古惠南

（廣汽新能源汽車有限公司，廣州 511400）

0 引言

隨著“節(jié)能環(huán)?！痹絹碓匠蔀榱藦V泛關注的話題，輕量化也廣泛應用到普通汽車領域，在提高操控性的同時還能有出色的節(jié)電表現(xiàn)。汽車的電耗主要取決于汽車的總質量，在保持汽車整體品質、性能和造價不變甚至優(yōu)化的前提下，降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性，提高車速、降低電耗、提升安全性。有研究數(shù)字顯示，若汽車整車重量降低10%，電能效率可提高6%～8%；若滾動阻力減少10%，電能效率可提高3%；若車橋、電驅等裝置的傳動效率提高10%，電能效率可提高7%。汽車車身約占汽車總質量的30%，空載情況下，約70%的電耗用在車身質量上。因此，車身變輕對于整車的電能經濟性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。汽車的環(huán)保、安全和外觀是消費者越來越關注的熱點，汽車車身材料的輕量化作為一種節(jié)省能源和提高效率的有效手段，大量輕量化技術正在越來越多的車型上應用，其中鋁合金應用是其中較為熱門的一種。本文進行了鋼鋁混合式車身產品結構與工藝開發(fā)相結合的研究，以及混線生產技術的研究，解決了產品開發(fā)與工藝實現(xiàn)相平衡的問題，生產線鋼鋁混線柔性生產的問題，具有對后續(xù)多種材料混合式車身的設計及工業(yè)化提供了參考。

1 產品設計-車身結構設計

隨著鋁合金材料在車身的大量應用，在實現(xiàn)車身輕量化的同時也對車身連接工藝提出新的需求和挑戰(zhàn)[1]，而這些新的連接工藝的需求都需新的連接設備來實現(xiàn)，新設備的投入需要考慮成本、工藝可行性及質量等因素。而另外一方面針對這些復雜的不同結構性能的要求，從材料的角度考慮，要求“在合適的部位應用最合適的材料”，以充分發(fā)揮各種材料在強度、剛度及減重方面的優(yōu)勢，從而在滿足零部件性能的前提下，以最小的代價獲得最大的輕量化效果。隨著各種輕量化材料低成本的材料制備技術、先進的零部件制造技術的深入研究和連接技術的不斷革新，也為“選擇正確的材料與工藝的組合以節(jié)省時間、減小重量與金錢”提供了良好的技術支撐[2-5]。故一味追求全鋁并不是最優(yōu)的選項，從實現(xiàn)輕量化目的的基礎上，兼顧成本及工藝可行性最優(yōu)選擇，混合材料車身代表了今后汽車車身結構發(fā)展的最新趨勢[5-10]，如圖1所示。

混合車身結構設計代表了今后汽車車身結構的發(fā)展趨勢，而其中又以鋼鋁混合材料車身最為典型。鋼鋁混合車身結構即是在傳統(tǒng)鋼結構車身骨架中，將某些結構構件用高強度鋼板和鋁合金等輕質材料替代，以充分發(fā)揮高強度鋼板在強度和價格方面的優(yōu)勢，同時兼顧鋁合金板材在減重及吸能方面的優(yōu)勢，通過材料和結構的優(yōu)化設計和性能模擬的方法確定不同材料分布的部位，在提高成本不大的前提下實現(xiàn)車身的高強度和輕量化。

圖1 車身結構發(fā)展趨勢

1.1 下鋁上鋼式的車身結構

在混合材料車身眾多技術路線中，“下鋁上鋼”的產品結構是比較新穎的路線?！跋落X上鋼”的產品結構特點是：（1）輕量化，下車體由鋼變鋁，質量降低30%以上；（2）難度適中，相比上車體，鋁下車體開發(fā)及制造難度相對降低，鋼鋁車身總拼混線生產的難度較全鋁車身降低。

1.2 各主要部位材料選擇

下鋁上鋼式車身下車體采用全鋁結構，上車體采用全鋼結構，上下車體搭接處絕大多數(shù)都為鋼-鋼，從而實現(xiàn)車身主線以鋼點焊為主的連接工藝。

下車體框架使用6 系鋁型材；像減震塔這樣的關鍵及造型復雜的部件則采用高壓真空鑄鋁一體式成型；面板則采用5/6系鋁材。

上車體除了使用常規(guī)鋼材的同時，A柱、B柱及門楣采用高強鋼及熱成型鋼，在達到同樣的車身強度的同時，大大減少車身重量。車身鋼鋁用量如圖2所示。

圖2 車身鋼鋁用量

1.3 鋼鋁結合處的連接設計

材料的選擇直接影響連接工藝的選擇，對于下鋁上鋼式車身特有在門檻處的鋼鋁搭接的結構，有兩種連接思路。

（1）常規(guī)思路

基于傳統(tǒng)車身總拼工位采用鋼點焊的連接工藝，考慮在下車體門檻鋁擠壓鋁上增加“鋼過渡件”，如圖3所示，這樣上下車體連接還是通過點焊實現(xiàn)，生產線連接設備無需增加及改造。但以上方案存在的問題是由于增加了“鋼過渡件”以及200 個熱熔自攻螺釘（Flow Drill Screw-FDS），單車成本增加約1.4%，白車身重量增加約0.8%。

