低成本車身精益試制方案及工藝方法

魏晨雯 吳云騰 李鋒

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司）

汽車市場(chǎng)車型更新迭代、層出不窮，考慮到全新車型開發(fā)成本高、時(shí)間周期長(zhǎng)等因素，越來(lái)越多的車企選擇在已有車型上做精益化試制。精益化試制首先在車輛外形上要滿足改制需求，做到尺寸保證。其次，在強(qiáng)度方面達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)，為后續(xù)試驗(yàn)提供保障，因此極為考驗(yàn)改制方案的制定。文章主要介紹了車輛加長(zhǎng)的精益化試制工藝方案，以及車身加長(zhǎng)尺寸保證、零件定位方式的夾具結(jié)構(gòu)。

1 車身改制

車身改制是指在某款已有車型上進(jìn)行切割、加長(zhǎng)或其他更改的操作方式，為新結(jié)構(gòu)車型提供樣車模型。案例原方案為全新開發(fā)造車，但考慮到全新造車開發(fā)周期長(zhǎng)、零件成本高、人工工時(shí)長(zhǎng)，因此采用一種精益化試制的造車方式，在原有車型上做精益化改制[1]?？紤]到不能破壞原車強(qiáng)度，同時(shí)要滿足改制需求，只能借助原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此對(duì)工藝的要求較高。此外，保證重要連接硬點(diǎn)的尺寸也是難點(diǎn)之一[2]。

1.1 工藝方案指定

該款車使用某大型SUV作為BASECAR，旨在通過(guò)精益化改制實(shí)現(xiàn)車身軸距加長(zhǎng)230 mm，完成SUV到皮卡的變身。同時(shí)后懸機(jī)構(gòu)也根據(jù)皮卡車輛性能更換成其他多連桿機(jī)構(gòu)。原車車身長(zhǎng)4 700 mm，寬1 865 mm，軸距2 710 mm。焊接夾具定位后精確切割車身，通過(guò)夾具的滑軌機(jī)構(gòu)[3]將中地板區(qū)域X方向拉長(zhǎng)230 mm，再拼接零件完成車身加長(zhǎng)，最終軸距達(dá)到4 930 mm。涉及區(qū)域包括車身側(cè)圍內(nèi)外鈑金、中地板區(qū)域、中央通道后端、門檻內(nèi)外鈑金及內(nèi)加強(qiáng)板、車頂?shù)?。改制后更換新結(jié)構(gòu)的后懸匹配皮卡車輛性能，通過(guò)一體化焊接夾具改變左右后縱梁及輪罩區(qū)域的連接硬點(diǎn)。

1.1.1 切割方式及位置

切割位置是工藝方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，需要考慮多方面因素。既要保留車身原始動(dòng)力學(xué)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，盡可能使原有零件狀態(tài)完整，給改制車身提供剛度與強(qiáng)度的保障。同時(shí)也要為后續(xù)加長(zhǎng)零件連接提供足夠的空間與結(jié)構(gòu)，滿足焊接的可操作性?？紤]到側(cè)圍內(nèi)外鈑金、門檻內(nèi)部結(jié)構(gòu)及加長(zhǎng)后曲率不同，針對(duì)各個(gè)部位分別選擇不同位置實(shí)施切割，如圖1所示。

圖1 車身軸距加長(zhǎng)區(qū)域示意圖

相較于其他部位拼接，側(cè)圍上邊梁加長(zhǎng)存在曲率不等、連接不暢的型面問(wèn)題，同時(shí)衍生出零件搭接困難。因此選擇切割點(diǎn)時(shí)尋找較為平坦、內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的區(qū)域，沿車身坐標(biāo)X=3 634 mm位置切開。考慮到側(cè)圍上邊梁內(nèi)板與外板3層搭接的連接方式，工藝上將切割口設(shè)計(jì)成凸字型，預(yù)留足夠空間方便后續(xù)鈑金搭接。側(cè)圍內(nèi)板兩側(cè)切割線在X=3 634 mm基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展50 mm，外板兩側(cè)切割線向外擴(kuò)展30 mm。

