同步工程在車身焊裝工藝中的應(yīng)用

李磊 劉宙元 劉穎

（一汽模具制造有限公司，長春 130000）

1 前言

同步工程（Simultaneous Engineering，SE）是一種現(xiàn)代工程技術(shù)方法，它站在產(chǎn)品設(shè)計與制造全過程的高度，更加強調(diào)參與協(xié)同工作的效應(yīng)及同步的產(chǎn)品開發(fā)方式。汽車焊裝工藝同步工程是指在概念設(shè)計階段、工程設(shè)計階段和工裝招標(biāo)準(zhǔn)備階段，以白車身為對象進(jìn)行的包括車身結(jié)構(gòu)、成本、工藝、主斷面、焊接可行性和定位夾緊計劃等焊接工藝性分析。根據(jù)經(jīng)驗及標(biāo)準(zhǔn)，對產(chǎn)品設(shè)計過程和制造過程提出合理化建議，使產(chǎn)品更加滿足制造工藝性要求，更加容易保證車身品質(zhì)[1]。

2 焊裝SE的必要性

汽車車身為復(fù)雜的空間殼體，一般由400～450個大小不一的沖壓件組合而成。單獨的沖壓件自身剛性差，要想將這些沖壓件焊成高精度的車身總成，需在一定的工藝裝備中進(jìn)行定形、定位并夾緊，保證其形狀不變且相對位置精度夠高，之后按照車身組件、合件、分總成及總成的順序組合，采用焊接、螺栓和粘膠等方法，將其結(jié)合形成白車身總成。焊接是白車身結(jié)構(gòu)中主要的連接方式，根據(jù)焊接工藝和車身剛度的需要，一般一輛載貨轎車車身約有4 000 多個焊點，焊縫達(dá)40 m 以上。由于鈑金焊接搭接處易存在間隙，造成汽車的噪音和振動，所以焊接質(zhì)量要嚴(yán)格控制?？刂坪附淤|(zhì)量是保證白車身尺寸精度和強度的唯一途徑，也是保證汽車的NVH特性、提高汽車市場競爭力的重要方法。

隨著近些年國內(nèi)汽車業(yè)迅速發(fā)展以及居民消費水平的提高，消費者對于汽車的需求與日俱增，年產(chǎn)15 萬甚至20 萬的汽車生產(chǎn)線已趨于普遍化。同時社會發(fā)展節(jié)奏加快，車型的更新?lián)Q代也越來越快，市場競爭日趨激烈，搶占市場成為各汽車品牌公司不得不面對的一大問題，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期已經(jīng)成為新車型市場競爭力的一大重要因素。在這樣的需求下，車身設(shè)計與SE的結(jié)合應(yīng)運而生。

在以往的產(chǎn)品開發(fā)模式下，由于不做前期制造工藝同步開發(fā)，使得產(chǎn)品質(zhì)量問題在產(chǎn)品制造、調(diào)試及生產(chǎn)的過程中才暴露出來，這時進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)變，必將增加項目投入，影響正常的產(chǎn)品開發(fā)周期；而引進(jìn)同步工程的產(chǎn)品開發(fā)模式，使得在產(chǎn)品開發(fā)過程中就進(jìn)行工程化可行性分析，在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計階段把后序制造過程中可能出現(xiàn)的問題識別出來，通過工藝優(yōu)化解決生產(chǎn)制造隱患，避免后期出現(xiàn)大量的設(shè)計更改，從而達(dá)到縮短生產(chǎn)周期，降低成本的目的。據(jù)以往車型開發(fā)的經(jīng)驗及統(tǒng)計，不做SE 分析，汽車焊裝工藝產(chǎn)品設(shè)變一般在500～700 項之間，而引進(jìn)SE 分析后，產(chǎn)品設(shè)變數(shù)量可控制在100 項以內(nèi)。由此可見，SE 的引入對于汽車的產(chǎn)品開發(fā)極其重要。

