汽車檢具輕量化應(yīng)用探討

溫培康

摘 要：本文從檢具常用典型結(jié)構(gòu)材料對(duì)比分析，得出不同使用條件和需求下，如何選擇檢具材料來(lái)實(shí)現(xiàn)檢具輕量化;并且從檢具檢測(cè)型塊、支撐柱和底座這三大塊著手，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分析，從而實(shí)現(xiàn)檢具輕量化。最后，結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況，總結(jié)出檢具輕量化應(yīng)用的建議方案。

關(guān)鍵詞：檢具;輕量化;材料;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

目前，中國(guó)汽車產(chǎn)銷量已經(jīng)連續(xù)十年蟬聯(lián)全球第一，屬于全球汽車產(chǎn)銷大國(guó)。國(guó)內(nèi)家庭基本都擁有一輛或以上汽車，連農(nóng)村的小巷都停滿汽車。隨著居民生活質(zhì)量的提高，對(duì)于汽車，除了作為交通工具，品質(zhì)也有更高的要求。在汽車開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中，汽車檢具就是一種高效的品質(zhì)管控專用工具。汽車由成千上萬(wàn)個(gè)零件組成，分別由汽車廠和零部件供應(yīng)商組成的產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)品質(zhì)問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)品質(zhì)問(wèn)題，檢具就是一種很好的品質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)，以幫助問(wèn)題的分析。這可能會(huì)導(dǎo)致零部件供應(yīng)商需要把檢具運(yùn)輸?shù)狡噺S檢證。檢具也需要定期到三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x復(fù)測(cè)精度。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期，需要把產(chǎn)品裝到檢具，搬到三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行全尺寸測(cè)量。這些都會(huì)導(dǎo)致檢具在汽車廠或者零部件供應(yīng)商內(nèi)部移動(dòng)，搬運(yùn)。故品質(zhì)人員非常關(guān)注檢具的重量，要求輕量化，搬運(yùn)便利性。本文針對(duì)檢具輕量化需求和發(fā)展趨勢(shì)，從檢具材料和結(jié)構(gòu)工藝兩方面進(jìn)行探討分析。

2 檢具基本介紹

檢具是用以檢查復(fù)雜形狀零件的孔位、外周形狀、段差、出入量等尺寸的專用治具。汽車檢具按照被檢測(cè)零件材質(zhì)主要分為金屬件檢具和塑料件檢具。檢具按照結(jié)構(gòu)主要分為夾緊機(jī)構(gòu)、定位銷、檢測(cè)銷、檢測(cè)型塊、底座、滑動(dòng)或者翻轉(zhuǎn)式檢測(cè)機(jī)構(gòu)、手持檢規(guī)、校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)以及支撐柱。檢具底座主要有框架式底座和板式底座兩種。圖1為簡(jiǎn)單檢具的示意圖。

3 檢具材料輕量化

傳統(tǒng)檢具一般使用45號(hào)鋼作為主要材質(zhì)，雖然其強(qiáng)度高，耐用，但是伴隨而來(lái)就是笨重，移動(dòng)性差。隨著輕量化概念的普及和輕量化技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多新型材料被研發(fā)并投入到檢具制造中，例如，鋁合金、合成樹(shù)脂、電木和碳纖維等。表1列出了檢具常用典型結(jié)構(gòu)材料的密度和強(qiáng)度。從表中的材料密度可以看出，新型材料比結(jié)構(gòu)鋼的密度低很多，能實(shí)現(xiàn)檢具的輕量化。

從檢具的結(jié)構(gòu)分類看，檢測(cè)型塊、支撐柱和底座占據(jù)檢具的大部分重量，故檢具輕量化主要從這三塊著手。檢測(cè)型塊只是檢測(cè)產(chǎn)品的尺寸，產(chǎn)品在檢具上裝夾好時(shí)，產(chǎn)品和檢測(cè)型塊是有間隙的（通常為3mm間隙），而且檢測(cè)型塊不需要承受其他零件的重量，所以檢測(cè)型塊強(qiáng)度要求不高，不需要做得太大。但是產(chǎn)品在檢具裝拆過(guò)程中可能會(huì)碰到檢測(cè)型塊，故針對(duì)不同類型產(chǎn)品和工廠環(huán)境條件，檢測(cè)型塊強(qiáng)度和硬度要求不一樣，主要有以下兩種情況：第一，對(duì)于金屬類產(chǎn)品，工廠環(huán)境較差，產(chǎn)品在裝拆過(guò)程中容易碰到檢具，建議檢測(cè)型塊選擇結(jié)構(gòu)鋼，保證強(qiáng)度和耐磨性。如果有輕量化要求，工廠環(huán)境條件較好的，檢測(cè)型塊可以選擇鋁合金減重。如果對(duì)檢測(cè)型塊耐磨性有要求，鋁合金可以做陽(yáng)極硬化處理。如果對(duì)輕量化要求很高，工廠配有專門的檢具測(cè)量房，可以選擇代木材料。常用代木材料牌號(hào)有460和5166，460代木比較輕，硬度不高，適合臨時(shí)檢具使用;量產(chǎn)正式檢具建議選擇密度較高，硬度較高的5166代木。第二，對(duì)于塑料類產(chǎn)品，由于其本身較軟，檢測(cè)型塊可以選擇鋁合金或者代木來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化。同理，工廠環(huán)境較差，建議檢測(cè)型塊選擇鋁合金;如果輕量化要求較高，工廠環(huán)境條件較好的，檢測(cè)型塊可以選擇代木進(jìn)一步減重。

