聚氨酯硬質(zhì)模型在重卡造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊文德，張盼，李佳，何毓，樊鋒濤，韓像宏

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710220）

引言

自1956 年以來，我國(guó)重卡經(jīng)過了60 余年的發(fā)展，特別在改革開放以來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)已成為重卡生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。重卡工業(yè)進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，隨之形成的整個(gè)重卡產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一。雖然目前國(guó)內(nèi)的重卡工業(yè)出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的跡象，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略來看，我國(guó)的重型卡車產(chǎn)品質(zhì)量和各方面的技術(shù)水平，同國(guó)際水平相比還有很大的差距。其中，在整個(gè)重卡產(chǎn)業(yè)鏈中，自主研發(fā)和創(chuàng)新能力還比較薄弱。

在重卡設(shè)計(jì)研發(fā)過程當(dāng)中，造型設(shè)計(jì)是整車研發(fā)過程中的一個(gè)重要組成部分，且占據(jù)著重要的地位，而硬質(zhì)模型制作又是重卡自主研發(fā)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在發(fā)達(dá)國(guó)家，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)已廣泛應(yīng)用到重卡設(shè)計(jì)工作中來，例如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、3D 打印技術(shù)等，但是在重卡造型設(shè)計(jì)過程中仍然保留硬質(zhì)模型制作這一環(huán)節(jié)，這就表明硬質(zhì)模型制作在重卡設(shè)計(jì)造型研發(fā)過程中，有著不可替代的地位和作用。硬質(zhì)模型能給項(xiàng)目決策層和設(shè)計(jì)人員在造型評(píng)審時(shí)提供一個(gè)真實(shí)的樣件，所以硬質(zhì)模型制作的好壞直接影響到造型方案的最終結(jié)果，同時(shí)它能夠大幅縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。

1 聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料

聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料是以異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發(fā)泡劑、催化劑、阻燃劑等多種助劑的作用下，通過專用設(shè)備混合，經(jīng)高壓噴涂現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡合成的高分子聚合物。聚氨酯泡沫有軟泡和硬泡兩種。軟泡為開孔結(jié)構(gòu)，硬泡為閉孔結(jié)構(gòu)。汽車內(nèi)飾應(yīng)用中以軟泡為主，它具有極佳的彈性、柔軟性、伸長(zhǎng)率和壓縮強(qiáng)度。聚氨酯硬質(zhì)泡沫是一種具有保溫與防水功能的新型合成材料，導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅 0.022～0.033W/(m*K)，在汽車制造、家具裝修、服裝等行業(yè)被廣泛應(yīng)用。汽車模型制作應(yīng)用以硬泡為主，見圖1。

圖1 聚氨酯硬質(zhì)泡沫板

2 聚氨酯硬質(zhì)模型功用

2.1 聚氨酯硬質(zhì)模型的定義

聚氨酯硬質(zhì)模型是指以聚氨酯硬質(zhì)泡沫為原材料，通過三軸銑削機(jī)，見圖2，依據(jù)造型設(shè)計(jì)師提供的三維數(shù)據(jù)加工出來的一種硬質(zhì)樣件模型。

圖2 三軸銑削機(jī)

2.2 聚氨酯硬質(zhì)模型的作用

其作用是在創(chuàng)意設(shè)計(jì)過程中給項(xiàng)目決策層及設(shè)計(jì)人員一個(gè)可實(shí)際感受的實(shí)體，進(jìn)行造型感官體驗(yàn)、功能布置驗(yàn)證及人機(jī)舒適性分析等。

2.3 聚氨酯硬質(zhì)模型的分類

聚氨酯硬質(zhì)模型按照制作比例分為小比例物理模型和全尺寸物理模型，在重卡造型設(shè)計(jì)中，小比例模型通常采用1：10，小比例模型的好處是可以快速完成制作，可以進(jìn)行及時(shí)修改，成本低廉，可以將造型設(shè)計(jì)師的想法快速進(jìn)行展示，以便開展下一步工作。全尺寸物理模型是指與真實(shí)部件尺寸一樣，嚴(yán)格按照制作部件輪廓曲線和尺寸進(jìn)行制作，任何一項(xiàng)細(xì)節(jié)的造型都要進(jìn)行推敲設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@個(gè)全尺寸物理模型是今后正式產(chǎn)品的依據(jù)。

3 聚氨酯硬質(zhì)模型制作工藝方法

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是硬質(zhì)模型制作的第一步，對(duì)硬質(zhì)模型制作的各個(gè)步驟都起到一個(gè)指導(dǎo)的作用，毛坯的制作由數(shù)據(jù)提供，模型安裝定位由數(shù)據(jù)定義，模型后處理特征由數(shù)據(jù)決定，所以數(shù)據(jù)對(duì)一個(gè)模型的制作有至關(guān)重要的意義。

以重卡某內(nèi)飾部件為例，根據(jù)造型設(shè)計(jì)師給出CAS 數(shù)據(jù)，模型師將CAS 數(shù)據(jù)導(dǎo)入CATIA，對(duì)面進(jìn)行檢查，看看是否有明顯的斷面、空洞，見圖3，對(duì)面的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，確保連續(xù)性，見圖4。

