古惠南

（廣汽新能源汽車有限公司，廣州 511400）

0 引言

隨著“節(jié)能環(huán)?！痹絹碓匠蔀榱藦V泛關(guān)注的話題，輕量化也廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域，在提高操控性的同時(shí)還能有出色的節(jié)電表現(xiàn)。汽車的電耗主要取決于汽車的總質(zhì)量，在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價(jià)不變甚至優(yōu)化的前提下，降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低噪聲、提升操控性、可靠性，提高車速、降低電耗、提升安全性。有研究數(shù)字顯示，若汽車整車重量降低10%，電能效率可提高6%～8%；若滾動(dòng)阻力減少10%，電能效率可提高3%；若車橋、電驅(qū)等裝置的傳動(dòng)效率提高10%，電能效率可提高7%。汽車車身約占汽車總質(zhì)量的30%，空載情況下，約70%的電耗用在車身質(zhì)量上。因此，車身變輕對(duì)于整車的電能經(jīng)濟(jì)性、車輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。汽車的環(huán)保、安全和外觀是消費(fèi)者越來越關(guān)注的熱點(diǎn)，汽車車身材料的輕量化作為一種節(jié)省能源和提高效率的有效手段，大量輕量化技術(shù)正在越來越多的車型上應(yīng)用，其中鋁合金應(yīng)用是其中較為熱門的一種。本文進(jìn)行了鋼鋁混合式車身產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與工藝開發(fā)相結(jié)合的研究，以及混線生產(chǎn)技術(shù)的研究，解決了產(chǎn)品開發(fā)與工藝實(shí)現(xiàn)相平衡的問題，生產(chǎn)線鋼鋁混線柔性生產(chǎn)的問題，具有對(duì)后續(xù)多種材料混合式車身的設(shè)計(jì)及工業(yè)化提供了參考。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)-車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著鋁合金材料在車身的大量應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)也對(duì)車身連接工藝提出新的需求和挑戰(zhàn)[1]，而這些新的連接工藝的需求都需新的連接設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，新設(shè)備的投入需要考慮成本、工藝可行性及質(zhì)量等因素。而另外一方面針對(duì)這些復(fù)雜的不同結(jié)構(gòu)性能的要求，從材料的角度考慮，要求“在合適的部位應(yīng)用最合適的材料”，以充分發(fā)揮各種材料在強(qiáng)度、剛度及減重方面的優(yōu)勢(shì)，從而在滿足零部件性能的前提下，以最小的代價(jià)獲得最大的輕量化效果。隨著各種輕量化材料低成本的材料制備技術(shù)、先進(jìn)的零部件制造技術(shù)的深入研究和連接技術(shù)的不斷革新，也為“選擇正確的材料與工藝的組合以節(jié)省時(shí)間、減小重量與金錢”提供了良好的技術(shù)支撐[2-5]。故一味追求全鋁并不是最優(yōu)的選項(xiàng)，從實(shí)現(xiàn)輕量化目的的基礎(chǔ)上，兼顧成本及工藝可行性最優(yōu)選擇，混合材料車身代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)發(fā)展的最新趨勢(shì)[5-10]，如圖1所示。

混合車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)代表了今后汽車車身結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，而其中又以鋼鋁混合材料車身最為典型。鋼鋁混合車身結(jié)構(gòu)即是在傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身骨架中，將某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件用高強(qiáng)度鋼板和鋁合金等輕質(zhì)材料替代，以充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼板在強(qiáng)度和價(jià)格方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼顧鋁合金板材在減重及吸能方面的優(yōu)勢(shì)，通過材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能模擬的方法確定不同材料分布的部位，在提高成本不大的前提下實(shí)現(xiàn)車身的高強(qiáng)度和輕量化。

圖1 車身結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 下鋁上鋼式的車身結(jié)構(gòu)

在混合材料車身眾多技術(shù)路線中，“下鋁上鋼”的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是比較新穎的路線。“下鋁上鋼”的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：（1）輕量化，下車體由鋼變鋁，質(zhì)量降低30%以上；（2）難度適中，相比上車體，鋁下車體開發(fā)及制造難度相對(duì)降低，鋼鋁車身總拼混線生產(chǎn)的難度較全鋁車身降低。

1.2 各主要部位材料選擇

下鋁上鋼式車身下車體采用全鋁結(jié)構(gòu)，上車體采用全鋼結(jié)構(gòu)，上下車體搭接處絕大多數(shù)都為鋼-鋼，從而實(shí)現(xiàn)車身主線以鋼點(diǎn)焊為主的連接工藝。