圖3 鋼點焊方案車身結構

圖4 擠壓鋁門檻增加翻邊方案車身結構

（2）創(chuàng)新思路

在門檻擠壓鋁上增加翻邊，簡化結構，如圖4 所示。側圍外板與下車體門檻連接處采用自沖鉚（Self Piercing Riveting-SPR）連接，由于符合SPR連接由硬到軟、由鋼到鋁的要求，且搭接組合簡單，連接質量容易保證；A柱、B柱及C柱與下車體門檻連接處采用FDS+膠粘的連接。

以上方案需要在上下車體合拼時增加SPR 連接工藝，總拼工藝方案需要相應調整變更。

自穿刺鉚接（SPR）工藝是一種連接2種或2種以上金屬或非金屬材質的機械冷連接技術。自穿刺的鉚釘在執(zhí)行機構的推動下刺穿上層板材，刺入下層板后鉚釘尾部在底部凹模的作用下向外延伸，最終與下層板形成咬邊的結構從而形成穩(wěn)定的連接點。在凹模側的連接件產生一個凸出的鉚釘墩頭，由于凹模側的連接件只有塑性變形而沒有被穿透，下層板存在剩余的板厚，所以能夠形成一個緊密的連接結構，鉚接過程如圖5所示。

圖5 SPR鉚接過程

2 工藝設計-車身總拼工藝方案設計

車身總拼作為焊裝車間最核心的工位，尤其是多車型、高節(jié)拍隨機混流生產的車身總拼，工位設備多，機器人高度集成；在現(xiàn)有生產線上導入鋁車身，需要導入新的連接工藝和設備，空間的限制、工藝可行性都存在諸多課題需解決。

2.1 總拼工藝點選擇

總拼工藝點的選擇需要考慮生產線節(jié)拍是否滿足、所選擇的工藝點位置是否能夠滿足合拼后白車身的精度要求，基于此總拼工藝點選擇如圖6所示，其中門檻處需要進行SPR連接，單邊各5個SPR鉚點。

圖6 總拼SPR工藝點布置

2.2 總拼工位的布局設計

總拼工位由夾具切換系統(tǒng)、側圍夾具、下夾具、滾床搬運系統(tǒng)、作業(yè)機器人及鋼平臺組成；其中作業(yè)機器人12臺，4臺布置在二層鋼平臺上，8 臺布置在地面上，考慮到新增的SPR 集中在車身的中部，需要將七軸中間的機器人改造成SPR/鋼點焊切換，機器人布局如圖7所示。

圖7 機器人布局

經過機器人仿真驗證，為了滿足七軸中間機器人進行SPR/鋼點焊切換后工具的存放，GATE 需要向后移動1.7 m讓出切換空間。六車型切換的OPENGATE 工位地坑標準寬度為21 m，左右兩邊移動后工位地坑寬度為24.3 m，而桁架式廠房的標準跨距為24 m，這樣設備和廠房立柱就存在干涉。針對這一問題對SPR 鉚槍結構進行優(yōu)化，將鉚槍主軸由250 mm 減少到200 mm，并且減少連接法蘭的長度，鉚槍整體長度減少200 mm，經過這樣的優(yōu)化調整最終工位地坑寬度只需增加1.3 m，整體工位地坑寬度到23.6 m，達到允許最大尺寸。

2.3 設備選型

2.3.1 機器人負載選擇

由于SPR鉚點位于門檻處，鉚槍的喉深需要在100 mm左右，以Tucker 的鉚槍質量與機器人負載對應關系為例（表1），機器人負載最小需要210 kg，考慮需要進行換槍增加換槍盤，換槍盤重量約30 kg，加上為了滿足機器人可達性，鉚槍需要使用長臂型的連接法蘭，工具重心比較靠前，機器人負載最終確定在270 kg。

表1 C型鉗尺寸與機器人負載對應關系

2.3.2 鉚槍C型臂結構選型

將鉚槍導入工位3D數(shù)據(jù)中進行分析，鉚槍連接法蘭與夾具框架間隙只有20 mm，鉚槍C型臂與零件最近處間隙也只有5 mm，機器人進槍存在干涉。解決這個問題，需從以下兩方面進行優(yōu)化：

（1）產品結構優(yōu)化，將原本豎直的零件搭接面變更為95°；

（2）鉚槍C 型臂選型，由于鉚接時鉚接力最大達到80 kN，為了滿足結構強度的需要，隨著喉深的加大，C 型臂的尺寸也會變大；由于總拼工位高度集成，C型臂結構需要盡量小巧，以滿足可達性的需求，從廠家的C 型臂庫中選擇最小喉深85 mm 的C 型臂，經過模擬仿真，最終選擇型號為Z310 955 的C 型臂，該型號與連接法蘭連接后鉚槍整體更加的緊湊，滿足可達性的要求。表2為C型臂型號表。

