彭欣強(qiáng)

廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

在汽車研發(fā)過(guò)程中，造型設(shè)計(jì)、制造工藝互相影響，互相約束。造型設(shè)計(jì)出新穎的造型，將導(dǎo)致制造工藝難以實(shí)現(xiàn)，制造工藝水平往往限制了造型設(shè)計(jì)方案的多樣性。為了提升車型產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的需求，造型設(shè)計(jì)的多樣性和新穎性已成為汽車行業(yè)追求的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)造型設(shè)計(jì)，制造工藝需作出相應(yīng)的提升來(lái)解決設(shè)計(jì)帶來(lái)的一系列問(wèn)題。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋是車身制造中的關(guān)鍵外觀部件，裝配后要求與之配合的汽車前大燈、前保險(xiǎn)杠、椅子板等間隙均勻、面差良好[1]。此外，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板屬于關(guān)鍵外觀造型面，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋總成的工藝質(zhì)量好壞直接影響造型設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[2]。本文作者闡述了汽車研發(fā)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外飾造型分縫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，說(shuō)明了造型設(shè)計(jì)引起的工藝制造問(wèn)題，提出了3種工藝制造問(wèn)題的解決方案并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，為發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外飾造型分縫設(shè)計(jì)的工藝制造問(wèn)題的解決提供方法。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外飾造型分縫設(shè)計(jì)

外飾造型分縫設(shè)計(jì)是連接汽車外飾覆蓋件的關(guān)鍵設(shè)計(jì)，分縫設(shè)計(jì)的優(yōu)化是提升外飾造型設(shè)計(jì)整體質(zhì)感的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋作為汽車外飾的關(guān)鍵覆蓋件之一，其分縫線的走向及其所分割的空間特征，對(duì)造型的美學(xué)協(xié)調(diào)關(guān)系有重要作用[3]。不同的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋分縫線有不同的造型特點(diǎn)。路虎攬勝系列車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線與腰線的貫通設(shè)計(jì)如圖1所示，這種設(shè)計(jì)風(fēng)格在路虎攬勝系列車型中始終保持不變，形成了路虎側(cè)面設(shè)計(jì)的品牌基因[4]。奧迪系列車型中，有的車型采用特殊的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板截面設(shè)計(jì)與腰線截面配合，將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫隱藏在了光影暗處，視覺上隱藏分縫線[3]，如圖2所示。在哈弗、寶駿、福特、通用、現(xiàn)代、起亞等品牌車型中，有的車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線與側(cè)圍A柱&翼子板分縫線連通，體現(xiàn)整體、簡(jiǎn)約的造型特點(diǎn)，如圖3所示。在領(lǐng)克、斯巴魯、豐田、雷克薩斯等品牌車型中，有的車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線未與其他分縫線配合，分縫線位置造型面較為平緩，趨于平面，如圖4所示。上述發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板的分縫造型工藝實(shí)現(xiàn)難度各有不同，結(jié)合制造現(xiàn)場(chǎng)的條件可能產(chǎn)生工藝問(wèn)題。

圖1 路虎車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫示意

圖2 奧迪車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫示意

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線與側(cè)圍A柱&翼子板分縫線連通 圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線示意

2 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋工藝問(wèn)題及其原因

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋裝配和包邊工藝

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋總成結(jié)構(gòu)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板。在發(fā)動(dòng)機(jī)蓋制造工藝中，首先將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板以特定的方向(通常為車身坐標(biāo)軸+Z向)裝配到發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板內(nèi);然后通過(guò)包邊工藝將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊壓合，達(dá)到內(nèi)外板連接的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋包邊工藝主要有機(jī)器人滾邊工藝和模具壓合包邊工藝，每種包邊工藝都有各自的特點(diǎn)，但是包邊工藝要求相似，以機(jī)器人滾邊工藝為例介紹包邊工藝要求及約束[5]。

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊角度

由于乘用車工廠節(jié)拍的限制，機(jī)器人滾邊需在三序包邊完成。為了保證包邊質(zhì)量，每一序包邊不能大于45°。結(jié)合理論分析和實(shí)際包邊經(jīng)驗(yàn)得到，包邊工藝之前，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊角度不能超過(guò)105°，局部區(qū)域的極限角度為115°。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊角度示意見圖5。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋包邊工藝要求示意

