3D打印與CNC加工在汽車及零部件制造不同階段中的應(yīng)用

邱紹虎，趙宏順，房開(kāi)拓

宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 江蘇宿遷 223800

在傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域，汽車零部件的開(kāi)發(fā)往往需長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)和測(cè)試。從研發(fā)到測(cè)試階段還需要制作零件模具，不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且成本高。當(dāng)存在問(wèn)題時(shí)，修正零件同樣也需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。定型后，汽車零部件生產(chǎn)是一個(gè)典型的大批量生產(chǎn)模式，制造成本成為零部件生產(chǎn)商考慮的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

目前，一方面是國(guó)外汽車零部件廠商紛紛登陸中國(guó)，搶占中國(guó)汽車零部件市場(chǎng)，從而導(dǎo)致一些國(guó)內(nèi)汽車零部件廠商倍感壓力；另一方面是汽車制造的批量越來(lái)越小，產(chǎn)品生命周期越來(lái)越短，更新越來(lái)越快。而3D打印技術(shù)則能快速制作造型復(fù)雜的零部件，當(dāng)測(cè)試出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，修改3D文件重新打印即可。3D打印技術(shù)讓汽車零部件的開(kāi)發(fā)成本更低，效率更高。因此，3D打印和CNC結(jié)合是汽車及零部件制造業(yè)發(fā)展的新方向?，F(xiàn)結(jié)合東風(fēng)中型載貨車某車型的實(shí)際情況進(jìn)行說(shuō)明。

3D打印的類型及面臨的問(wèn)題

目前3D打印技術(shù)的基本類型主要有：材料熔融擠出成形FDM、粘合劑噴射成形3DP、材料微滴噴射、粉材平鋪融化、直接能量沉積LENS、薄材疊加實(shí)體制造技術(shù)LOM以及光敏樹(shù)脂平鋪成形技術(shù)SLA。

3D打印在汽車行業(yè)最初主要用于研發(fā)環(huán)節(jié)，比如外形、內(nèi)飾、接插件及車燈等領(lǐng)域的前期設(shè)計(jì)階段。其中，F(xiàn)DM、粉材平鋪融化以及SLA已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于汽車工業(yè)制造領(lǐng)域。且不限于汽車零部件，很多企業(yè)開(kāi)始大膽嘗試打印“整個(gè)”汽車：世界首款3D打印汽車Urbee 2于2013年面世，這是一款混合動(dòng)力汽車，絕大多數(shù)零部件來(lái)自3D打印。除了底盤、動(dòng)力系統(tǒng)和電子設(shè)備等，Urbee 2超過(guò)50%的部分都是由ABS塑料打印而來(lái)的，耗時(shí)2500h，如圖1所示。

圖1 3D打印的汽車

3D打印盡管具有很多優(yōu)點(diǎn)，但同樣也具有很多缺點(diǎn)，主要有：缺乏更多原創(chuàng)性技術(shù)及裝備；制造成本高，0～100元/g；制造效率低，金屬成形100～3000g/h，小汽車整車成形2500h左右，一個(gè)臺(tái)式虎鉗成形30h左右；制造精度低；無(wú)法大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。目前需攻克的關(guān)鍵技術(shù)有：精度控制技術(shù)、高效制造技術(shù)、復(fù)合材料零件的制造、大型零件制造以及多材質(zhì)制造。

3D打印與CNC數(shù)控加工各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，其具體的優(yōu)缺點(diǎn)比較見(jiàn)表1。

表1 3D打印與CNC數(shù)控加工特點(diǎn)對(duì)比

現(xiàn)階段應(yīng)采取的對(duì)策

從表1可以看出：3D打印技術(shù)和CNC加工是優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的兩方面，3D打印的劣勢(shì)，CNC加工往往具有優(yōu)勢(shì)；而3D打印的優(yōu)勢(shì)，往往又是CNC加工的劣勢(shì)。目前只有將3D打印技術(shù)的高難度、復(fù)雜化的特點(diǎn)與CNC傳統(tǒng)制造技術(shù)的精細(xì)化、規(guī)?；嘟Y(jié)合（如采用云服務(wù)器軟件加工就更方便了，云服務(wù)器是將刀具、機(jī)床、夾具以及各種加工工藝參數(shù)等整合到云端，為全球的客戶提供云數(shù)據(jù)，當(dāng)用戶加工零件時(shí)，只需將零件形狀和材料等信息輸入到軟件中，軟件就可以使用云服務(wù)器自動(dòng)配置加工刀具及加工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能編程，完成整個(gè)云加工），才能不斷推動(dòng)二者的協(xié)調(diào)發(fā)展。因此在汽車及零部件研發(fā)制造或小批量試裝階段，為充分檢驗(yàn)零部件使用效果，并確認(rèn)其工藝性及功能性是否合理，采用3D打印具有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于個(gè)別精度要求特高的零部件，可以對(duì)增材后的零部件進(jìn)行二次加工；在汽車及零部件定型后的批量生產(chǎn)階段采用傳統(tǒng)CNC加工制造方法，可以充分發(fā)揮大規(guī)模量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