圖3 三維數(shù)據(jù)

圖4 連續(xù)性檢查

3.2 毛坯下料

將CATIA 數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)控加工編制軟件PowerMILL 中，計(jì)算毛坯尺寸，給出安全距離，計(jì)算完成所需毛坯尺寸，原材料選用壓制成型的聚氨酯硬質(zhì)泡沫板。根據(jù)計(jì)算尺寸取用合適聚氨酯泡沫板，用聚氨酯填充劑粘貼在加工平臺(tái)上，見圖5。

圖5 毛坯

3.3 數(shù)據(jù)編程

使用PowerINSPECT 軟件完成毛坯坐標(biāo)采集，見圖6，使用PowerMILL 軟件進(jìn)行粗加工和精加工程序編制，粗加工程序采用“三維區(qū)域清除模型”策略，見圖7，刀具選用?200-20球頭刀，步距10mm，內(nèi)切尺寸10mm，余量2mm，精加工程序采用“平行精加工”策略，見圖8，刀具選用?200-20 球頭刀，步距1mm，余量0mm。

圖6 坐標(biāo)采集

圖7 粗加工策略

圖8 精加工策略

3.4 機(jī)器加工

將編制好的粗加工策略和精加工策略導(dǎo)入三軸銑削機(jī)，首先進(jìn)行機(jī)器歸零、對(duì)刀，然后操作機(jī)器進(jìn)行加工，粗加工、精加工均選用直徑20 加長(zhǎng)球頭刀即可滿足造型評(píng)審需求。加工過程中，及時(shí)清理毛坯表面泡沫殘?jiān)?。此重卡?nèi)飾部件機(jī)器加工結(jié)束需求15 小時(shí)，粗加工需要8 小時(shí)，精加工6 小時(shí)，切除多余邊角需求1 小時(shí)。

3.5 模型后處理

此內(nèi)飾部件硬質(zhì)模型主要用于造型效果驗(yàn)證、人機(jī)舒適性及功能布置驗(yàn)證，模型后處理工藝較為簡(jiǎn)單。模型加工完成后，從機(jī)床上轉(zhuǎn)移到模型制作區(qū)域進(jìn)行精修處理，包含邊界的倒角、面的光順、分縫線的扣取等，表面可使用砂紙進(jìn)行輕輕打磨，內(nèi)腔進(jìn)行適應(yīng)性手工掏空，滿足裝配即可，表面噴涂黑色裝飾漆，此過程需要1 小時(shí)左右，見圖9。

圖9

3.6 模型安裝

硬質(zhì)模型噴漆完成后，作業(yè)人員在安裝過程中需佩戴白色光面手套，避免對(duì)模型表面造成損壞，安裝過程必須非常小心，不能將面刮傷，使用泡沫填充劑進(jìn)行固定粘貼，待泡沫填充劑凝固后進(jìn)行手工修補(bǔ)，可使用油泥進(jìn)行細(xì)節(jié)修正。

4 聚氨酯硬質(zhì)模型的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)分析

以聚氨酯硬質(zhì)泡沫進(jìn)行硬質(zhì)模型制作，總體來講，價(jià)格低廉，制作周期較短，能夠很好的等比例體現(xiàn)數(shù)模實(shí)體狀態(tài)。同時(shí)，造型效果比較逼真，制作工藝簡(jiǎn)單；模型比較輕便，便于移動(dòng)安裝，后期也不會(huì)出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。

4.2 缺點(diǎn)分析

以聚氨酯硬質(zhì)泡沫制作的硬質(zhì)模型相比較于油泥硬質(zhì)模型，不可進(jìn)行多次推敲設(shè)計(jì)，造型效果表面處理工藝也過于簡(jiǎn)單，與真實(shí)樣車在造型效果上有一定的差異，裝配間隙也難以控制，不可作為展覽的用途；同時(shí)，聚氨酯硬質(zhì)泡沫加工過程中廢料產(chǎn)生較多，對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

4.3 可行性提升點(diǎn)

利用三軸銑削機(jī)可切換刀頭的特點(diǎn)，部件造型細(xì)節(jié)加工使用?200-8 球頭刀，R 角制作更加符合數(shù)據(jù)要求，表面工藝可進(jìn)行刮膩?zhàn)印⒌灼釃娡?、面漆噴涂、表面覆膜等工藝處理，提升硬質(zhì)模型表面整體表現(xiàn)方式。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫材料的介紹，以及重卡某部件聚氨酯硬質(zhì)模型加工過程的闡述，通過對(duì)硬質(zhì)模型全加工工藝流程的梳理，從毛坯下料、數(shù)據(jù)編程、機(jī)器加工、模型后處理、模型安裝等工藝過程進(jìn)行具體描述，對(duì)于重卡產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累有著重要的意義。闡述了聚氨酯硬質(zhì)模型的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，進(jìn)而給出了聚氨酯硬質(zhì)模型制作的后期可行性提升點(diǎn)。