下車體框架使用6 系鋁型材；像減震塔這樣的關(guān)鍵及造型復(fù)雜的部件則采用高壓真空鑄鋁一體式成型；面板則采用5/6系鋁材。

上車體除了使用常規(guī)鋼材的同時(shí)，A柱、B柱及門楣采用高強(qiáng)鋼及熱成型鋼，在達(dá)到同樣的車身強(qiáng)度的同時(shí)，大大減少車身重量。車身鋼鋁用量如圖2所示。

圖2 車身鋼鋁用量

1.3 鋼鋁結(jié)合處的連接設(shè)計(jì)

材料的選擇直接影響連接工藝的選擇，對(duì)于下鋁上鋼式車身特有在門檻處的鋼鋁搭接的結(jié)構(gòu)，有兩種連接思路。

（1）常規(guī)思路

基于傳統(tǒng)車身總拼工位采用鋼點(diǎn)焊的連接工藝，考慮在下車體門檻鋁擠壓鋁上增加“鋼過渡件”，如圖3所示，這樣上下車體連接還是通過點(diǎn)焊實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)線連接設(shè)備無需增加及改造。但以上方案存在的問題是由于增加了“鋼過渡件”以及200 個(gè)熱熔自攻螺釘（Flow Drill Screw-FDS），單車成本增加約1.4%，白車身重量增加約0.8%。

圖3 鋼點(diǎn)焊方案車身結(jié)構(gòu)

圖4 擠壓鋁門檻增加翻邊方案車身結(jié)構(gòu)

（2）創(chuàng)新思路

在門檻擠壓鋁上增加翻邊，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。側(cè)圍外板與下車體門檻連接處采用自沖鉚（Self Piercing Riveting-SPR）連接，由于符合SPR連接由硬到軟、由鋼到鋁的要求，且搭接組合簡(jiǎn)單，連接質(zhì)量容易保證；A柱、B柱及C柱與下車體門檻連接處采用FDS+膠粘的連接。

以上方案需要在上下車體合拼時(shí)增加SPR 連接工藝，總拼工藝方案需要相應(yīng)調(diào)整變更。

自穿刺鉚接（SPR）工藝是一種連接2種或2種以上金屬或非金屬材質(zhì)的機(jī)械冷連接技術(shù)。自穿刺的鉚釘在執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下刺穿上層板材，刺入下層板后鉚釘尾部在底部凹模的作用下向外延伸，最終與下層板形成咬邊的結(jié)構(gòu)從而形成穩(wěn)定的連接點(diǎn)。在凹模側(cè)的連接件產(chǎn)生一個(gè)凸出的鉚釘墩頭，由于凹模側(cè)的連接件只有塑性變形而沒有被穿透，下層板存在剩余的板厚，所以能夠形成一個(gè)緊密的連接結(jié)構(gòu)，鉚接過程如圖5所示。

圖5 SPR鉚接過程

2 工藝設(shè)計(jì)-車身總拼工藝方案設(shè)計(jì)

車身總拼作為焊裝車間最核心的工位，尤其是多車型、高節(jié)拍隨機(jī)混流生產(chǎn)的車身總拼，工位設(shè)備多，機(jī)器人高度集成；在現(xiàn)有生產(chǎn)線上導(dǎo)入鋁車身，需要導(dǎo)入新的連接工藝和設(shè)備，空間的限制、工藝可行性都存在諸多課題需解決。

2.1 總拼工藝點(diǎn)選擇

總拼工藝點(diǎn)的選擇需要考慮生產(chǎn)線節(jié)拍是否滿足、所選擇的工藝點(diǎn)位置是否能夠滿足合拼后白車身的精度要求，基于此總拼工藝點(diǎn)選擇如圖6所示，其中門檻處需要進(jìn)行SPR連接，單邊各5個(gè)SPR鉚點(diǎn)。

圖6 總拼SPR工藝點(diǎn)布置

2.2 總拼工位的布局設(shè)計(jì)

總拼工位由夾具切換系統(tǒng)、側(cè)圍夾具、下夾具、滾床搬運(yùn)系統(tǒng)、作業(yè)機(jī)器人及鋼平臺(tái)組成；其中作業(yè)機(jī)器人12臺(tái)，4臺(tái)布置在二層鋼平臺(tái)上，8 臺(tái)布置在地面上，考慮到新增的SPR 集中在車身的中部，需要將七軸中間的機(jī)器人改造成SPR/鋼點(diǎn)焊切換，機(jī)器人布局如圖7所示。