具體實(shí)例

1.需制作多個(gè)復(fù)雜的鍛造模具

中型載貨車駕駛室翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的重要部件是扭桿彈簧和扭桿力臂，扭桿的彈力是駕駛室得到翻轉(zhuǎn)的主要?jiǎng)恿υ矗U力臂是駕駛室得到翻轉(zhuǎn)的主要?jiǎng)恿鬟f者。因此，扭桿力臂性能的好壞直接關(guān)系到駕駛室的翻轉(zhuǎn)性能。但扭桿力臂的形狀不規(guī)則，其幾何精度及綜合性能在很大程度上取決于它的鍛造工藝及部分機(jī)加工工藝。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、成形工藝以及工件裝夾等原因，傳統(tǒng)的扭桿力臂成形需要經(jīng)過(guò)拔長(zhǎng)、折彎、成形及切邊等多次分段成形工藝，在鉆削螺紋底孔前還要制造夾具來(lái)銑削該平面。如圖2所示，扭桿力臂外形是空間形狀的不規(guī)則圖形，鍛造難度必然加大，銑削表面粗糙度值為12.5μm的螺紋孔斜面同樣難度比較大，因?yàn)橐圃煲粋€(gè)銑夾具，不但需要時(shí)間比較長(zhǎng)，而且制造成本明顯提高。

圖2 扭桿力臂

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家通常采用的鍛造工藝路線有以下4個(gè)方面。

進(jìn)行自由鍛造拔長(zhǎng)（見(jiàn)圖3）。首先，需要把加熱中頻電壓調(diào)整在600V±20V，并要每小時(shí)記錄1 次，發(fā)現(xiàn)電壓超出規(guī)定范圍時(shí)進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。其次，把送料時(shí)間調(diào)整為22s，并且送料要及時(shí)，每送進(jìn)一件工件去加熱，應(yīng)及時(shí)在料架上補(bǔ)放一件工件。再次，當(dāng)工件加熱完畢時(shí)要及時(shí)迅速拔長(zhǎng)制坯，避免由于溫度下降到低于鍛造溫度而給下道工序帶來(lái)不便。制坯時(shí)空氣錘鍛壓要輕重適宜，坯料鍛造要?jiǎng)蚍Q平整。

圖3 扭桿力臂拔長(zhǎng)

2）折彎（見(jiàn)圖4）。首先，要把拔長(zhǎng)好的坯料迅速放進(jìn)折彎模中，并且在模具中的擺放位置要準(zhǔn)確。其次，折彎過(guò)后應(yīng)迅速去除坯料表面的氧化皮，為下一步成形做好準(zhǔn)備。

圖4 扭桿力臂折彎

3）扭桿力臂成形（見(jiàn)圖5）。

圖5 扭桿力臂成形

4）切邊（見(jiàn)圖6）。首先，在切邊模中擺放坯料時(shí)，要仔細(xì)觀察毛坯是否完全放進(jìn)切邊模中，在確認(rèn)無(wú)誤后方可進(jìn)行開(kāi)機(jī)鍛造切邊。其次，如發(fā)現(xiàn)切邊后毛坯有明顯毛刺時(shí)，應(yīng)及時(shí)正確修復(fù)或更換模具[1]。

