王國鵬，林建輝，唐高中，蔣偉光

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545000）

0 引言

前大梁總成是車身前機(jī)艙的重要組成部分，它是連接車身下彎梁總成、前輪罩總成、上彎梁支撐板總成等零件的載體，同時(shí)也是副車架、變速箱總成、發(fā)動(dòng)機(jī)總成等底盤關(guān)鍵安裝硬點(diǎn)的集中區(qū)域，搭接型面多、安裝孔集中，對(duì)車身焊接質(zhì)量及底盤性能發(fā)揮的作用不言而喻[1-2]。其構(gòu)成大致可以劃分為三大塊：前大梁A分總成、前大梁A封板、前大梁B分總成，如圖1所示。前大梁總成焊接時(shí)一般先焊接成上述3個(gè)分總成再進(jìn)行總拼，補(bǔ)焊工位再焊接尺寸要求高的支架，形成最終的前大梁總成。影響前大梁總成精度的因素眾多，涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、沖壓成型、焊接夾具、焊接變形和操作過程等諸多方面，而產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了零件的沖壓工藝性、焊接工藝性及焊接夾具的基本結(jié)構(gòu)，這些都是影響前大梁總成焊接精度的主要因素，因此優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是前大梁總成精度控制的根源，本文根據(jù)大量現(xiàn)場造車經(jīng)驗(yàn)基于“DFM”方法進(jìn)行SE審查，向設(shè)計(jì)部門反饋ECR進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提前從工程制造環(huán)節(jié)識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)，在滿足功能前提下降低制造難度及成本，保證在試制環(huán)節(jié)快速提升前大梁總成合格率[3]。

圖1 前大梁總成基本結(jié)構(gòu)

1 前大梁總成合格率提升方法

1.1 零件整合優(yōu)化

零部件開發(fā)一般以平臺(tái)化或模塊化進(jìn)行，過多的零件數(shù)量不僅增加產(chǎn)品開發(fā)成本，而且不利于品質(zhì)提升。圖2、圖3、圖4是某幾款車型做的部分零件整合案例，圖2將防撞桿內(nèi)加強(qiáng)板2個(gè)零件整合為1個(gè)零件成型，有效解決了防撞內(nèi)加強(qiáng)板總成在X方向不共面的問題；圖3將大梁B與大梁B延伸件通過熱成型工藝一次沖壓成型，解決了匹配搭接困難及焊接變形問題；圖4將前地板橫梁延伸件A、B整合為前地板橫梁延伸單件，有效遏制了焊后搭接邊變形問題。零件是否可以整合要根據(jù)具體車型結(jié)構(gòu)而定，通過SE審查時(shí)細(xì)致分析一般都可以識(shí)別，推動(dòng)設(shè)計(jì)部門整合零件對(duì)總成制造難度降低會(huì)有立竿見影的效果。

圖2 防撞桿內(nèi)加強(qiáng)板零件整合

圖3 大梁B 及延伸件零件整合

圖4 地板橫梁延伸件零件整合

1.2 延伸件減短優(yōu)化

在前大梁總成上會(huì)焊接部分大梁延伸件。前艙區(qū)域總拼時(shí)，前大梁總成上的延伸件再通過與前圍板橫梁、地板橫梁等焊接成前機(jī)艙總成,前大梁總成上的延伸件焊接后在Z向無法避免出現(xiàn)偏差波動(dòng)，當(dāng)延伸件長度越長，Z向波動(dòng)程度受杠桿原理越嚴(yán)重，前機(jī)艙區(qū)域合拼時(shí)搭接區(qū)域經(jīng)常出現(xiàn)橫梁搭接處干涉、離空影響生產(chǎn)。通過加長匹配橫梁長度、減短大梁上延伸件長度可以有效解決Z向波動(dòng)大問題。圖5是某老車型A,延伸件優(yōu)化前平均長度為245 mm,圖6是新開發(fā)某車型B，延伸件優(yōu)化后平均長度為173.5 mm。車型B 相對(duì)車型A在Z向波動(dòng)值可削弱29.2%，通過結(jié)構(gòu)上對(duì)延伸件減短處理可以有效控制偏差波動(dòng)范圍。

