸波動量低于4%,螺柱尺寸精度為1 mm。優點是定位后焊槍不會繞導向套軸向轉動,可防止夾持器磨損后螺柱位置波動;缺點是制造難度大,導向套對焊槍鎖緊螺母有破壞性磨損,使非易損件的配件變成了易損件,而且極易使焊槍螺母松脫,導致防飛濺罩活動,進而導致定位不準確。對該螺柱定位夾具焊接過程進行為期3天的跟蹤,其中2天都出現了鎖緊螺母松脫現象(如圖13所示),因為有些螺母是2個孔,所以三抓銷不適用于所有的鎖緊螺母。

(a) 止口定位(b) 焊槍套(c) 結構圖

(a) 止口定位(b) 鎖緊螺母損壞

3.1.4 螺柱定位夾具改進方案三

改進方案三的螺柱焊接夾具定位方式為圓柱面+錐面配合定位,如圖14和圖15所示。其中,螺柱尺寸波動量低于1%,螺柱尺寸精度為0.5 mm。優點是此螺柱夾具結構定位精度較高。錐孔配合定位本來就有自找中心的作用,加上原有的圓柱面,再使用錐面替代止口倒角定位,更容易矯正操作人員塞槍歪斜的問題。錐面加圓柱面定位實際上增大了定位面積,使定位更準確,且焊槍從錐孔大頭一側塞入,易于操作(如圖16所示);定位止口端面留有1 mm的安裝間隙,可用于檢驗定位裝置磨損量,當間隙小于0.5 mm時,可提前警示員工更換已磨損的定位套和防飛濺罩。因此,該錐面定位方式使焊槍與導向塊接合度較高,焊接后螺柱尺寸波動較小。缺點是增加了加工難度。

(a) 止口定位(b) 焊槍套(c) 結構圖

(a)螺柱導向套 (b)定位夾具

(a) 焊接過程(b) 定位結構圖示

本文最終采用了第三種改進方案,即使用圓柱面+錐面配合定位的夾具,使得白車身螺柱尺寸波動由原先1 mm減小至0.5 mm,尺寸波動量明顯減小,螺柱夾具結構定位精度顯著提升。

3.1.5 夾具導向塊定位控制

夾具導向塊因松動發生轉動時,導致型面接觸面積發生變化,極易影響焊接后的螺柱尺寸。因此,為便于觀察夾具導向是否因松動而發生轉動,需對導向塊與夾具相對位置進行標記。參考螺栓等緊固件的防松標記作業指導進行畫線標記[9]。一般要求有:

1) 使用油漆筆在導向塊及夾具相對位置處涂上標記,并保證標記干燥后不易被擦掉。

2) 統一用紅色油漆筆進行標記。

3) 如因夾具調整等需要拆卸,再次安裝時需將導向塊緊固并安裝至原先紅線相連位置。

3.2 過程優化

螺柱焊槍內的螺柱夾持器因長期受焊接及出料送料影響而出現松動,造成螺柱不對中問題。本文針對夾持器的目視以及螺柱對中度的檢查做了以下兩方面過程優化。

3.2.1 焊接易損件更換規定

針對螺柱夾持器等焊接易損件,為便于目視化,現場焊接所需的螺柱夾持器更換標準具體如下:

1) 更換條件。螺柱夾持器存在松動、斷裂、磨損、焊渣等影響螺柱質量問題時立即更換(在現場張貼如圖17所示的目視檢查圖)。

(a) 正常(b) 飛濺、焊渣(c) 松動(d) 斷裂

2) 檢查流程。每天開工前操作人員需對螺柱夾持器進行自檢,所在工段班長需每天抽查一次。

3) 更換流程。操作人員在使用或者點檢中發現螺柱夾持器等焊接易損件達到更換條件時,必須向班長匯報,班長確認后填寫領料單,領取新的夾持器和導電嘴,并及時更換。

3.2.2 設備點檢控制規定

為避免因后保螺柱焊相關設備磨損或更換等情況導致螺柱焊尺寸異常波動,造成后道裝配工序匹配度差,甚至出現無法裝配等情況,后保螺柱焊接操作人員須對夾具導向套、焊槍導向套、夾具導向孔進行每周一次目視及測量檢查。

1) 檢查工具:數顯游標卡尺及檢具(如圖18所示)。

(a) 對中度檢具(b) 檢具的使用

2) 檢查方法。①用數顯游標卡尺平行于夾具導向套軸線進行測量,然后旋轉90°再次進行測量(如圖19所示),選出2次測量的最大值作為本次測量數據;②使用對中度檢具進行檢查(如圖18所示)。

(a) 夾具測量(b) 導向套測量

3) 檢查步驟。①目視檢查:目視夾具導向套、焊

槍導向套、夾持器無飛濺附著,無毛刺和表面殘缺;②晃動檢查:晃動夾具導向套無松動,焊槍導向套無松動且未偏離畫線位置;③游標卡尺測量:用游標卡尺貼緊測量夾具導向套、焊槍導向套、夾具導向孔直徑;④記錄數據并根據磨損量標準進行報警并更換。

4) 異常情況處理。對于超過上述容許直徑的導向套,需立即通知班長進行更換,同時記錄首臺車號并安排首臺車送測量室對螺柱進行三坐標測量。

4 結束語

本文以白車身后保螺柱尺寸精度為研究對象,提出了保證白車身手動后保螺柱尺寸精度的基本對策和措施,對手動螺柱焊接過程中精度要求較高的螺柱焊接進行逐步優化,解決了手動螺柱焊接尺寸精度低的難題。