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        3D打印技術(shù)在樣車試制車身焊接模板中的應(yīng)用

        2019-02-04 03:35:40周秀梅高志剛張灝辰
        時(shí)代汽車 2019年24期
        關(guān)鍵詞:樣車鈑金焊點(diǎn)

        周秀梅 高志剛 張灝辰

        上汽通用汽車有限公司 上海市 201201

        1 引言

        電阻點(diǎn)焊技術(shù)以其高效率、低成本、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件的連接中,正常情況下一個(gè)汽車白車身約有3000~5000個(gè)焊點(diǎn)。電阻焊完成90%的車身裝配,屬于車身裝配中最重要的方式,焊點(diǎn)的質(zhì)量直接影響整車裝配和車身的強(qiáng)度,甚至影響車輛的行駛安全性能[1-2]。焊點(diǎn)位置偏差是焊點(diǎn)質(zhì)量不可接受的一種失效模式,因此焊點(diǎn)位置的過程質(zhì)量控制尤為重要。所謂焊點(diǎn)位置偏差是指實(shí)際焊點(diǎn)位置超出設(shè)計(jì)位置規(guī)定值。在汽車量產(chǎn)車身車間,是通過自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)器人焊接來精準(zhǔn)保證焊點(diǎn)位置符合設(shè)計(jì)要求。而在汽車量產(chǎn)之前,小批量制造各種車型試驗(yàn)用車、驗(yàn)證各零件設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)的樣車試制車身車間,多考慮低成本高柔性設(shè)備工具投入,一般采用人工使用手動(dòng)焊槍焊接方式,通過目視工藝文件獲取焊點(diǎn)所處區(qū)域的特征來大致確定實(shí)物鈑金上的焊點(diǎn)位置,或者利用簡(jiǎn)易的定位工具確定焊點(diǎn)位置并用記號(hào)筆標(biāo)記,然后取下定位工具進(jìn)行人工焊接,來保證焊點(diǎn)位置的合理性。考慮樣車試制車身車間焊接定位模板的需求特點(diǎn),本文引入具有高效、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便特點(diǎn)的3D打印成形技術(shù)來開發(fā)制造,以達(dá)到短周期、低成本、高強(qiáng)度高精度完成模板制作的目的。

        2 傳統(tǒng)的試制車身焊接定位工具

        樣車試制車身車間,傳統(tǒng)的焊接模板有紙質(zhì)或塑膠材質(zhì)打印模板、激光切割鈑金模板兩種。紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板,如圖1所示,主要是通過UG提取焊接面并在焊點(diǎn)處創(chuàng)建孔特征,然后展平三維焊接面形成二維平面圖再利用打印機(jī)打印,手工裁剪、開孔與拼接等處理,現(xiàn)場(chǎng)使用需多人手持平鋪固定在鈑金上。紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板本身強(qiáng)度低,不易固定,使用不便;激光切割的鈑金模板,如圖2所示,主要是通過激光切割的方式來對(duì)一套實(shí)物零件進(jìn)行剪裁,剪裁出的特征包括模板定位邊界與焊點(diǎn)定位孔特征,現(xiàn)場(chǎng)使用大力鉗加緊固定至車身上。激光切割制作的鈑金模板,全型面貼合實(shí)際鈑金,精度高、強(qiáng)度可靠,但成本也較高,且開發(fā)周期長(zhǎng)。

        圖1 紙質(zhì)塑封打印的定位模板

        圖2 激光切割制作的鈑金模板

        3 3D打印技術(shù)在試制車身焊接定位模板中的應(yīng)用

        3D 打印是新興且快速發(fā)展的一種技術(shù),它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等材料,通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù),“加法”式制造模式,在設(shè)備尺寸允許的條件下,可進(jìn)行多個(gè)部件同時(shí)加工,具備材料利用率高、開發(fā)成本低、制作精度高、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于小批量產(chǎn)品生產(chǎn)[3]。以Stratasys公司的型號(hào)為Fortus 450mc的3D打印機(jī)為例 ,設(shè)備能支持大多數(shù)的數(shù)模格式導(dǎo)入,兼容性能較好。3D打印使用材料可選用ABS、尼龍等工程塑料,成本約為3.5元/克,打印尺寸精度能達(dá)到約0.127mm,以50mm*50mm*50mm的打印模型為例,所花費(fèi)的打印時(shí)長(zhǎng)只需大約4小時(shí)。

        在樣車試制階段,車型項(xiàng)目多,生產(chǎn)批量小,且在造車過程中,工程變更多,需求快速響應(yīng),3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)恰好與試制車身焊接定位模板的開發(fā)需求相契合。利用3D打印技術(shù)開發(fā)焊接定位模板,周期短、精度高,強(qiáng)度好,相對(duì)紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板穩(wěn)定可靠,相對(duì)激光切割制作的鈑金模板成本低。3D打印完成的焊接模板,通過軟磁條固定至車身上,一側(cè)靠粘膠連模板,一側(cè)靠磁性吸附車身,人工操作便捷性大大提升。