3 焊裝SE的分析方法

3.1 分析思路

a.首先明晰焊裝工作常規(guī)流程。

b.從白車身數(shù)據(jù)裝配合理性、焊接工藝合理性、操作性、成本等多角度進(jìn)行分析。

c.對白車身數(shù)據(jù)的不合理處進(jìn)行深究，并提出有效的解決方案。

d.最終目的為修正設(shè)計缺陷，降低工藝難度。

3.2 工作流程

新車型開發(fā)過程中，焊裝SE 工藝人員要在車身外造型審查、車身主斷面設(shè)計、車身結(jié)構(gòu)設(shè)計等各階段對焊接工藝性進(jìn)行分析，將發(fā)現(xiàn)的問題以設(shè)計變更申請形式反饋給產(chǎn)品設(shè)計部門，產(chǎn)品設(shè)計部門對問題項進(jìn)行分析、解決，使其滿足焊接工藝要求。對雙方存在異議的問題，相關(guān)部分組織進(jìn)行工藝驗證，確定是否進(jìn)行整改，工藝確認(rèn)無問題后進(jìn)行下一階段的設(shè)計，分析流程如圖1 所示[2]。

圖1 焊裝SE工作流程[2]

4 焊裝SE的主要工作內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)

同步工程貫穿整車項目開發(fā)的全過程，主要分為概念設(shè)計階段，工程設(shè)計階段，工程開發(fā)階段和品質(zhì)培育階段，其中工程設(shè)計階段是整個產(chǎn)品設(shè)計思想體現(xiàn)的關(guān)鍵時期，在這個時期產(chǎn)生的數(shù)據(jù)決定著整個產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度和產(chǎn)品質(zhì)量。根據(jù)焊裝工藝的特性，工程設(shè)計階段中焊裝SE 的主要工作內(nèi)容有焊接裝配性分析、焊接可行性分析、焊接作業(yè)性分析和工藝方案及布局分析。

焊裝SE 的工作過程就是按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和原則，逐一對上述內(nèi)容進(jìn)行分析，提出更改意見，從而把產(chǎn)品設(shè)計與工藝實現(xiàn)相關(guān)聯(lián)。

4.1 焊接裝配性分析

工藝評審中要檢查零件裝配的方便性、可操作性，對零件間的裝配關(guān)系進(jìn)行分析，避免零件裝備時相互干涉，影響或降低焊接質(zhì)量。焊接裝備中經(jīng)常出現(xiàn)的問題及評審標(biāo)準(zhǔn)如下。

a.兩層板在圓弧處搭接時，搭接邊距離最近圓弧邊至少2 mm，如圖2 所示。

圖2 零件圓弧處搭接尺寸要求

b.零件間在圓角配合位置易出現(xiàn)貼合不準(zhǔn)確問題，為解決該類問題，通常對圓角配合處零件R角尺寸進(jìn)行規(guī)定，R+2 mm≦R1≦R+4 mm，其中R1為內(nèi)側(cè)零件圓角半徑，R為外側(cè)零件圓角半徑，如圖3 所示。

圖3 圓角配合關(guān)系示意

c.兩零件有多處接觸且沒有焊接關(guān)系時，應(yīng)采用搭接管理面，盡量減少接觸面面積，以避免摩擦導(dǎo)致產(chǎn)生噪音。建議搭接面不易多于3 個，如圖4所示。

圖4 搭接管理面示意

d.工藝評審中要檢查并避免零件之間出現(xiàn)的插接裝配關(guān)系。如圖5所示，當(dāng)件A裝配到件B上時，開始配合處間隙值d需要保證在5 mm以上。

圖5 插接裝配關(guān)系間隙尺寸要求

e.工藝評審中要考慮因標(biāo)準(zhǔn)件裝配后可能造成的干涉現(xiàn)象，如圖6 所示，當(dāng)螺釘擰緊后，螺釘?shù)撞颗c產(chǎn)品干涉。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)件裝配導(dǎo)致的干涉示意

4.2 焊接可行性分析

工藝評審中要檢查零件之間焊接方式是否最優(yōu)，焊接過程是否可行，焊接效果是否可靠。一些通用的焊接可行性分析評審標(biāo)準(zhǔn)如下。

a.普通焊鉗本體寬度50 mm，避免干涉，焊鉗通過產(chǎn)品時兩側(cè)各留有5 mm 的間隙。所以為滿足焊接要求，產(chǎn)品最小距離為60 mm。如圖7所示。