圖7 機(jī)器人布局

經(jīng)過機(jī)器人仿真驗(yàn)證，為了滿足七軸中間機(jī)器人進(jìn)行SPR/鋼點(diǎn)焊切換后工具的存放，GATE 需要向后移動(dòng)1.7 m讓出切換空間。六車型切換的OPENGATE 工位地坑標(biāo)準(zhǔn)寬度為21 m，左右兩邊移動(dòng)后工位地坑寬度為24.3 m，而桁架式廠房的標(biāo)準(zhǔn)跨距為24 m，這樣設(shè)備和廠房立柱就存在干涉。針對(duì)這一問題對(duì)SPR 鉚槍結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將鉚槍主軸由250 mm 減少到200 mm，并且減少連接法蘭的長度，鉚槍整體長度減少200 mm，經(jīng)過這樣的優(yōu)化調(diào)整最終工位地坑寬度只需增加1.3 m，整體工位地坑寬度到23.6 m，達(dá)到允許最大尺寸。

2.3 設(shè)備選型

2.3.1 機(jī)器人負(fù)載選擇

由于SPR鉚點(diǎn)位于門檻處，鉚槍的喉深需要在100 mm左右，以Tucker 的鉚槍質(zhì)量與機(jī)器人負(fù)載對(duì)應(yīng)關(guān)系為例（表1），機(jī)器人負(fù)載最小需要210 kg，考慮需要進(jìn)行換槍增加換槍盤，換槍盤重量約30 kg，加上為了滿足機(jī)器人可達(dá)性，鉚槍需要使用長臂型的連接法蘭，工具重心比較靠前，機(jī)器人負(fù)載最終確定在270 kg。

表1 C型鉗尺寸與機(jī)器人負(fù)載對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3.2 鉚槍C型臂結(jié)構(gòu)選型

將鉚槍導(dǎo)入工位3D數(shù)據(jù)中進(jìn)行分析，鉚槍連接法蘭與夾具框架間隙只有20 mm，鉚槍C型臂與零件最近處間隙也只有5 mm，機(jī)器人進(jìn)槍存在干涉。解決這個(gè)問題，需從以下兩方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將原本豎直的零件搭接面變更為95°；

（2）鉚槍C 型臂選型，由于鉚接時(shí)鉚接力最大達(dá)到80 kN，為了滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的需要，隨著喉深的加大，C 型臂的尺寸也會(huì)變大；由于總拼工位高度集成，C型臂結(jié)構(gòu)需要盡量小巧，以滿足可達(dá)性的需求，從廠家的C 型臂庫中選擇最小喉深85 mm 的C 型臂，經(jīng)過模擬仿真，最終選擇型號(hào)為Z310 955 的C 型臂，該型號(hào)與連接法蘭連接后鉚槍整體更加的緊湊，滿足可達(dá)性的要求。表2為C型臂型號(hào)表。

表2 C型臂型號(hào)表

經(jīng)過以上優(yōu)化后鉚槍連接法蘭與夾具框架間隙達(dá)到40 mm，鉚槍C型臂與零件最近處間隙也達(dá)到15 mm，滿足安全距離的要求。

2.4 鋼鋁連接設(shè)備切換系統(tǒng)技術(shù)

鋼鋁連接設(shè)備切換系統(tǒng)技術(shù)的核心部件是滿足鋼點(diǎn)焊與SPR 設(shè)備之間切換的機(jī)器人換槍盤，通過對(duì)市面主流廠家的換槍盤進(jìn)行技術(shù)升級(jí)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)及選型，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首款應(yīng)用于量產(chǎn)生產(chǎn)的鋼點(diǎn)焊與SPR 設(shè)備之間切換的機(jī)器人換槍盤。換槍盤機(jī)器人側(cè)由以下部件組成：鎖緊單元，冷卻水加壓縮空氣組件，總線閥組件，電信號(hào)組件1，電信號(hào)組件2和焊接電源組件。換槍盤工具側(cè)（鋼點(diǎn)焊槍）由工具基板、冷卻水組件、電信號(hào)組件和焊接電源組件等部件組成。換槍盤工具側(cè)（SPR槍）由工具基板、壓縮空氣組件、電信號(hào)組件G1和電信號(hào)組件G4 等部件組成。機(jī)器人側(cè)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