門檻處較為平坦，但不同于側(cè)圍上邊梁，門檻內(nèi)部有上下2個(gè)長(zhǎng)為1 564 mm的CR-980T超高強(qiáng)度的角鋼加強(qiáng)。工藝設(shè)計(jì)時(shí)考慮切割高強(qiáng)鋼會(huì)破壞車身強(qiáng)度且操作困難，因此回避此處并尋找角鋼尾端，即后縱梁的前端X=3 534 mm處做拼接點(diǎn)。門檻外板兩側(cè)在切割口處向外擴(kuò)展30 mm作為切割線，側(cè)圍外板向外擴(kuò)展60 mm作為切割線，形成階梯切口，以便于加長(zhǎng)件連接，如圖2所示。

圖2 側(cè)圍門檻內(nèi)部結(jié)構(gòu)

前地板及中通道區(qū)域根據(jù)原車與后地板搭接位置，將其與4號(hào)梁搭接處焊點(diǎn)鑿開再加長(zhǎng)。車頂在距離上邊梁切割基準(zhǔn)的前、后80 mm處開始切割，這樣的工藝不僅可以預(yù)留出車頂焊接空間，同時(shí)對(duì)側(cè)圍過(guò)渡板、上邊梁內(nèi)板都預(yù)留出足夠的點(diǎn)焊空間，不需要額外增加開孔塞焊，操作及強(qiáng)度上做到最優(yōu)。

1.1.2 車身拼接工藝

側(cè)圍處改制較為復(fù)雜，原車結(jié)構(gòu)為3層鈑金，如圖3所示，其中上邊梁結(jié)構(gòu)形狀為幾字形，搭接在前后斷面處的零件因內(nèi)徑減少一層壁厚，新增的零件型面不同，無(wú)法從原車上截取，同時(shí)考慮到材料為CR980T的高強(qiáng)鋼，手工樣件成型難度較大，因此使用開軟模的方式制作。通過(guò)切割時(shí)預(yù)留的30 mm使新內(nèi)板加長(zhǎng)件與原內(nèi)板搭接起來(lái)，此處前后各設(shè)計(jì)8個(gè)焊點(diǎn)加強(qiáng)連接。

圖3 側(cè)圍上邊梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)

側(cè)圍外板通過(guò)與切割處焊接過(guò)渡板來(lái)實(shí)現(xiàn)連接，外板在原車上截取尺寸型面相似零件，兩側(cè)去倒刺毛邊。按照加長(zhǎng)部位的尺寸并加以輔型定位，如圖4所示。操作中需多預(yù)留一定的尺寸結(jié)構(gòu)，保證上件后前后連接無(wú)斷面情況。前后共計(jì)16個(gè)焊點(diǎn)，通過(guò)打孔塞焊的方式連接。

圖4 側(cè)圍上邊梁加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)

側(cè)圍內(nèi)板與外板為鈑金CR4，考慮到軟模成型成本高、開模耗時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)與原車側(cè)圍曲率相似，零件材料易整形，更為了保證裝配精度，最終選擇在原車的側(cè)圍上截取相似位置的零件做加長(zhǎng)處的拼接。工藝連接方式在拼接與搭接中選擇前者，因其強(qiáng)度更高。設(shè)計(jì)焊接點(diǎn)時(shí)預(yù)留足夠搭接位置以保證連接強(qiáng)度及力學(xué)性能傳遞，此處設(shè)計(jì)為雙排焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)，因此在外板內(nèi)側(cè)增加100 mm過(guò)渡板。因操作空間受限，焊點(diǎn)位置焊槍不可達(dá)，因此改為開孔6 mm塞焊，然后進(jìn)行A面打磨。隨后將側(cè)圍內(nèi)板中將加強(qiáng)角鋼以點(diǎn)焊形式加固，完成側(cè)圍外板、上邊梁焊接，最后將側(cè)圍內(nèi)板與其他鈑金焊接在一起，起到封層作用。為了保證連接強(qiáng)度，主要使用點(diǎn)焊的形式，但局部由于內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，且工藝設(shè)計(jì)時(shí)上件狀態(tài)為4層鈑金疊加，側(cè)面點(diǎn)需要使用打孔塞焊的方式連接。車身左右側(cè)圍相對(duì)應(yīng)的區(qū)域都做相同工藝設(shè)計(jì)。