圖7 滿足焊接要求下產(chǎn)品最小開口距離示意

b.焊接電極深入產(chǎn)品孔內(nèi)時，電極與產(chǎn)品間需要留有5 mm 間隙。如圖8 所示（D為產(chǎn)品孔徑，d為產(chǎn)品孔深度），當(dāng)d≤80 mm，則D≥Φ26 mm（Φ16 mm(電極接桿)+5 mm+5 mm）；當(dāng)d＞80 mm，則D≥Φ40 mm（Φ30 mm(焊鉗電極臂)+5 mm+5 mm）

圖8 焊接電極深入產(chǎn)品孔內(nèi)作業(yè)示意

c.為保證焊接質(zhì)量，焊接面應(yīng)為平面，如圖9所示。

圖9 焊接面示意

d.避免焊接干涉，焊鉗與凸焊螺栓的安全距離應(yīng)保在5 mm 以上，如圖10 所示。

圖10 凸焊螺栓焊接示意

e.螺母附件焊接時，焊鉗與螺母外沿的安全距離應(yīng)保持在2 mm 以上，如圖11 所示。按此標(biāo)準(zhǔn)可計算出不同規(guī)格螺母距離焊點的最小尺寸，如表1所示，其中e為螺母最大外輪廓尺寸，d為螺母中心與焊點中心的最小距離。

圖11 凸焊螺母焊接示意

表1 焊接螺母外徑尺寸及距焊點安全距離

4.3 焊接作業(yè)性分析

a.人工操作時，需要有良好的可視性，即焊點位置、裝配螺紋孔等易辨識。如圖12 所示，當(dāng)較小零件B 被大件A 覆蓋時（圖12a 所示），工人無法辨識焊點的位置，所以需要改進(jìn)，把零件B 放在A 上面（圖12b 所示）。

圖12 操作可視性示意

b.焊接作業(yè)性評審中，要對零件加工性進(jìn)行審核。如圖13 所示，2 個零件可以合成1 個件進(jìn)行沖壓，簡化焊接過程，降低成本。

圖13 零件合拼示意

c.合理分配零件工序，減少焊接流程。如圖14，圖示位置 2 個焊點由原 2 層點改為 3 層點，3 個零件可在一套夾具中實現(xiàn)焊接，減少設(shè)備投入。

圖14 焊點層級結(jié)構(gòu)示意

d.合理分配零件工序，降低焊接難度。如圖15 所示，總成零件上如包含有小件（圖15a 所示），建議小件放在分總成焊接（圖15b 所示）。

圖15 零件工序分配對比

4.4 工藝方案及布局分析

工藝方案及布局分析包括工藝規(guī)劃方案研討、工藝流程分析、平面布局研討、節(jié)拍分析、焊點分配研討和物流方案分析等內(nèi)容，其中很多條件需要主機廠輸入，如場地大小、輸送形式和節(jié)拍要求等，根據(jù)這些條件分析工藝方案是否滿足主機廠的要求并進(jìn)行改善。

5 車身定位系統(tǒng)

車身定位系統(tǒng)是保證車身制造精度和質(zhì)量的重要措施，也是保證產(chǎn)品設(shè)計合理性、車身最終制造精度的有效手段。

焊裝階段定位基準(zhǔn)的設(shè)計主要是夾具式樣書的設(shè)計，夾具式樣書是夾具設(shè)計過程中的核心內(nèi)容之一，也是沖壓件品質(zhì)基準(zhǔn)書的主要參考標(biāo)準(zhǔn)，是白車身開發(fā)同步工程最重要的輸出文件。

夾具式樣書的設(shè)計主要包括2 個部分，即主要控制點MCP 和主要控制方式MCS 的設(shè)計，MCP/MCS 標(biāo)注舉例如圖 16、圖 17 所示。

圖16 MCP標(biāo)注形式

圖17 MCS標(biāo)注形式

5.1 夾具式樣書的制作原則

5.1.1 遵循3-2-1 原則

一個剛體在空間運動中有6 個自由度，沿著3個坐標(biāo)軸線的移動和轉(zhuǎn)動。MCP 要保證對這6 個自由度的控制，一般情況下每個板件要采用至少2個定位孔與3 個定位面[3]。