表2 C型臂型號表

經過以上優(yōu)化后鉚槍連接法蘭與夾具框架間隙達到40 mm，鉚槍C型臂與零件最近處間隙也達到15 mm，滿足安全距離的要求。

2.4 鋼鋁連接設備切換系統(tǒng)技術

鋼鋁連接設備切換系統(tǒng)技術的核心部件是滿足鋼點焊與SPR 設備之間切換的機器人換槍盤，通過對市面主流廠家的換槍盤進行技術升級進行模塊化設計及選型，實現(xiàn)國內首款應用于量產生產的鋼點焊與SPR 設備之間切換的機器人換槍盤。換槍盤機器人側由以下部件組成：鎖緊單元，冷卻水加壓縮空氣組件，總線閥組件，電信號組件1，電信號組件2和焊接電源組件。換槍盤工具側（鋼點焊槍）由工具基板、冷卻水組件、電信號組件和焊接電源組件等部件組成。換槍盤工具側（SPR槍）由工具基板、壓縮空氣組件、電信號組件G1和電信號組件G4 等部件組成。機器人側結構如圖8所示。

按照送釘方式的不同SPR 鉚槍系統(tǒng)可分為彈倉式中轉送釘系統(tǒng)、直吹式送釘系統(tǒng)、棘輪供釘。如果采用直吹式送釘系統(tǒng)，由于總拼工位寬度達到24 m，SPR 設備的送料器到SPR 槍的距離遠超送釘管最大16 m 的范圍，而且送釘管需要安裝七軸的拖鏈內，長期彎曲送釘管容易損壞；而采用棘輪供釘如果同一工位多把C 型鉗同時工作時，容易造成余釘浪費；故選用彈倉式中轉送釘系統(tǒng)，通過將充釘站和送料器放置在二層鋼平臺上，大大縮小了送釘管的距離，所需長度不超過2 m；充釘時機器人舉著SPR鉚槍通過在鋼平臺上開2個4 m×1.4 m的開口，到充釘站進行補釘；由于充釘站布置位置不影響滾床輸送，充釘是在白車身運輸?shù)臅r間內完成，不占用生產線節(jié)拍。

圖8 機器人側換槍盤

切換下來的工具需要考慮存放，由于需要切換的機器人兩邊都有機器人，為了避免切換時跟周邊的機器人存在干涉，通過在機器人后面再增加一個七軸滑塊，將工具存放架安裝在其上面，這樣既能實現(xiàn)切換，機器人之間又互不影響。

2.5 前工序處理

由于鋼鋁搭接處還需要涂布鋁結構膠，鋁結構膠具有高粘性的特點，涂布時需要進行加熱，且涂布的軌跡較為復雜，人工作業(yè)質量及效率較難保證，位置一致性較差，故需要進行機器人涂膠；且配備有涂膠視覺，對涂膠質量進行監(jiān)控并實現(xiàn)質量回溯。

鋁車身對于結構膠的涂覆率要求較高，人工預拼存在刮膠的情況，從而影響膠的質量，故白車身預拼要由機器人進行；機器人從側圍EMS 小車上抓取側圍進行預拼，且側圍抓手上有視覺引導抓件，極大地提高了抓件的精度，從而保證了涂膠的質量。

2.6 后工序處理

除了SPR及膠粘工藝，還需要進行FDS工藝連接將A、B柱加強件與門檻連接起來。

自攻絲鉆鉚（FDS）工藝通過特殊鉆鉚鉚釘，在主軸高速旋轉的驅動下，對板材進行加熱、鉆孔、攻絲、鎖緊等過程，使局部熔化的板材能嵌入到鉚釘?shù)穆菁y牙中，形成類焊接作用，從而形成穩(wěn)定的連接點。

鉆鉚工藝的上層板可以預沖孔或不沖孔，通過鉚釘尖端的高速旋轉及主軸縱向下壓力對板材進行摩擦加熱和鉆孔。鉆入的鉚釘向下運動、延伸，在鉚釘下端形成一個延伸套管附著在鉚釘穿刺位置，可以增加鉚點性能。連接過程如圖9所示。

圖9 FDS連接過程

由于FDS 作業(yè)時有巨大的軸心壓力，故不適合放在總拼工位進行作業(yè)，會影響白車身的合車精度，故需要在后工序進行，相當于補焊。巨大的軸向壓力會對機器人產生反作用力，故機器人需要選擇高負載的型號，負載需要在360 kg 以上的機器人。且需通過下夾具將門檻抱住，防止作業(yè)時白車身左右竄動。

3 結束語

隨著新材料的應用及連接技術的革新，鋼鋁混合或者多種材料的混合式車身將是未來的趨勢，而新材料及新的車身結構對于生產線的工藝制備水平提出了更高的要求，本文提出的方法解決了鋼鋁車身混線生產的技術制約，實現(xiàn)鋼鋁車身柔性化混線生產，從而縮短了產品開發(fā)周期，減少了生產線設備投資，有助于未來多種材料混合式車身的總拼柔性技術的實現(xiàn)。