圖6 扭桿力臂切邊

2.需制作復(fù)雜的銑削夾具

銑削表面粗糙度值為12.5μm的螺紋孔斜面的夾具結(jié)構(gòu)介紹如下（見(jiàn)圖7）。

圖7 銑削扭桿力臂螺紋孔斜面夾具結(jié)構(gòu)示意

本夾具提供了一種汽車扭桿力臂螺紋斜面的銑削加工，目的在于：汽車扭桿力臂螺紋斜面的銑削精度更高，效率更高，制造成本降低，確保扭桿力臂符合駕駛室翻轉(zhuǎn)實(shí)際需要。為了達(dá)到此目的，本夾具采取的技術(shù)方案是一種用于汽車扭桿力臂螺紋斜面的銑削夾具，其結(jié)構(gòu)包括上底板、下底板和支承板。上底板與下底板固定連接，下底板、上底板固定在工作臺(tái)上，支承板與上底板固定連接。下底板上設(shè)置預(yù)緊芯軸與定位芯軸，預(yù)緊芯軸上設(shè)置偏心輪，偏心輪上設(shè)有手柄，偏心輪與預(yù)緊芯軸可調(diào)節(jié)連接，上底板上設(shè)置定位柱。上底板、下底板、支承板上開(kāi)設(shè)連接通孔。下底板通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在工作臺(tái)上。內(nèi)六角螺釘依次貫穿支撐板、上底板和下底板后固定在工作臺(tái)上。實(shí)現(xiàn)支承板與上底板的固定以及將上底板、下底板固定在工作臺(tái)上。上底板與下底板之間使用圓錐銷定位固定。支承板通過(guò)螺釘固定在上底板上。

在此種連接方式下，下底板通過(guò)內(nèi)六角螺釘穩(wěn)定地固定在工作臺(tái)上，上底板通過(guò)內(nèi)六角螺釘、圓錐銷與下底板固定連接，支承板通過(guò)螺釘與上底板固定。支承板與上底板之間的連接關(guān)系、上底板與下底板之間的連接關(guān)系以及下底板與工作臺(tái)之間的連接關(guān)系都是穩(wěn)定的。整個(gè)裝置在工作臺(tái)上的連接是穩(wěn)定的。

本夾具通過(guò)預(yù)緊芯軸和定位芯軸的配合解決了扭桿力臂不同角度的放置問(wèn)題。通過(guò)偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)不同彎曲弧度的扭桿力臂的夾緊動(dòng)作，提高了整體加工作業(yè)的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度。其具體調(diào)整過(guò)程如下。

首先，夾具維修者根據(jù)扭桿力臂的大小和形狀不同，將上底板通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在下底板上；將定位柱、預(yù)緊芯軸、定位芯軸裝配在上底板和下底板上；將上底板、下底板通過(guò)內(nèi)六角螺釘固定在機(jī)床工作臺(tái)面上，并通過(guò)圓錐銷定位；將支承板通過(guò)螺釘固定在上底板上。

其次，加工者將扭桿力臂的內(nèi)孔套裝在定位芯軸的外圓上，扭桿力臂的尾部緊靠在定位柱外圓上。

再次，加工者依次將偏心輪、墊圈、六角螺母裝在預(yù)緊芯軸上，將手柄裝在偏心輪上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)手柄通過(guò)偏心輪頂緊扭桿力臂，同時(shí)將六角螺母擰緊在預(yù)緊芯軸上，從而固定住扭桿力臂。由于偏心輪的的形狀特性，針對(duì)不同彎曲程度的扭桿力臂，只需要旋轉(zhuǎn)偏心輪到不同的角度就可以實(shí)現(xiàn)扭桿力臂的夾緊。

最后，加工者根據(jù)扭桿力臂的尺寸大小和到機(jī)床刀具的距離，移動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)并鎖緊，開(kāi)始銑削加工。加工完成后，轉(zhuǎn)動(dòng)六角螺母，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄通過(guò)偏心輪松開(kāi)扭桿力臂，取下工件扭桿力臂，清理各處鐵屑，準(zhǔn)備下次加工。

3.需制作復(fù)雜的鉆削夾具

汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削夾具如圖8所示。本夾具提供了扭桿力臂內(nèi)孔鉆削專用夾具，采取的技術(shù)方案如下。

圖8 鉆削扭桿力臂內(nèi)孔夾具結(jié)構(gòu)示意

汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削新型夾具，包括上模板、下模板和底座。上模板與下模板固定連接，上模板設(shè)有鉆套，鉆套通過(guò)螺套連接上模板，鉆套與螺套之間活動(dòng)連接，鉆套與螺套之間設(shè)置壓縮彈簧，鉆套上端設(shè)有調(diào)節(jié)螺母，調(diào)節(jié)螺母與螺套連接，上模板與下模板之間設(shè)有定位螺釘，定位螺釘與下模板活動(dòng)連接，

下模板上設(shè)有定位塊以及支承板，下模板通過(guò)支塊焊接在底座上。下模板中心開(kāi)設(shè)臺(tái)階內(nèi)孔，支承板安裝在臺(tái)階內(nèi)孔里，支承板安插在下模板中心開(kāi)設(shè)的臺(tái)階內(nèi)控內(nèi)，然后使用緊釘螺釘固定，實(shí)現(xiàn)支承板與下模板的固定。上模板與下模板通過(guò)固定柱連接。具體來(lái)講，上模板與下模板上分別開(kāi)設(shè)三組相對(duì)應(yīng)的連接孔，固定柱的上端和下端開(kāi)設(shè)臺(tái)階，固定柱下端穿過(guò)下模板開(kāi)設(shè)的連接孔，在固定柱下端的臺(tái)階上使用墊圈和六角螺母固定在下模板上，固定柱上端的臺(tái)階穿過(guò)上模板開(kāi)設(shè)的連接孔，使用螺釘將固定柱上端與上模板固定連接。