門檻處為3層鈑金結(jié)構(gòu)，門檻內(nèi)板加長(zhǎng)遵循原車狀態(tài)，零件本身使用GMW3399M-ST-S-CR980T/700Y材料，門檻強(qiáng)度通過(guò)保留零件加強(qiáng)筋特征來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此選擇使用軟模零件。零件總長(zhǎng)度265 mm，預(yù)留35 mm作為與后縱梁搭接邊，通過(guò)4個(gè)焊點(diǎn)連接。在內(nèi)部上下分別增加高強(qiáng)角鋼做支撐，高強(qiáng)角鋼為自制折彎件，外部連接處增加長(zhǎng)度100 mm，材料為GMW3399M-ST-S-CR980T/700Y-MP-LCE-HD60G60 G-U超高強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)搭接件。因此，設(shè)計(jì)39個(gè)2層焊點(diǎn)，前與補(bǔ)強(qiáng)件、后與后縱梁搭接處設(shè)計(jì)15個(gè)3層焊點(diǎn)來(lái)保證強(qiáng)度。

門檻外板方案同樣使用自制折彎件過(guò)渡板連接，門檻外板與側(cè)圍外板間隙過(guò)小，因此采用在門檻外板內(nèi)部增加過(guò)渡板的形式。切割分離點(diǎn)設(shè)置在后縱梁底部的內(nèi)部加強(qiáng)連接點(diǎn)處，為避讓該特征工藝，設(shè)計(jì)為半邊過(guò)渡，同時(shí)為前后連接的雙排焊點(diǎn)預(yù)留長(zhǎng)度100 mm的操作空間。為還原原車狀態(tài)，該零件與門檻外板材料相同，使用GMW3032M-ST-S-420LA制作折彎零件。連接前端設(shè)計(jì)為10個(gè)焊點(diǎn)，后端過(guò)渡板設(shè)計(jì)為5個(gè)焊點(diǎn)連接。

過(guò)渡板連接后，門檻外板再上件。使用980T自制高強(qiáng)鋼折彎件，與過(guò)渡板連接處由于中空結(jié)構(gòu)，采用開孔塞焊方式，共計(jì)20個(gè)焊點(diǎn)。下方與內(nèi)板連接處采用15個(gè)點(diǎn)焊的方式連接，連接前預(yù)留一定尺寸，匹配前后切割處，保證連接平滑無(wú)斷面。不同于側(cè)圍上邊梁，門檻外板為半包結(jié)構(gòu)，加長(zhǎng)狀態(tài)與上邊梁結(jié)構(gòu)不同。側(cè)圍外板焊接尺寸也同樣需要兩側(cè)過(guò)渡板作為支撐，此時(shí)門檻外板與側(cè)圍僅存在4.25 mm的操作空間，利用切割時(shí)設(shè)計(jì)的側(cè)圍階梯型斷面作為輔型，制作自制折彎件與原車門檻外板持平，如圖5 a所示。側(cè)圍外板鈑金兩端與切割面匹配焊接，中部與加長(zhǎng)門檻內(nèi)板及門檻外板塞焊連接。外觀面保持完整性，無(wú)明顯的斷面，如圖5 b所示。

圖5 門檻外板加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)

車頂部位零件較為平整，曲率變化量不大，因此截取原車零件。零件前后采用對(duì)接，兩端與側(cè)圍為T型連接方式。為防止后期漏水等問(wèn)題，上件前零件涂上密封膠，四周再使用燒焊方式連接。