圖5 優(yōu)化前延伸件長度

圖6 優(yōu)化后延伸件長度

1.3 零件法蘭邊優(yōu)化

白車身通過400～600個(gè)零件的法蘭邊相互搭接、焊接組成白車身，不同的法蘭邊結(jié)構(gòu)在制造環(huán)節(jié)控制難度也不同。圖7是典型的2種法蘭邊結(jié)構(gòu)，左側(cè)是“封閉式法蘭邊”結(jié)構(gòu)，右側(cè)是“分離式法蘭邊”結(jié)構(gòu)，封閉式法蘭邊在沖壓成型時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、褶皺，焊接面匹配搭接時(shí)由于法蘭邊是一個(gè)整體輪廓，對(duì)另一匹配零件尺寸要求非常高，否則會(huì)出現(xiàn)搭接離空或干涉問題，導(dǎo)致焊接后變形嚴(yán)重，不利于精度控制；而分離式法蘭邊互不影響，沖壓成型時(shí)單件控制容易、缺陷少，在焊接環(huán)節(jié)各法蘭邊單獨(dú)與對(duì)手件匹配搭接，即使某一搭接面配合不良，也可以通過夾具或反變形進(jìn)行補(bǔ)償貼合，不會(huì)造成關(guān)聯(lián)變形。因此在沖壓及焊接制造環(huán)節(jié)“分離式法蘭邊”比“封閉式法蘭邊”容易控制，因此更推薦“分離式法蘭邊”的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖7 沖壓件典型法蘭邊結(jié)構(gòu)

1.4 零件R根部搭接優(yōu)化

鈑金件搭接時(shí)，無法避免會(huì)出現(xiàn)R根相互配合，初期SE審查時(shí)按外R1≤6時(shí)，內(nèi)R2＞R1+4；外R1＞6時(shí)，內(nèi)R2＞R1+2審查產(chǎn)品數(shù)據(jù)，如圖8所示。但在試制及品質(zhì)提升階段，R根搭接位置干涉問題頻發(fā)，經(jīng)分析是產(chǎn)品自身R角冗余間隙小、同時(shí)沖壓單件放大R角保證品質(zhì)造成的，為避免類似問題重復(fù)發(fā)生，重新制定R根搭接處的SE審查規(guī)則。

圖8 R 根搭接位置SE 審查規(guī)則

1.4.1 2層板R根搭接優(yōu)化

2層板搭接最常見，結(jié)合大量造車經(jīng)驗(yàn)，從工藝及生產(chǎn)角度推薦如下3種R根搭接設(shè)計(jì)：優(yōu)先推薦內(nèi)R角做斜面處理，如圖9（a）所示；其次推薦外R角做凸起處理，如圖9（b）所示；最后推薦按兩R根最大間隙≥1.5 mm設(shè)計(jì)，如圖9（c）所示。不同產(chǎn)品區(qū)域的搭接結(jié)構(gòu)需選擇與之適應(yīng)的R根配合，在設(shè)計(jì)時(shí)盡量從推薦的3種結(jié)構(gòu)中選取。

圖9 2 層板R 根搭接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推薦

1.4.2 3層板R角搭接優(yōu)化

3層板搭接也較為常見，為保證3層板搭接時(shí)R根部不發(fā)生干涉問題，從工藝及生產(chǎn)角度推薦如下3種R根搭接設(shè)計(jì)：優(yōu)先推薦外R角做凸起處理、中間R角正常、內(nèi)R角做斜面處理，如圖10（a）所示；其次推薦內(nèi)R角做斜面處理，中間R角與外R角根部最大間隙≥1.5 mm，如圖10（b）所示；最后推薦3個(gè)R角根部最大間隙（D1、D2）≥1.5 mm，如圖10（c）所示。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)推薦圖10（a）、（b）兩種方案，圖10（c）方案減少或避免使用。

圖10 3 層板R 根搭接設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推薦

1.5 U型件搭接端頭優(yōu)化

大梁類零件U型搭接十分常見，其中“齊平式U型端頭”結(jié)構(gòu)又占據(jù)90%以上，如圖11所示，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、工藝成熟，因此比較常見。但在實(shí)際生產(chǎn)中由于搭接面小、搭接區(qū)域集中、零件匹配不良、焊接變形等因素影響，焊接后扭曲變形問題幾乎在每個(gè)新車型上都會(huì)出現(xiàn)，需要花很大精力進(jìn)行匹配調(diào)試解決扭曲問題?！褒R平式U型端頭”并不適用大梁這類長U型零件搭接。在SE審查時(shí)向設(shè)計(jì)部門提出ECR將“齊平式U型端頭”更改為“傾斜式U型端頭”搭接結(jié)構(gòu)，如圖12所示，新結(jié)構(gòu)通過斜面搭接間接增加零件搭接面積及長度，同時(shí)消除焊接區(qū)域集中的問題，自身結(jié)構(gòu)抗扭性能有很大改善。因此在較長U型零件搭接時(shí)，推薦使用“傾斜式U型端頭”結(jié)構(gòu)，降低制造難度、縮短調(diào)試時(shí)間。

圖11 齊平式U 型端頭搭接

圖12 傾斜式U 型端頭搭接

1.6 焊接面的搭接優(yōu)化

設(shè)計(jì)車身為點(diǎn)焊焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量使焊點(diǎn)在剪切力下工作，而不是在拉力下工作，在剪切力工作的搭接面可以通過夾具快速糾正鈑金超差問題，如圖13所示；焊接搭接邊設(shè)計(jì)時(shí)，僅對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行搭接設(shè)計(jì)，其他區(qū)域離空設(shè)計(jì)，離空的局部凸筋不僅能提高零件自身強(qiáng)度，而且降低了匹配制造難度，如圖14所示。