5.1.2 統(tǒng)一性原則

定位系統(tǒng)的主旨是通過避免基準(zhǔn)轉(zhuǎn)變來保證制造工藝過程的可靠性和可以重復(fù)利用的精確性，所以統(tǒng)一性原則要求從產(chǎn)品開發(fā)階段直到批量生產(chǎn)，定位點的使用貫徹始終。主要體現(xiàn)在模具、夾具、檢具的基準(zhǔn)一致性。

5.1.3 繼承性原則

MCP 設(shè)計時要求沿著整車、白車身、車身本體及活動件、下車身-側(cè)圍-頂蓋三大總成、各級分總成、沖壓單件的順序，從最后焊接的部件到最先焊接的部件，再到零件，自大的焊接總成到小的總成進(jìn)行設(shè)計制定，這樣有利于保證基準(zhǔn)的繼承性。

5.1.4 關(guān)鍵點控制原則

定位點優(yōu)先選取零件的關(guān)鍵功能面，減少公差累積，有利于后期精度問題的分析與解決。如鉸鏈控制面、安裝基準(zhǔn)面等。

5.2 MCP設(shè)定的具體標(biāo)準(zhǔn)

在設(shè)定MCP 之前，要依據(jù)產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)模型進(jìn)行分析，在設(shè)定MCP 過程中，通常依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，保證MCP 選取的穩(wěn)定性和可實施性，具體標(biāo)準(zhǔn)舉例如下。

a.優(yōu)先選擇大于8 mm 的孔作為定位孔，一般情況零件基準(zhǔn)孔大小參考值如表2。

表2 零件基準(zhǔn)孔參考數(shù)值 mm

b.選擇公差精度要求高的孔作為定位孔，例如選擇重要的安裝孔作為定位孔。

c.定位孔在整個工件上應(yīng)盡量分開較大距離，合理分布，以便定位準(zhǔn)確。如圖18 所示，一般情況下，兩定位孔的距離至少占零件總長度L的3/5。

圖18 零件定位孔間距與兩件長度關(guān)系示意

d.主定位孔為圓孔，輔助定位孔一般為長圓孔；當(dāng)輔助定位孔也為圓孔時，則需要菱形定位銷。

e.如遇面積較大，整體剛性不強的大件，如前地板面板、后地板面板等，可通過3～4 個圓銷定位圓孔的過定位方式提高定位精度。

f.定位孔附近要設(shè)置定位面，并且盡量選擇平面作為定位面。

g.定位面之間一般間隔200～350 mm，不易過密或過疏，其距離主要根據(jù)材料的厚度，焊接穩(wěn)定性設(shè)定。

6 工程變更需求

焊裝SE 中所提出的工程變更需求（Engineering Change Request，ECR）是在產(chǎn)品開發(fā)過程中對整車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的工藝性、焊接性、生產(chǎn)性、成本性進(jìn)行評審并提出的產(chǎn)品設(shè)變要求。焊裝SE 提出的ECR 樣式如圖 19 所示。

圖19 汽車焊裝同步工程ECR樣例

焊裝ECR 中經(jīng)常出現(xiàn)的問題列舉如下。

a.定位孔與過孔同心同徑；

b.焊接面未貼合；

c.非焊接面無間隙，尤其圓弧處；

d.焊接時焊槍與產(chǎn)品自身干涉；

e.焊接空間不足；

f.焊點層級分布混亂；

g.焊接接觸面為弧面，影響焊接質(zhì)量；

h.上件過程中制件相互干涉。

7 結(jié)束語

同步工程技術(shù)在車身焊裝工藝中的應(yīng)用，使產(chǎn)品設(shè)計與制造工藝提前結(jié)合，在設(shè)計階段將制造過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效處理，確保制造階段滿足產(chǎn)品設(shè)計的要求，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少產(chǎn)品開發(fā)成本，同時對提高白車身焊接質(zhì)量起到極大的促進(jìn)作用。隨著汽車焊裝制造工藝的不斷發(fā)展，同步工程在該領(lǐng)域的應(yīng)用將更加深入，起到的積極作用也將愈加顯著。