第
1章 绪 论1
.1 引 言汽车车身是由柔性薄板零件经过多级装配而成
,装配过程复杂,影响装配质量的因素很多
。在车身由“零件—分总成—总成—整车”的装配过程中,柔性薄板处于整个装配过程的最底层
,其制造质量是保证车身最终质量的根本。但是,由于零件冲压成型过程中存在弹性变形
、塑性变形及回弹等因素,在实际生产中,车身零件制造尺寸的偏差难以控制
[1,2]。在装配过程中,零部件的接头形式、夹具定位方案及装配顺序规划等装配工艺设计对装配质量有着重要影响
,尤其是夹具定位设计对装配过程零部件尺寸偏差的传递和累积起重要作用
。由于制造中不可避免地存在零件制造误差
、夹具定位偏差等方面的偏差源,这些偏差源在制造过程中或不断累积或被消除掉
[3,4],因此薄板装配的偏差建模及夹持点布置优化设计成为薄板装配的重要问题
。然而在此之前,有必要对汽车薄板的装配过程和此过程中存在的源偏差及引入偏差等进行系统的分析
。1
.2 汽车薄板件装配概述汽车车身是由大量薄板冲压零件通过焊接得到的复杂壳体总成件
。车身冲压件又称为车身覆盖件
,尺寸大、刚度小,通常由低碳薄钢板冲压而成。从结构形式上来说
,车身覆盖件可以分为三类:第一类是外覆盖件,通常指与车身外形有关的大型零件
;第二类是骨架结构件,即内覆盖件,是指汽车内部的大型板件;第三类是加强结构件
,包括车体内部的加强筋、加强板以及支架类构件等[4]。汽车的装焊工艺是一个复杂的层级式装配过程
,即“零件—分总成—总成—整车
”的装配过程。在这个过程中,总成是具有独立功能的汽车部件单元,总成的种类很多
,通常包括:地板总成、发动机舱总成、左侧和右侧总成、后围总成、顶盖总成
、左车门和右车门总成、发动机罩总成、行李箱盖总成、前翼子板和后翼子板总成等
[5],图1.1给出了汽车所包含的部分总成形式。车身本身也可以认为是汽车车体最大的总成
,如图1.2所示为典型的白车身结构,其重量和制造成本占整车的
40%～60%。通常一个车身由250多个薄板冲压件在55～75个装配站上装焊而成
,装夹定位点1700～2500个,焊点多达4100个[6]。
图
1.1 典型车身装焊总成及各分总成1
.车身总成;2.发动机舱盖总成;3.车顶盖板总成;4.后备箱盖总成;5
.前翼子板;6.门框总成;7.后翼子板;8.前车门总成;9.后车门总成图
1.2 典型白车身结构
汽车车身覆盖件可理解为经一系列工艺连接后形成的薄板件冲压装配体。一辆轿车由数百个薄板冲压件经点焊
、CO2气体保护焊、钎焊、铆接、机械连接以及黏结等一系列工艺加工成型
。车身装焊的主要方式是电阻焊,焊点的形成过程是热
/机械(力)联合作用的过程,如图1.3所示。电阻焊是将工件置于两电极之间
,通以电流之后工件接触面及附近区域受热至熔融状态,从而实现金属的结合。故焊点的形成过程是热
/机械(力)联合作用的焊接过程(见图1.3)。包括点焊、凸焊
、缝焊、对焊,约占总焊接量的90%,焊接设备有悬挂式点焊机、固定式点焊机、多点焊机
、螺柱式点焊机以及焊接机器人等[7]。图
1.3 电阻点焊原理图在工艺如此众多
、复杂的装配过程中,制造的每一个阶段都难以避免地存在偏差
,因此影响装配质量的因素众多。在装配过程中,冲压件尺寸误差、装配件尺寸偏差
、焊接变形、夹具偏差、零部件的接头形式、定位方案、装配顺序规划等装配工艺设计对装配质量有重要影响
,这些误差在车身装配过程中耦合、积累、传播,最终形成车身制造的综合误差
,影响到车身的综合尺寸精度[5]。如何全面地构建各组成偏差
,并优化装配工艺设计,减小装配偏差的累积或减小其对源偏差的敏感度
,对实际生产有非常重要的意义。1
.3 薄板接头型式与装配方式车体装配为一种多层次体系工艺过程
,若干零件经装焊成为分总成,分总成又变成下一层装配中的零件
,不同部分的分总成又在一起构成总成,随着层次的递进最终形成车身结构
。在此过程中,并联和串联是两种基本的车身装配形式,以这两种装配形式为基础
,零件间存在三种主要的接头型式,这些都直接影响装配体的刚度
、装配尺寸精度以及装配线的柔性[8,9]。1
.3.1 接头型式汽车薄板焊接电阻点焊的主要接头型式有三种
:搭接接头(见图1.4(a))、弯边对接接头
(见图1.4(b))、弯边角接接头(见图1.4(c))[10]。对于搭接型式,两装配薄板相互交叠
,焊点处于交叠部位;弯边对接型式适用于带有弯边的两薄板装焊
,然而当两薄板间存在较大间隙时,需要相当大的焊接力来消除薄板间隙实现焊接操作
;弯边角接型式可以理解为前两种接头的混合型式。