下模板上設(shè)置定位支塊，定位支塊內(nèi)開(kāi)設(shè)螺紋孔，定位螺釘通過(guò)螺紋孔與定位支塊連接。定位支塊焊接在下模板上，定位螺釘穿過(guò)螺紋孔之后，使用防松六角螺母緊固，防松六角螺母固定在定位螺釘上。

調(diào)節(jié)螺母上設(shè)置有手柄，手柄用于提高調(diào)節(jié)螺母的調(diào)節(jié)便利性。螺套呈臺(tái)階狀，螺套上部圓周直徑大于螺套下部的圓周直徑，壓縮彈簧設(shè)置在螺套上部?jī)?nèi)側(cè)。由于鉆套的下部外圓面無(wú)臺(tái)階，而螺套呈臺(tái)階狀，在鉆套套接在螺套內(nèi)的時(shí)候，螺套上部?jī)?nèi)側(cè)與鉆套的下部連接位置留有空隙，將壓縮彈簧設(shè)置在所述空隙內(nèi)，鉆套的上端面設(shè)置沿圓周向外圍凸起的凸臺(tái)，彈簧的底部連接螺套內(nèi)側(cè)的臺(tái)階處，壓縮彈簧的頂部連接鉆套頂端的凸臺(tái)。

螺套設(shè)有外螺紋，螺套底部通過(guò)螺紋與上模板連接，螺套上部通過(guò)螺紋與調(diào)節(jié)螺母連接。鉆套套接在螺套內(nèi)部，并不與螺套內(nèi)部固定，當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母的時(shí)候，調(diào)節(jié)螺母沿著螺套上部向下移動(dòng)，帶動(dòng)鉆套向下移動(dòng)，當(dāng)松開(kāi)調(diào)節(jié)螺母的時(shí)候，壓縮彈簧的彈力將鉆套彈起復(fù)位。

本夾具優(yōu)點(diǎn)：使用螺紋調(diào)節(jié)鉆套以及定位螺釘對(duì)待加工扭桿力臂進(jìn)行限位，將原本的直線方向的位移量轉(zhuǎn)化為螺紋的螺距，從圓周調(diào)節(jié)來(lái)控制鉆套下移以及定位螺釘水平的位移量，提高了定位精度，汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削精度更高，效率更高，制造成本降低，同時(shí)能避免因?yàn)橄聣哼^(guò)度或者緊固過(guò)度對(duì)待加工扭桿力臂的損傷。其具體調(diào)整過(guò)程如下。

首先，加工者將所述汽車扭桿力臂內(nèi)孔鉆削新型夾具安放在鉆床工作臺(tái)上，通過(guò)底座上的U形缺口將夾具固定住。

其次，加工者根據(jù)扭桿力臂形狀大小，調(diào)節(jié)定位螺釘，然后通過(guò)防松六角螺母固定。

再次，加工者把扭桿力臂裝在上模板和下模板的空間內(nèi)，外圓周緊靠定位螺釘端部，側(cè)面靠緊定位塊，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄帶動(dòng)鉆套向下運(yùn)動(dòng)壓緊扭桿力臂端面，開(kāi)始鉆削加工。

最后，加工者向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，通過(guò)壓縮彈簧回彈帶動(dòng)鉆套向上運(yùn)動(dòng)，松開(kāi)扭桿力臂并取出。清理夾具內(nèi)各處鐵屑，準(zhǔn)備下次加工。

結(jié)語(yǔ)

從以上鍛造扭桿力臂毛坯四道工藝路線、銑削表面粗糙度值為12.5μm的螺紋孔斜面及鉆削內(nèi)孔可以看出，同一個(gè)扭桿力臂要經(jīng)過(guò)多個(gè)鍛造模具進(jìn)行鍛造、銑削和鉆削，在汽車及零部件研發(fā)制造或小批量試裝階段，如采用此方案，制造成本高，如果扭桿力臂需改變形狀，所有鍛造模具、銑削夾具和鉆削夾具便全部報(bào)廢，制造成本更高。但汽車及零部件研發(fā)制造或小批量試裝階段如果采用3D打印技術(shù)，在扭桿力臂需改變形狀時(shí)，只需修改3D文件重新打印即可。定型后采用CNC加工技術(shù)，零部件精度提高，成本降低，并且適合大批量生產(chǎn)。