圖13 焊點(diǎn)不同受力結(jié)構(gòu)

圖14 非焊接區(qū)域離空設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1.6.1 推薦的搭接面設(shè)計(jì)

鈑金零件的焊接搭接區(qū)域，推薦如下搭接結(jié)構(gòu)：1）平行于車身坐標(biāo)軸方向做搭接設(shè)計(jì)，若是成角度的斜面搭接，則零件在X、Y、Z某一方向調(diào)整時(shí)會(huì)出現(xiàn)干涉或離空問題；2）零件搭接面設(shè)計(jì)為平面。如圖15是某車型副車架安裝螺母加強(qiáng)板的搭接結(jié)構(gòu)，在Z向面搭接時(shí)屬于斜面搭接，若副車架螺母需要沿+X方向調(diào)整一段距離，則螺母安裝面會(huì)發(fā)生下沉問題；若沿-X方向調(diào)整一段距離，則螺母安裝面會(huì)跟著發(fā)生上移，該搭接對(duì)副車架安裝面在Z向尺寸控制均不利。圖16是某車型前大梁B螺母板與前大梁的搭接結(jié)構(gòu)，搭接為Z向平面搭接，大梁B螺母板上的安裝孔在X方向任意調(diào)整，螺母安裝面Z向尺寸均不受影響，故該搭接結(jié)構(gòu)更有利于車身尺寸調(diào)試。

圖15 副車架安裝螺母加強(qiáng)板斜面搭接

圖16 前大梁B 螺母板平面搭接

1.6.2 避免的搭接面設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免或減少“弧面”或“折彎面”搭接設(shè)計(jì)，如圖17所示。主要有以下3點(diǎn)原因：1）沖壓零件制造時(shí)精度控制困難；2）搭接配合時(shí)對(duì)2個(gè)零件一致性狀態(tài)要求極高，難以做到充分貼合進(jìn)而影響總成精度；3）在坐標(biāo)軸方向調(diào)整零件匹配其他區(qū)域搭接面困難。因此在總成設(shè)計(jì)時(shí)要避免上述搭接方式。

圖17 零件弧面搭接與折彎面搭接結(jié)構(gòu)

避免帶“斜面焊點(diǎn)法蘭邊”搭接設(shè)計(jì)。通常推薦水平或豎直的焊接搭接面，人工焊接時(shí)不僅焊鉗操作方便、焊點(diǎn)馬蹄坑少，而且鈑金間不會(huì)相互搓動(dòng)將零件撐開變形導(dǎo)致精度變差。圖18是某車型設(shè)計(jì)的“斜面焊點(diǎn)法蘭邊”搭接結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場為人工焊接，經(jīng)測量焊接后鈑金搓動(dòng)量約2～3 mm,嚴(yán)重影響總成精度。

圖18 斜面焊點(diǎn)法蘭邊搭接結(jié)構(gòu)

1.7 螺母、螺栓過孔設(shè)計(jì)優(yōu)化

凸焊螺母、凸焊螺栓上的鈑金搭接需開過孔預(yù)留調(diào)整余量。根據(jù)大量造車經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)部門功能需求進(jìn)行總結(jié)，過孔按照?qǐng)D19標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時(shí)生產(chǎn)未出現(xiàn)過擋孔問題，同時(shí)滿足功能需求，在車身SE審查時(shí)，建議按此要求執(zhí)行。

圖19 鈑金過孔SE 審查規(guī)則

1.8 零件定位孔的優(yōu)化

減少或避免使用公共定位孔。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)為減少鈑金開孔，會(huì)使用公共定位孔定位零件，如圖20所示，定位孔并非最終的功能安裝孔，導(dǎo)致零件在夾具上相對(duì)位置固定無法獨(dú)立調(diào)整，在鈑金定位孔設(shè)計(jì)時(shí)，建議對(duì)每個(gè)零件設(shè)計(jì)單獨(dú)的定位孔，同時(shí)預(yù)留過孔供匹配調(diào)整，如圖21所示。

圖20 產(chǎn)品公用定位孔結(jié)構(gòu)

圖21 產(chǎn)品獨(dú)立定位孔結(jié)構(gòu)

2 結(jié)語

前大梁總成合格率受諸多因素的綜合影響，本文僅基于“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化”環(huán)節(jié)做了相關(guān)說明，通過在源頭上控制、優(yōu)化產(chǎn)品可有效地降低制造難度，為后期工藝開發(fā)、制造環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)，保證“品質(zhì)提升”、“成本降低”綜合目標(biāo)達(dá)成，使產(chǎn)品在市場上更具競爭力。