淺談儀表板橫梁支架產(chǎn)品開發(fā)

粟鴻光

摘 要：對(duì)儀表板橫梁支架產(chǎn)品開發(fā)過程中各個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行了歸納與剖析，總結(jié)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析和焊接總成調(diào)試，結(jié)合某個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品開發(fā)實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)論述，對(duì)儀表板橫梁支架產(chǎn)品開發(fā)有較高應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 性能 焊接 調(diào)試

汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過一百多年的發(fā)展，已經(jīng)成為全球性經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)，也成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉币徊糠諿1]。在汽車眾多的零部件當(dāng)中，相對(duì)比較重要部件之一儀表板橫梁支架CCB（Cross Car Beam）。CCB將駕駛艙系統(tǒng)與車身緊固在一起，它擔(dān)負(fù)著儀表板總成、空調(diào)、轉(zhuǎn)向管柱、線束和安全氣囊等重要子系統(tǒng)，并為很多與控制相關(guān)的電子模塊提供安裝接口，包括組合儀表、保險(xiǎn)絲盒和空調(diào)控制模塊等[2]。本文基于承接整車廠某款車型CCB產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)制造，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能和焊接總成調(diào)試三大方面進(jìn)行闡述。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

CCB承載駕駛座艙系統(tǒng)總成， 其主要零部件如圖1所示，采用四點(diǎn)式與車身固定方式。

1.1 材料選型

CCB材料多為低碳鋼或低合金鋼，其強(qiáng)度與接觸剛度是其性能的重要指標(biāo)[3]。CCB橫梁多采用無縫圓管材料，通?？蛇x型號(hào)Q215、Q235B、DC01，綜合制造、性能和成本考慮，橫梁采用Q235B材料，其他各支架的材料選用DC01，支架的板厚根據(jù)支架載荷計(jì)算剛性和強(qiáng)度而定，通常選定2mm、1.5mm、1.2mm三種規(guī)格，儀表板左右側(cè)端板、轉(zhuǎn)向立柱安裝支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求比較高選用2mm厚板件，其他支架板厚通常為1.2mm。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

整車廠基本上已完成CCB產(chǎn)品設(shè)計(jì)，零部件廠設(shè)計(jì)開發(fā)工作對(duì)所承接的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，主要對(duì)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)、材料利用率和零件通用性最大化，結(jié)合可制造性工藝需求。360模塊安裝支架合件優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比，提升材料利用率85.5%，零件減重0.27Kg，優(yōu)化焊接工藝，零件模塊化集成度更高，其產(chǎn)品性能更優(yōu)。通過這種類似結(jié)構(gòu)優(yōu)化，CCB原材料利用率綜合提升7.6%，整體減重1.05Kg。對(duì)本案CCB中26個(gè)連接小支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)性分析，找出4組結(jié)構(gòu)類似，其尺寸相差不多，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所開發(fā)小支架數(shù)量由26個(gè)變成18個(gè)，模具開發(fā)成本降低2%，零件通用性增強(qiáng)。

2 產(chǎn)品性能分析

本案采用Hyperworks軟件對(duì)儀表板支架總成進(jìn)行靜剛度、強(qiáng)度、模態(tài)、模態(tài)靈敏度等CAE（Computer Aided Engineering）分析，通過模態(tài)和強(qiáng)度分析，為CCB結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

通過CAE分析，理論上論證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可行性，同時(shí)在半工裝階段加大實(shí)物驗(yàn)證。CCB總成件剛性和強(qiáng)度試驗(yàn)，采用正上方加載500N，中間連接支架單點(diǎn)和橫梁上6個(gè)均布加載兩種情況，中間支架連接安裝點(diǎn)位移量要求≦1.5mm，仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本上吻合。

CCB支架上的轉(zhuǎn)向管柱安裝支架承載轉(zhuǎn)向管柱，其結(jié)構(gòu)剛性和強(qiáng)度要求較高，轉(zhuǎn)向管柱安裝支架與母材管柱的焊縫焊接拉力、剪切力分別≥2500N，焊縫不允許出現(xiàn)裂紋、開裂等焊縫異?，F(xiàn)象。CCB焊接質(zhì)量通過破壞性驗(yàn)證，焊縫熔深和金相檢驗(yàn)，均滿足要求。

