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        3D打印技術在樣車試制車身焊接模板中的應用

        2019-02-04 03:35:40周秀梅高志剛張灝辰
        時代汽車 2019年24期
        關鍵詞:樣車鈑金焊點

        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

        電阻點焊技術以其高效率、低成本、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點而廣泛應用于汽車結(jié)構(gòu)件的連接中,正常情況下一個汽車白車身約有3000~5000個焊點。電阻焊完成90%的車身裝配,屬于車身裝配中最重要的方式,焊點的質(zhì)量直接影響整車裝配和車身的強度,甚至影響車輛的行駛安全性能[1-2]。焊點位置偏差是焊點質(zhì)量不可接受的一種失效模式,因此焊點位置的過程質(zhì)量控制尤為重要。所謂焊點位置偏差是指實際焊點位置超出設計位置規(guī)定值。在汽車量產(chǎn)車身車間,是通過自動化生產(chǎn)線機器人焊接來精準保證焊點位置符合設計要求。而在汽車量產(chǎn)之前,小批量制造各種車型試驗用車、驗證各零件設計與工藝設計的樣車試制車身車間,多考慮低成本高柔性設備工具投入,一般采用人工使用手動焊槍焊接方式,通過目視工藝文件獲取焊點所處區(qū)域的特征來大致確定實物鈑金上的焊點位置,或者利用簡易的定位工具確定焊點位置并用記號筆標記,然后取下定位工具進行人工焊接,來保證焊點位置的合理性??紤]樣車試制車身車間焊接定位模板的需求特點,本文引入具有高效、經(jīng)濟、簡便特點的3D打印成形技術來開發(fā)制造,以達到短周期、低成本、高強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打印,手工裁剪、開孔與拼接等處理,現(xiàn)場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一套實物零件進行剪裁,剪裁出的特征包括模板定位邊界與焊點定位孔特征,現(xiàn)場使用大力鉗加緊固定至車身上。激光切割制作的鈑金模板,全型面貼合實際鈑金,精度高、強度可靠,但成本也較高,且開發(fā)周期長。

        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打印技術在試制車身焊接定位模板中的應用

        3D 打印是新興且快速發(fā)展的一種技術,它是以數(shù)字模型文件為基礎,運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,“加法”式制造模式,在設備尺寸允許的條件下,可進行多個部件同時加工,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,尤其適用于小批量產(chǎn)品生產(chǎn)[3]。以Stratasys公司的型號為Fortus 450mc的3D打印機為例 ,設備能支持大多數(shù)的數(shù)模格式導入,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,打印尺寸精度能達到約0.127mm,以50mm*50mm*50mm的打印模型為例,所花費的打印時長只需大約4小時。

        在樣車試制階段,車型項目多,生產(chǎn)批量小,且在造車過程中,工程變更多,需求快速響應,3D打印技術的優(yōu)勢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打印技術開發(fā)焊接定位模板,周期短、精度高,強度好,相對紙質(zhì)塑封或塑膠材質(zhì)打印的模板穩(wěn)定可靠,相對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打印技術開發(fā)試制車身焊接定位模板過程主要包含五步工作:準備待開發(fā)焊接定位模板的數(shù)據(jù)、模板的結(jié)構(gòu)設計、利用3D打印機選用合適的材料進行1:1打印、粘結(jié)軟磁條、現(xiàn)場使用驗證。

        在整個定位模板開發(fā)過程中,模板的結(jié)構(gòu)設計環(huán)節(jié)尤為重要,設計的合理性直接影響使用過程中的定位精準性與使用便捷性。試制車身焊定位模板的結(jié)構(gòu)設計流程如圖3所示。焊接模板結(jié)構(gòu)設計在UG軟件中進行,定位基準依靠鈑金的邊界與型面,具體設計說明如下:

        圖3 焊接模板結(jié)構(gòu)設計流程

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

        2、在模板基準面上有焊點的位置創(chuàng)建特征孔??墒褂胔ole命令,具體以焊點為圓心,設置合理的直徑(綜合考慮記號筆標記與模板強度),選擇焊點投影片體方向,創(chuàng)建特征孔。

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

        4、模板截斷與斷面結(jié)構(gòu)設計。此步驟按需進行,主要考慮到3D打印機的最大構(gòu)建尺寸,即如果模板尺寸超過設備最大構(gòu)建尺寸,則需要進行截斷處理與斷面設計,否則不需要此步驟。在截面設計時,建議采用斜面,既簡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、焊接模板上表面進行命名標注。模板命名并標注在上表面,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注分段編號,拼接方向等信息,如圖5所示。文字標準操作,可通過text命令實現(xiàn)。

        圖5 命名標注

        以上五個步驟已完成焊接模板的結(jié)構(gòu)設計,數(shù)模審核無誤后,便可導入3D打印設備進行排版1:1打印。對于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標記的定位,標記完成后會取下定位模板,因此,一般選用ABS、尼龍等工程塑料即可滿足強度要求,同時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

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

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