汽車軟工裝試制及夾具的開發(fā)

李達(dá)

（上汽通用五菱股份有限公司，廣西柳州545000）

0 引言

汽車開發(fā)設(shè)計是個系統(tǒng)性的工程。汽車開發(fā)主要分為項目方案策劃階段、概念設(shè)計階段、技術(shù)設(shè)計階段、樣件樣車生產(chǎn)和試驗階段、設(shè)計改進(jìn)和量產(chǎn)階段等階段，其中樣件樣車的試制生產(chǎn)階段是極其重要的一個階段。汽車樣車試制是由設(shè)計部門提供相關(guān)的圖樣、數(shù)模和產(chǎn)品描述，將設(shè)計通過試制方現(xiàn)有的設(shè)備生產(chǎn)出來，從而得到樣件、樣車。它把設(shè)計開發(fā)概念變成了具有使用價值的實際產(chǎn)品，是汽車新車型由設(shè)計到量產(chǎn)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，占據(jù)著重要地位。

焊接是汽車的四大工藝之一，在汽車行業(yè)競爭日益激烈的今天，軟工裝樣件的快速焊接制造成為行業(yè)面臨的共同問題。

1 汽車快速試制的發(fā)展趨勢

目前的樣件樣車試制行業(yè)逐步向?qū)I(yè)化、體系化的高質(zhì)量、低成本、短周期靠攏。

1）專業(yè)化。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，樣車試制行業(yè)已經(jīng)逐步脫離產(chǎn)品設(shè)計鏈，成為獨立的子產(chǎn)業(yè)。圍繞樣車試制，上下游產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)慢慢形成，各專業(yè)試制公司自身具備豐富的開發(fā)經(jīng)驗，有較強的研發(fā)能力，對于試制工裝完全可以自給自足地完成，并且擁有大型的加工設(shè)備，都不同程度地?fù)碛幸慌诵牡募庸す?yīng)商，整個產(chǎn)業(yè)密切合作，實現(xiàn)快速制造。目前的樣車試制開發(fā)周期已經(jīng)從5～6個月縮短為2～3個月，某種程度上也抬高了樣車試制行業(yè)的門檻。

與此同時，樣車試制也從傳統(tǒng)的碳鋼車身逐步向多元材料車身發(fā)展，輕量化材料（如鋁合金、高強鋼、復(fù)合材料等）越來越多地被運用到汽車車身中。這些對于汽車的試制也帶來了更多的挑戰(zhàn)。

2）體系化。TS16949/IATF16949質(zhì)量管理體系在國內(nèi)的整車廠、零部件配套廠已推廣多年，形成了穩(wěn)定的、完善的開發(fā)與質(zhì)量管控體系，保障了整個立項、開發(fā)、采購、制造、質(zhì)量、供貨等環(huán)節(jié)的有序運轉(zhuǎn)。

試制工作雖然定義為研發(fā)階段的工作，離產(chǎn)品的量產(chǎn)與穩(wěn)定供貨仍然有一定的周期，且TS16949/IATF16949對樣件樣車階段的工作規(guī)定極少，但現(xiàn)在的專業(yè)試制公司都有過汽車行業(yè)研發(fā)或者量產(chǎn)經(jīng)驗，對于TS16949/IATF16949體系了然于胸，將樣車試制作為一個小型的項目開發(fā)，相關(guān)的流程與質(zhì)量思維仍然適用。

因此，我國汽車樣件樣車的試制產(chǎn)業(yè)從第一批“吃螃蟹”的企業(yè)（即設(shè)備相對簡陋，制造工藝較簡單，家庭作坊式但又能夠依靠熟悉汽車車身設(shè)計開發(fā)、鈑金改善能力強的技工隊伍支撐，為國內(nèi)的整車企業(yè)提供最初的樣件樣車試制服務(wù)）起步，截至目前已經(jīng)完成了職業(yè)化、專業(yè)化、規(guī)?；耐懽?。