3 產(chǎn)品焊接總成調(diào)試

3.1 焊接工藝規(guī)劃

產(chǎn)品工藝規(guī)劃基于產(chǎn)品GD&T（GeometricDimentionand Tolerance）、生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品可制造性工藝策劃。首先了解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、GD&T基準(zhǔn)和零件搭接關(guān)系，左/右端板是整個(gè)CCB基準(zhǔn)，兩個(gè)左右端板通過橫梁連接，作為CCB工藝主體結(jié)構(gòu)，其他支架按焊接工序和生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行分解，同時(shí)遵循工藝集成模塊化原則。左/右端板各有8個(gè)部件有尺寸關(guān)聯(lián)性和相互搭接，中間連接支架有5個(gè)部件有尺寸關(guān)聯(lián)性和相互搭接，其他20個(gè)小支架相對(duì)獨(dú)立，根據(jù)以上信息，對(duì)產(chǎn)品工藝組合，左/右端板8個(gè)部件焊接成一個(gè)小總成，中間連接支架5個(gè)支架焊接成一個(gè)小總成件，形成3個(gè)小總成模塊工藝集成，其他支架根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍和夾具可設(shè)計(jì)空間合理安排工序，焊接工序上優(yōu)先基準(zhǔn)定位部件，這樣便于焊接過程尺寸調(diào)試。

減少后期產(chǎn)品尺寸調(diào)試。

3.2 焊接工藝調(diào)試

CCB制造工藝鎖定之后，相對(duì)不會(huì)有大調(diào)整，關(guān)鍵在于焊接工法調(diào)試。焊接工藝調(diào)試過程分成兩個(gè)階段，半工裝和全工裝調(diào)試。半工裝主要目的驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)、焊接工藝和焊接總成尺寸，驗(yàn)證過程中所有零件是符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按正式量產(chǎn)的設(shè)備、夾具、檢具、焊接工藝和過程參數(shù)驗(yàn)證，最關(guān)注是焊接尺寸和焊縫熔深質(zhì)量，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)上不會(huì)有設(shè)變。采用弧焊焊接，焊接變形不可避免發(fā)生，焊接尺寸很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要最大程度減少焊縫和提升焊縫熔深質(zhì)量，杜絕補(bǔ)焊。本案中CCB經(jīng)過5次以上焊縫破壞性試驗(yàn)論證，累計(jì)減少設(shè)計(jì)焊縫510mm，形成不同支架搭接形成焊縫結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為后期CCB產(chǎn)品開發(fā)奠定焊縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。要獲得好的一次性焊縫熔深，零件之間配合間隙盡量控制在≥1mm內(nèi)，要求工件公差控制在正負(fù)0.5mm。最后機(jī)器人焊接可達(dá)性和姿態(tài)最佳性，也是獲得焊接質(zhì)量關(guān)鍵因素。夾具設(shè)計(jì)滿足零件定位原則前提下，確保焊接空間最大化和夾具可調(diào)整性，夾具設(shè)計(jì)完成后，必須機(jī)器人焊接仿真分析，遵循焊接姿態(tài)以焊槍與焊縫保持30°～50°之間，最好角度為45°，避免仰焊，最大程度上減少焊槍與夾具干涉，確保焊槍最佳姿態(tài)。

通過半工裝階段充分論證，除了因?yàn)樾阅茉囼?yàn)需局部產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要問題聚焦總成尺寸合格率，其原因不可避免的焊接變形，零件實(shí)際制造和配合公差問題所導(dǎo)致，半工裝階段產(chǎn)品尺寸合格率在≦60%以下。全工裝根據(jù)半工裝驗(yàn)證結(jié)果而優(yōu)化，需要產(chǎn)品設(shè)變，主要受影響制造工藝：零件落料模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。CCB零件結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，采用落料、成型、沖孔和切邊等沖壓幾道序即可滿足產(chǎn)品尺寸要求，在半工裝階段，CCB零件落料模具通常不設(shè)計(jì)制造，零件落料工序采用線切割或激光切割，待半工裝驗(yàn)證結(jié)束后，落料模具根據(jù)零件實(shí)際制造公差，以及焊接變形所需實(shí)配參數(shù)而定。CCB中設(shè)計(jì)橫梁圓管為紫色，黑色為逆向獲取的焊后橫梁變化，焊后橫梁向上彎2.8mm ，最大變形量出現(xiàn)在豎直向偏17度處偏3mm，依據(jù)焊接變形變化和零件之間配合間隙要求，對(duì)零件結(jié)構(gòu)設(shè)變，本案中優(yōu)化12個(gè)零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來實(shí)配產(chǎn)品尺寸，產(chǎn)品尺寸一次性合格率可達(dá)≧85%。

4 結(jié)語

CCB產(chǎn)品開發(fā)，關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和焊接工藝規(guī)劃，以及過程焊接工法和階段性驗(yàn)證，為后續(xù)CCB產(chǎn)品開發(fā)提供重要的成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。不足之處，產(chǎn)品開發(fā)周期相對(duì)較長，實(shí)物驗(yàn)證較多，后期加大CAE分析，進(jìn)行焊縫優(yōu)化和焊接變形分析，減少過程實(shí)物驗(yàn)證和開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)：

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