支撐柱主要在定位塊、檢測(cè)型塊、夾緊等機(jī)構(gòu)和底板之間起連接作用。支撐柱需要承受其上面連接的定位塊、檢測(cè)型塊和夾緊等機(jī)構(gòu)的重量，故對(duì)支撐柱強(qiáng)度有一定的要求，需要保證有足夠的強(qiáng)度。如果支撐柱上面的機(jī)構(gòu)較大和較重，那么建議支撐柱選擇結(jié)構(gòu)鋼材料。一般情況下，支撐柱可以選擇鋁合金來(lái)減重。

檢具底座是要支撐檢具上所有零件和產(chǎn)品，并且要保證自重下，底板四個(gè)角的測(cè)量基準(zhǔn)的平面度在0.1mm，故對(duì)底座的強(qiáng)度有非常高的要求，需要保證足夠的抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。底座一般選擇結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金、電木和碳纖維這4種強(qiáng)度較高的材料。第一種情況，檢具檢測(cè)型塊材質(zhì)為結(jié)構(gòu)鋼，支撐柱材質(zhì)為鋼材或者鋁合金時(shí)，底座需要承受的重量是很大的，這時(shí)檢具底座必須選擇結(jié)構(gòu)鋼。第二種情況，檢具檢測(cè)型塊和支撐柱材質(zhì)均為鋁合金時(shí)，底座需要承受的重量不是很大，可以選擇鋁合金材料來(lái)進(jìn)行減重。第三種情況，檢具檢測(cè)型塊和支撐柱直接使用代木時(shí)，底座承受的重量較輕，可以選擇鋁合金材料。如果檢具為臨時(shí)檢具，對(duì)輕量化有較高要求，底座可以使用電木材料。第四種情況，對(duì)檢具輕量化有極致的要求，可以選擇強(qiáng)度高和密度小的碳纖維材料做框架底座，檢測(cè)型塊選用代木材料，通過(guò)糊狀樹(shù)脂將檢測(cè)型塊粘接在碳纖維框架底座上。例如，汽車前風(fēng)窗框檢具有使用碳纖維材料做成的框架底座，通過(guò)糊狀樹(shù)脂粘接代木，機(jī)加工后成為檢測(cè)型塊和支撐座，支撐座可以安裝定位塊等機(jī)構(gòu)。這種方法制作成的汽車前風(fēng)窗框檢具具有極致的輕量化，并且強(qiáng)度很高，能保證檢具的高精度。碳纖維制作的檢具輕量化固然一流，但是成本也水漲船高。如果對(duì)輕量化有一定要求，又要考慮成本，我建議金屬類產(chǎn)品檢具的檢測(cè)型塊、支撐柱和底座均選擇鋁合金材料;而塑料類產(chǎn)品檢具的檢測(cè)型塊和支撐柱均選擇代木材料，底座選擇鋁合金材料。

4 檢具結(jié)構(gòu)輕量化

檢具除了使用輕量化材料減重外，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重。由于檢測(cè)型塊、支撐柱和底座占據(jù)檢具的大部分重量，結(jié)構(gòu)優(yōu)化將從這三大塊進(jìn)行分析。第一，檢測(cè)型塊只是用做測(cè)量產(chǎn)品的尺寸參考，主要能承受自身重量即可，故設(shè)計(jì)上盡量做小。某些情況，檢測(cè)型塊直接和底板連接，不需要支撐柱，這時(shí)檢測(cè)型塊會(huì)比較大，可以在檢測(cè)型塊中間掏空，如圖2所示。第二，支撐柱需要支撐定位塊、檢測(cè)型塊和夾緊等機(jī)構(gòu)的重量，故需要保證自身強(qiáng)度。一個(gè)支撐柱支撐的零件較多或者較大時(shí)，支撐柱的體積就會(huì)很大，如果做成實(shí)心的，會(huì)非常重。這里介紹兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：（1）支撐柱用平板焊接而成，在平板搭接處焊接加強(qiáng)筋，保證支撐柱的剛性和強(qiáng)度，如圖3所示; （2）對(duì)于用一體支撐柱，體積較大時(shí)，可以從支撐柱底部鉆孔減重，如圖4所示。第三，檢具底座是要支撐檢具上所有零件和產(chǎn)品，對(duì)底座的強(qiáng)度有非常高的要求。如果底座上的零件不是密布，留有空位，那就可以保證底座強(qiáng)度和剛性前提下，對(duì)底座掏空減重，如圖5所示。

以上介紹了如何從檢具材料選擇和檢具結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)檢具的輕量化，基本可以滿足大部分公司對(duì)檢具輕量化的要求。檢具輕量化固然有很多好處，但是選擇強(qiáng)度高、密度小材料的價(jià)格更高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重也會(huì)增加機(jī)加工的費(fèi)用。檢具輕量化越大，對(duì)應(yīng)的成本也會(huì)越高，魚與熊掌不可兼得。現(xiàn)實(shí)中，汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，對(duì)成本管控非常嚴(yán)，故不能一味追求檢具的最大輕量化，不計(jì)成本的去制作檢具，而是應(yīng)該根據(jù)公司自身的情況和需求來(lái)綜合選擇檢具的材料，在輕量化和成本之間找到平衡點(diǎn)。

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