2 汽車快速焊接制造

軟工裝制造總的流程大致如圖1所示，焊接是其中重要的一個步驟。

2.1 軟工裝焊接線布局

焊接線隨著汽車的發(fā)展，由前期車身全為純手工打造，到逐漸出現(xiàn)工裝夾持車身進(jìn)行裝配焊接，均為固定式、單工位，沒有量產(chǎn)的概念，而且線上自動化的設(shè)備也幾乎沒有，基本上純靠工人的技巧來保證焊接車身的質(zhì)量。

圖1 軟工裝試制流程

目前的軟工裝焊接線主要有作坊式和流水線式。作坊式的試制生產(chǎn)線源自于早期的、不規(guī)范的汽車試制，且多以小型企業(yè)為主。與此對應(yīng)的是流水線式的試制線，主要源自汽車量產(chǎn)線的經(jīng)驗布置，更加規(guī)范、更加正規(guī)，但存在柔性化程度一般的缺陷。目前大多公司作坊式的試制生產(chǎn)線已經(jīng)淘汰，均采用流水線式的試制線，流水線式試制線由許多工位組成，每個工位進(jìn)行相同的工作內(nèi)容，以完成批量生產(chǎn)。

早期的流水線式試制線僅以單個工位工裝夾持，每個工位都需要人工進(jìn)行焊接，自動化程度很低，對操作人員的要求比較高，當(dāng)車型進(jìn)行更換后，還需要對生產(chǎn)線進(jìn)行更改，如圖2所示。

近年來，科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得機器人技術(shù)、自動化水平有了快速的提升，焊接線柔性化的概念開始興起，并且在汽車制造業(yè)競爭日益劇烈、車型更新?lián)Q代較快的推動下，許多汽車公司都在探索著焊接線柔性化的方向，即利用同一條汽車生產(chǎn)線，可以對多級別、多種車型進(jìn)行焊接試制，很大程度上減少了汽車公司更換車型時更改建設(shè)生產(chǎn)線的成本費用，實現(xiàn)“短周期”的試制制造，提高競爭力。因此在軟工裝焊接的過程中，很多公司都借鑒了柔性化的概念，如圖3所示。

軟工裝試制要求的節(jié)拍不高，遠(yuǎn)低于量產(chǎn)制造，柔性化焊接線的布局顯得緊湊，且成本較低。柔性化焊接線的特點主要為縮短更新開發(fā)周期，節(jié)省場地，降低成本。柔性化焊接線的使用可以節(jié)省設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試某一車型專用焊接線的時間，適用多個整車廠的多個車型，大大減少了生產(chǎn)線設(shè)計、建設(shè)的時間和成本。

圖2 流水線式焊接線

圖3 柔性化焊接線

2.2 快速制造夾具的開發(fā)

原先各大汽車主機廠針對每一款新車多借用量產(chǎn)開發(fā)思維，都要開發(fā)軟工裝夾具，并且多是采用一次性設(shè)計，延續(xù)性和兼容性很差。一款車型使用完只能報廢，不能沿用其他車型。這種重復(fù)設(shè)計和制造，大大增加了設(shè)計成本和開發(fā)成本，而且還嚴(yán)重影響了整個開發(fā)周期，拖慢開發(fā)進(jìn)度。專用焊接試制夾具如圖4所示。

圖4 專用焊接試制夾具

目前，汽車試制行業(yè)意識到量產(chǎn)思維的制造方式不適用于試制項目，已經(jīng)開始對夾具進(jìn)行柔性化設(shè)計與制造，逐步運用在量產(chǎn)汽車零部件及總成、試制汽車零部件及總成中，組合夾具可體現(xiàn)出柔性化的思維。

組合夾具的核心思想是，基于夾具標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，采用一整套根據(jù)經(jīng)驗在開發(fā)前已經(jīng)制造好的標(biāo)準(zhǔn)夾具零部件[1]，面向各類產(chǎn)品零部件，根據(jù)需求裝配而成各類專用夾具，夾具使用完畢后，再拆散成元件和組件。尺寸具有完全互換性及可重復(fù)使用，是這類夾具的共同特征之一。組合夾具是一套預(yù)先制造好的、具有不同規(guī)格、不同形狀、不同尺寸，具有完全互換功能的標(biāo)準(zhǔn)元件系統(tǒng)，是由可重復(fù)使用的夾具標(biāo)準(zhǔn)零部件和專用零部件之間互相搭配組合而成的[2]，如圖5所示。