2 夾具定位

焊接夾具通常包括柔性平臺(tái)、過(guò)渡連接板、角支架及上方夾頭。通過(guò)定位基準(zhǔn)塊及定位銷將零件精準(zhǔn)定位。焊接平臺(tái)需要滿足柔性特質(zhì)，具備夾頭靈活可調(diào)節(jié)、定位基準(zhǔn)塊尺寸精準(zhǔn)的要求。

2.1 白車身定位夾具

針對(duì)該項(xiàng)目切割后加長(zhǎng)的需求，將夾具設(shè)計(jì)為切割定位-加長(zhǎng)為一體的可滑移結(jié)構(gòu)[4]，既能起到切割時(shí)固定、支撐車身的作用，還能精確控制車身加長(zhǎng)尺寸，繼而完成后續(xù)拼接。而更換后懸結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的連接硬點(diǎn)變化，根據(jù)改制需求，也考慮到BASE利用空間，將這一部分做到同一序夾具上，如圖6所示。

圖6 車身軸距加長(zhǎng)焊接工裝

白車身通過(guò)夾具平臺(tái)上的主定位銷，對(duì)應(yīng)車身上六大基準(zhǔn)孔定位將車身固定[5]。首先將夾具滑移機(jī)構(gòu)定位在車輛原始狀態(tài)，即滑移機(jī)構(gòu)后端與中部止擋塊完全貼合狀態(tài)，并通過(guò)左右兩側(cè)止位銷固定。主銷由于定位部位均在前后縱梁上，這種縱梁的空腔結(jié)構(gòu)使得傳統(tǒng)主銷僅能起到定位作用，無(wú)法兼?zhèn)鋳A緊功能。考慮到定位夾緊集成在同一銷頭上，因此在設(shè)計(jì)時(shí)使用鉤銷方式完成一體化夾緊，如圖7所示。零件放入前手柄提起，此時(shí)銷頭內(nèi)部鉤狀壓頭藏于銷體內(nèi)部，便于零件放置到位。完成定位后壓下手柄，鉤銷于兩側(cè)落下完成夾緊。

圖7 主定位銷鉤銷結(jié)構(gòu)

2個(gè)前艙夾頭從前艙內(nèi)側(cè)向外定位前縱梁Z方向，為防止切割時(shí)中通道及地板面板受力造成的局部變形，增加支撐柱。定位完成后使用激光投影設(shè)備在白車身上投影線條，切割后手動(dòng)拉長(zhǎng)夾具，加長(zhǎng)車身230 mm，即滑移機(jī)構(gòu)與前端止擋塊完全重合，并通過(guò)左右兩側(cè)止位銷固定?？紤]到空間利用率及夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化，以及后懸零件更換導(dǎo)致的硬點(diǎn)改制，采用斜上方滑軌的方式，通過(guò)銷連接套筒將零件固定在夾頭上方，推動(dòng)夾具滑移機(jī)構(gòu)至夾具上孔與過(guò)渡板上定位孔同心后使用止位銷鎖緊。

3 結(jié)論

精益化試制方案是結(jié)合不同改制需求，在現(xiàn)有車型上完成的新方案的試制。這種試制方法既能實(shí)現(xiàn)新車型結(jié)構(gòu)搭建，完成新功能上線，又可以降低制造成本，壓縮開發(fā)周期。精益化試制前期方案的制定對(duì)于后續(xù)車身強(qiáng)度、尺寸控制及可操作性都有極大影響。該項(xiàng)目采用精益化試制替代全新開發(fā)造車，實(shí)現(xiàn)了軸距加長(zhǎng)。文章總結(jié)了車身加長(zhǎng)的改制方法，尤其針對(duì)封閉多層且高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)完成拼接?？梢詫⑦@套方法運(yùn)用于后續(xù)精益化試制的加長(zhǎng)加寬、油車改電車的改制中。