(2)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板間隙值

包邊過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板折彎變形時(shí)，外板會(huì)向內(nèi)收縮，為保證內(nèi)外板之間不因接觸而產(chǎn)生缺陷，內(nèi)外板之間需保證一定間隙值。同時(shí)，包邊時(shí)的折邊膠也需存在于內(nèi)外板間隙中，保證包邊的連接性能。平面直包邊工藝的內(nèi)外板間隙值(包邊完成后)需保證為1.5 mm，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋間隙值示意見圖5，在數(shù)據(jù)裝配模擬分析時(shí)，包邊工藝之前，內(nèi)外板間隙也認(rèn)為是1.5 mm。

(3)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊高度

為了保證包邊質(zhì)量，包邊之前，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊高度一般為8 mm，翻邊高度過(guò)短將導(dǎo)致重疊量小、包邊不實(shí)的缺陷，翻邊高度過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致內(nèi)外板裝配過(guò)程中干涉嚴(yán)重[6]。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板翻邊高度示意見圖5。

2.2 工藝制造問(wèn)題及其原因

在上述不同的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫造型中，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的傾斜角(發(fā)動(dòng)機(jī)蓋造型面與水平面的夾角，示意見圖6)有很大的區(qū)別。路虎攬勝系列車型、奧迪系列車型發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線與腰線貫通設(shè)計(jì)的傾斜角很大，約為75°；發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線與側(cè)圍A柱&翼子板分縫線連通設(shè)計(jì)的傾斜角趨于減小，根據(jù)分縫位置造型的平緩程度，傾斜角大小通常在40°～70°之間；發(fā)動(dòng)機(jī)蓋&翼子板分縫線未與其他分縫線配合，且分縫線位置造型面較為平緩地設(shè)計(jì)，傾斜角較小，通常低于40°。實(shí)際制造過(guò)程中，如圖7所示，包邊前的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板在包邊工藝約束條件下，翻邊處于展開一定角度的狀態(tài)，在內(nèi)板裝配到外板上、與外板貼合的過(guò)程中，內(nèi)外板產(chǎn)生裝配干涉問(wèn)題。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾斜角越大，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配過(guò)程中產(chǎn)生兩側(cè)裝配干涉量越大，將導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的重大問(wèn)題。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾斜角示意

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配干涉問(wèn)題示意

在實(shí)際項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)該問(wèn)題。經(jīng)過(guò)實(shí)際裝配模擬，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾斜角與裝配干涉量的關(guān)系如表1所示，可以看出：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的傾斜角達(dá)到69°時(shí)，裝配干涉量為5.02 mm。隨著傾斜角的減小，干涉量逐漸減小。傾斜角小于34°時(shí)，干涉量趨于0 mm。為了實(shí)現(xiàn)外飾造型分縫的設(shè)計(jì)要求，需要提高現(xiàn)有的工藝制造水平，實(shí)現(xiàn)車型產(chǎn)品的量產(chǎn)。

表1 傾斜角和裝配干涉量關(guān)系

3 解決方案

3.1 外力擠壓發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板

為減小發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板裝配時(shí)的干涉量，可利用發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的塑性變形能力。發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板是薄鈑金且外板輪廓很大，有一定的塑性變形能力。其原理是：在人工裝配發(fā)動(dòng)機(jī)罩時(shí)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配產(chǎn)生一定干涉時(shí)，可采用外力將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板擠壓變形，向外擴(kuò)張，減小干涉，使發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板裝配到外板中，然后進(jìn)行包邊工藝,如圖8所示。此方法僅限于人工裝配情況下，機(jī)器人裝配時(shí)外力不能確定將導(dǎo)致機(jī)器人經(jīng)常報(bào)錯(cuò)，不適合采用。