按照送釘方式的不同SPR 鉚槍系統(tǒng)可分為彈倉式中轉(zhuǎn)送釘系統(tǒng)、直吹式送釘系統(tǒng)、棘輪供釘。如果采用直吹式送釘系統(tǒng)，由于總拼工位寬度達(dá)到24 m，SPR 設(shè)備的送料器到SPR 槍的距離遠(yuǎn)超送釘管最大16 m 的范圍，而且送釘管需要安裝七軸的拖鏈內(nèi)，長期彎曲送釘管容易損壞；而采用棘輪供釘如果同一工位多把C 型鉗同時(shí)工作時(shí)，容易造成余釘浪費(fèi)；故選用彈倉式中轉(zhuǎn)送釘系統(tǒng)，通過將充釘站和送料器放置在二層鋼平臺(tái)上，大大縮小了送釘管的距離，所需長度不超過2 m；充釘時(shí)機(jī)器人舉著SPR鉚槍通過在鋼平臺(tái)上開2個(gè)4 m×1.4 m的開口，到充釘站進(jìn)行補(bǔ)釘；由于充釘站布置位置不影響滾床輸送，充釘是在白車身運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)完成，不占用生產(chǎn)線節(jié)拍。

圖8 機(jī)器人側(cè)換槍盤

切換下來的工具需要考慮存放，由于需要切換的機(jī)器人兩邊都有機(jī)器人，為了避免切換時(shí)跟周邊的機(jī)器人存在干涉，通過在機(jī)器人后面再增加一個(gè)七軸滑塊，將工具存放架安裝在其上面，這樣既能實(shí)現(xiàn)切換，機(jī)器人之間又互不影響。

2.5 前工序處理

由于鋼鋁搭接處還需要涂布鋁結(jié)構(gòu)膠，鋁結(jié)構(gòu)膠具有高粘性的特點(diǎn)，涂布時(shí)需要進(jìn)行加熱，且涂布的軌跡較為復(fù)雜，人工作業(yè)質(zhì)量及效率較難保證，位置一致性較差，故需要進(jìn)行機(jī)器人涂膠；且配備有涂膠視覺，對(duì)涂膠質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)質(zhì)量回溯。

鋁車身對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的涂覆率要求較高，人工預(yù)拼存在刮膠的情況，從而影響膠的質(zhì)量，故白車身預(yù)拼要由機(jī)器人進(jìn)行；機(jī)器人從側(cè)圍EMS 小車上抓取側(cè)圍進(jìn)行預(yù)拼，且側(cè)圍抓手上有視覺引導(dǎo)抓件，極大地提高了抓件的精度，從而保證了涂膠的質(zhì)量。

2.6 后工序處理

除了SPR及膠粘工藝，還需要進(jìn)行FDS工藝連接將A、B柱加強(qiáng)件與門檻連接起來。

自攻絲鉆鉚（FDS）工藝通過特殊鉆鉚鉚釘，在主軸高速旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)板材進(jìn)行加熱、鉆孔、攻絲、鎖緊等過程，使局部熔化的板材能嵌入到鉚釘?shù)穆菁y牙中，形成類焊接作用，從而形成穩(wěn)定的連接點(diǎn)。

鉆鉚工藝的上層板可以預(yù)沖孔或不沖孔，通過鉚釘尖端的高速旋轉(zhuǎn)及主軸縱向下壓力對(duì)板材進(jìn)行摩擦加熱和鉆孔。鉆入的鉚釘向下運(yùn)動(dòng)、延伸，在鉚釘下端形成一個(gè)延伸套管附著在鉚釘穿刺位置，可以增加鉚點(diǎn)性能。連接過程如圖9所示。

圖9 FDS連接過程

由于FDS 作業(yè)時(shí)有巨大的軸心壓力，故不適合放在總拼工位進(jìn)行作業(yè)，會(huì)影響白車身的合車精度，故需要在后工序進(jìn)行，相當(dāng)于補(bǔ)焊。巨大的軸向壓力會(huì)對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生反作用力，故機(jī)器人需要選擇高負(fù)載的型號(hào)，負(fù)載需要在360 kg 以上的機(jī)器人。且需通過下夾具將門檻抱住，防止作業(yè)時(shí)白車身左右竄動(dòng)。

3 結(jié)束語

隨著新材料的應(yīng)用及連接技術(shù)的革新，鋼鋁混合或者多種材料的混合式車身將是未來的趨勢(shì)，而新材料及新的車身結(jié)構(gòu)對(duì)于生產(chǎn)線的工藝制備水平提出了更高的要求，本文提出的方法解決了鋼鋁車身混線生產(chǎn)的技術(shù)制約，實(shí)現(xiàn)鋼鋁車身柔性化混線生產(chǎn)，從而縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，減少了生產(chǎn)線設(shè)備投資，有助于未來多種材料混合式車身的總拼柔性技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。