(a)
搭接接头 (b)弯边对接接头(c)
弯边角接接头图
1.4 薄板件装配基本接头型式在三种接头型式中
,搭接接头可以适应在接头方向上的滑动,从而补偿上游的误差
,降低对误差的传播。搭接接头方式的装配偏差主要来源于焊接夹具,当板厚相对较大时
,装配偏差主要取决于厚板工件,因此降低装配夹具的偏差成为提高装配精度的关键
。对接接头由于放大了工件的尺寸波动,所以质量相对较差
,这种型式的装配偏差主要来源于工件本身,所以控制工件本身的偏差可以有效降低装配偏差
。采用角接接头型式时,装配偏差对厚度大的翻边法兰的偏差比较敏感
[9,11]。另外,薄板件的柔性主要体现在沿板件平面法线方向的变形,因此三种接头型式中
,搭接型式的回弹现象最严重,变形分析也最为复杂。与此同时,由于其开放性好
、便于焊接,它也是薄板装焊中最常见的接头型式。1
.3.2 装配方式无论选择何种接头型式
,对于汽车薄板件而言,装配方式只有两种:串联装配和并联装配
,如图1.5和图1.6所示[12]。据统计,大刚度工件偏差是最主要的偏差源
。在车体制造过程中,串联装配偏差大于单个工件的装配偏差,并联装配则相反
。主要原因如下:在进行串联装配时,其偏差特性主要取决于工件的几何特性
;在进行并联装配时,其偏差特性受工件的几何结构和力学性能的影响,装配偏差很大程度上取决于刚性大的零件
。串联装配偏差比并联装配更有累积性。下面详述两种装配方式的装配偏差模型
[11,12]。图
1.5 薄板件串联装配方式图
1.6 薄板件并联装配方式
图1.5是串联装配的一维梁单元模型,装配前两零件的偏差分别为v1、v2,焊接过程中点焊电极的夹紧力
F1、F2将克服零件偏差使之达到名义装配位置,装配偏差模型可由线性力学推导得出
W
1=F1L313
EI1=v1(1.1)W
2=F1L313
EI11+3L22L1+F2L326EI2=1+3L22L1v1+0.5v2(1.2)式中
,F1、F2为两点焊电极所施加的焊接力;L1、L2为两薄板件长度尺寸;v1、v2、W
1、W2为两工件源偏差及关键点偏差;I1、I2为两工件惯性矩。对于并联装配
(图1.6),可由同样的方法推导出:v
a=K1K
pv1+K2Kpv2(1.3)v
a=K1K
pv1+K2Kpv2=F1Kp+F2Kp=F1+F2Kp=FKp(1.4)式中
,K1、K2为两工件法向刚度;Kp为装配件法向刚度;va为装配件偏差。由式
(1.4)可以知道,如果一个零件的刚度系数远远大于另一零件的刚度系数
,而其偏差很小可以忽略,那么装配偏差就会非常小。需要指出的是:虽然上述研究建立的模型和提出的方法揭示了柔性件装配偏差传递的特点
,但对车身冲压件等复杂空间曲面零件的装配不太适用
,应对复杂的三维空间曲面薄板件的偏差传递进行研究
。1
.4 薄板装配定位及夹紧原理依据力学概念
,任何刚体在空间内都具有六个自由度,即沿某一坐标系{x,y,z}
轴线的三个移动和绕轴线的三个转动(见图1.7)。零件定位的目的是确定零件在夹具中的位置
,从运动学的角度来讲就是消除或限制零件相对夹具的六个自由度
。消除(或限制)自由度的方法即为定位方法,传统的定位方法为刚体六点定位原理
。在实际应用中,六点定位原理亦称为“3-2-1”定位原理,夹具通过其定位元件上的点
、线、面与工件的接触来实现对工件的限定[13]。如图1.7所示,工件在空间内受到六点支撑
,这六点的配置为:三支承点在夹具平面A内形成基准平面(面接触
)称为首要基准(第一基准);二支承点在夹具平面B内形成导向面(线接触)称为导向基准
(第二基准);一点在夹具平面C内称为定程基准(第三基准)。图
1.7 刚体六点(“3-2-1”)定位原理薄板件在装配过程中最主要的变形是由于自重引起在法线方向上的变形
,因此相应的夹具系统应该在第一基准面上存在多于
3个定位点以限制这一变形。针对这一问题
,Cai[11]于1996年提出了柔性薄板件夹具的“N-2-1”定位原理,方法是在薄板件的法线方向上布置
N≥3个定位点,以限制其在该方向的变形。需要注意的是
,根据“N-2-1”定位原理,在第一基准面上,定位点的个数一般大于
3,但应该使N尽量取较小的值,这样定位点位置的选取就起着重要作用。定位点个数和位置的确定可以采用有限元分析方法和非线性规划方法
。实际作用力通常不会作用在第二
、第三这两个基准面方向上,所以分别需要2个和1个定
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