圖8 外力擠壓發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板

外力擠壓發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的方案操作簡(jiǎn)單，只需要人工擠壓即可實(shí)現(xiàn)裝配，廠房無(wú)需改動(dòng)，成本低。缺點(diǎn)是只能適用于人工裝配，自動(dòng)化程度低，節(jié)拍慢，機(jī)器人裝配時(shí)在干涉狀態(tài)下，不能進(jìn)行有效調(diào)整，將導(dǎo)致裝配無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

3.2 增加預(yù)包邊工位

為了減少干涉量，可采用增加翻邊角度的方法，包邊工序由三序增加到四序，可使翻邊角度增加，從而很大程度減小裝配干涉量。表2為翻邊角度與傾斜角的關(guān)系，可以看出：翻邊角度增加到140°時(shí)，可接受的傾斜角增加到71°(在實(shí)際操作中，內(nèi)外板裝配干涉在2 mm以內(nèi)可實(shí)現(xiàn)人工裝配)。但是包邊工序由三序增加到四序，將影響工時(shí)節(jié)拍，導(dǎo)致產(chǎn)量降低的風(fēng)險(xiǎn)。因此，增加一個(gè)預(yù)包邊工位的方案既可以不影響工時(shí)節(jié)拍，又能增加翻邊角度，解決發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配干涉問(wèn)題。

表2 翻邊角度和傾斜角關(guān)系

增加預(yù)包邊工位的方案能有效解決發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配困難的問(wèn)題，減少對(duì)造型設(shè)計(jì)中發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾斜角的工藝約束條件。但是，增加預(yù)包邊工位需要對(duì)工廠進(jìn)行較大的改造，改造成本高，工位空間的需求大，需在工廠建設(shè)初期提前規(guī)劃。

3.3 吸盤吸附發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板

發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配工裝上集成一系列的吸盤。其原理是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋薄鈑金易變形和易回彈的特點(diǎn)，在裝配干涉量大的外板邊緣位置布置吸盤，內(nèi)板裝配前將外板吸附使外板外張,然后內(nèi)板在不干涉的情況下裝配，裝配到位后吸盤松開，工裝夾緊到位，外板回彈到原位。吸盤吸附發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板工裝示意如圖9所示。

圖9 吸盤吸附發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板工裝示意

吸盤吸附發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板的方案通常應(yīng)用在自動(dòng)化程度高的機(jī)器人裝配工位，有效率高、節(jié)拍快、裝配精度高等優(yōu)點(diǎn)。但是發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板塑性變形的能力有效，在充分驗(yàn)證的情況下進(jìn)行量產(chǎn)實(shí)施才能有限發(fā)揮吸盤吸附外板方案的優(yōu)勢(shì)，避免外板過(guò)度塑性變形產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷。

4 總結(jié)

針對(duì)汽車行業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外飾造型分縫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的傾斜角度也有很大的區(qū)別。發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的傾斜角度很大導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)蓋工藝制造的問(wèn)題，可采用3種工藝解決方案：焊裝車間現(xiàn)場(chǎng)采用手工裝配時(shí)，可采用外力擠壓發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板的工藝方案，操作簡(jiǎn)單，成本低；焊裝車間現(xiàn)場(chǎng)采用機(jī)器人裝配工藝時(shí)，采用吸盤吸附發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板的工藝方案，效率高，節(jié)拍快，裝配精度高；在工廠規(guī)劃初期或有新增工位位置時(shí)，采用增加預(yù)包邊工位，從而解決發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)外板裝配干涉問(wèn)題，滿足造型設(shè)計(jì)中發(fā)動(dòng)機(jī)蓋傾斜角增大的需求。3種解決方案都有其限制條件，在實(shí)際的汽車研發(fā)過(guò)程中，需在造型設(shè)計(jì)前期對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析，結(jié)合企業(yè)自身實(shí)際情況選擇合適的解決方案，在試制驗(yàn)證階段充分驗(yàn)證方案的可行性，保證量產(chǎn)車的順利上市。

汽車行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，造型設(shè)計(jì)的美觀和新穎對(duì)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有著重要作用。美觀和新穎的造型特點(diǎn)，必然對(duì)工藝制造水平提出更高的要求。研究造型特點(diǎn)對(duì)工藝的要求，提出可行的解決方案，不斷提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，才能在競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。