        3D打印技術(shù)開發(fā)試制車身焊接定位模板過程主要包含五步工作:準(zhǔn)備待開發(fā)焊接定位模板的數(shù)據(jù)、模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、利用3D打印機(jī)選用合適的材料進(jìn)行1:1打印、粘結(jié)軟磁條、現(xiàn)場(chǎng)使用驗(yàn)證。

        在整個(gè)定位模板開發(fā)過程中,模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)尤為重要,設(shè)計(jì)的合理性直接影響使用過程中的定位精準(zhǔn)性與使用便捷性。試制車身焊定位模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。焊接模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在UG軟件中進(jìn)行,定位基準(zhǔn)依靠鈑金的邊界與型面,具體設(shè)計(jì)說明如下:

        圖3 焊接模板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

        1、抽取焊接模板基準(zhǔn)面與焊點(diǎn)數(shù)模??衫脀ave geometry linker命令,基于待開發(fā)焊接模板的連接零件,來確定抽取焊點(diǎn)數(shù)模,同時(shí)考慮實(shí)際焊接操作時(shí),零件在定位工裝上的擺放姿態(tài)與焊點(diǎn)標(biāo)記位置,來確定抽取鈑金面作為模板開發(fā)基準(zhǔn)面,提取后的基準(zhǔn)面為片體。

        2、在模板基準(zhǔn)面上有焊點(diǎn)的位置創(chuàng)建特征孔??墒褂胔ole命令,具體以焊點(diǎn)為圓心,設(shè)置合理的直徑(綜合考慮記號(hào)筆標(biāo)記與模板強(qiáng)度),選擇焊點(diǎn)投影片體方向,創(chuàng)建特征孔。

        3、對(duì)完成特征孔創(chuàng)建的模板基準(zhǔn)面進(jìn)行面加厚??衫胻hicken命令,加厚方向需要考慮實(shí)際定位工裝的擺放姿態(tài)與制作完成后模板的實(shí)際放置需求,厚度值設(shè)置需綜合考慮模板選用的材質(zhì)與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

        4、模板截?cái)嗯c斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此步驟按需進(jìn)行,主要考慮到3D打印機(jī)的最大構(gòu)建尺寸,即如果模板尺寸超過設(shè)備最大構(gòu)建尺寸,則需要進(jìn)行截?cái)嗵幚砼c斷面設(shè)計(jì),否則不需要此步驟。在截面設(shè)計(jì)時(shí),建議采用斜面,既簡(jiǎn)單又可在兩方向上有一定定位效果,斜向斷面如圖4所示。

        圖4 斜向斷面

        5、焊接模板上表面進(jìn)行命名標(biāo)注。模板命名并標(biāo)注在上表面,清晰規(guī)范,便于操作人員能夠快速找到模板,按照工藝文件中要求進(jìn)行使用。在使用過程中需要拼接使用的分段模板,更需要在模板上表面標(biāo)注分段編號(hào),拼接方向等信息,如圖5所示。文字標(biāo)準(zhǔn)操作,可通過text命令實(shí)現(xiàn)。

        圖5 命名標(biāo)注

        以上五個(gè)步驟已完成焊接模板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),數(shù)模審核無誤后,便可導(dǎo)入3D打印設(shè)備進(jìn)行排版1:1打印。對(duì)于3D打印焊接定位模板材料的選取,考慮到樣車試制階段,焊接模板僅用于焊點(diǎn)標(biāo)記的定位,標(biāo)記完成后會(huì)取下定位模板,因此,一般選用ABS、尼龍等工程塑料即可滿足強(qiáng)度要求,同時(shí)工程塑料材料的模板重量輕,易取易放。焊接定位模板3D打印完成后,便可利用軟磁條連接,如圖6所示。軟磁條價(jià)格便宜、性軟可貼合曲面模板,且粘性與磁性均足夠可滿足模板與車身鈑金之前的牢固連接。

        圖6 軟磁條連接

        4 總結(jié)與展望

        焊點(diǎn)位置是車身焊點(diǎn)質(zhì)量控制的重要因素。在樣車試制階段,手工焊接定位模板,可有效控制焊點(diǎn)位置的合理性,保證試驗(yàn)車輛的合格焊接質(zhì)量,以便更好驗(yàn)證車輛的行駛安全等性能。本文重點(diǎn)介紹的是 3D打印技術(shù)在樣車試制車身焊接定位模板方面的應(yīng)用以及具體開發(fā)工作流程。3D打印技術(shù)開發(fā)的定位模板,相對(duì)傳統(tǒng)模板,精度高、強(qiáng)度好,性價(jià)比高、可快速響應(yīng)工程設(shè)計(jì)變更且使用便捷性。近年來,3D打印技術(shù)已由新興技術(shù)逐漸發(fā)展成為主流技術(shù),其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)與樣車試制需求完美契合,也將有助于其在樣車試制領(lǐng)域得到更廣泛快速的應(yīng)用與推廣[4]。

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