汽車試制組合夾具有較高的幾何尺寸精度、較高的硬度和耐磨性，元件的平均使用壽命在10 a以上。組裝時，夾具結(jié)構(gòu)能滿足各種異型零件的加工要求。使用后，可拆卸、清洗、入庫，以備組裝新的夾具。

快速試制夾具便于組裝拆卸，能夠適用于較多的零部件，具有良好經(jīng)濟效益，符合現(xiàn)代生產(chǎn)的環(huán)境保護要求，其特點主要為以下幾個方面：

圖5 柔性化快速試制夾具

1）縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，降低成本。組合夾具將各種夾具元件靈活地組合起來，節(jié)省了大量的設(shè)計、制造、調(diào)試時間，產(chǎn)品產(chǎn)出效率得到了較大的提高。對于那些新車型開發(fā)、試制項目較多的汽車工廠，若是通過傳統(tǒng)的方法，制造多個車型所對應(yīng)的專用工裝，這樣不僅成本較高，接近甚至超過制造一套柔性組合工裝，而且新車型的專用工裝在項目完成之后，使用程度將會大大減少甚至閑置不用，造成了資源的極大浪費。而組合的柔性化試制夾具就很好地克服了這一缺點，可以重復(fù)使用，一方面能節(jié)省夾具制造的時間和費用，另一方面又能減少夾具庫存量和倉儲保管費用，大大降低了生產(chǎn)成本。

2）提高生產(chǎn)率。采用組合夾具完成工藝過程，可大幅度降低組裝時間，減少了生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，大大提高了生產(chǎn)效率。

3 國內(nèi)軟工裝試制供應(yīng)商

我國汽車樣車制作產(chǎn)業(yè)，伴隨著我國汽車市場推出新車型和改進(jìn)車型增多，自主品牌的市場表現(xiàn)越來越強勢，根據(jù)產(chǎn)業(yè)體系中社會分工的需要[3-5]，樣車試制越來越多地分包出給專業(yè)的制作公司，以便汽車設(shè)計公司和整車企業(yè)把更多精力投入到產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中。

汽車行業(yè)中領(lǐng)先的樣車試制企業(yè)有廣西艾盛創(chuàng)制科技有限公司、上海菲格瑞特汽車科技股份有限公司、中源汽車零部件（大連）股份有限公司等，上述企業(yè)的共同點是試制與研發(fā)結(jié)合密切。自主創(chuàng)新是未來中國汽車企業(yè)必須走的一條道路，中長期發(fā)展如果沒有自主創(chuàng)新，后續(xù)的企業(yè)發(fā)展將面臨很大的問題。研發(fā)創(chuàng)新的支持才能使得試制行業(yè)內(nèi)的佼佼者能夠脫穎而出。

4 結(jié)語

我國是汽車生產(chǎn)和銷售的大國，但是距離汽車技術(shù)強國仍然任重道遠(yuǎn)。現(xiàn)在從國家到汽車企業(yè)都十分關(guān)注自主創(chuàng)新能力，原有的“以市場換技術(shù)”的觀念也都已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，開始了自主創(chuàng)新之路。對于產(chǎn)業(yè)升級，應(yīng)保持對行業(yè)的研發(fā)投入，對于研發(fā)與試制過程進(jìn)行持續(xù)改善，以提升我國汽車車身試制的整體核心競爭力。在目前的基礎(chǔ)上，我國汽車樣車試制已積累了許多基礎(chǔ)，后續(xù)需要提升試制的效率，縮短試制的周期，即繼續(xù)深化“短周期、低成本、高質(zhì)量”的試制開發(fā)過程，是后續(xù)研究重點。