新材料与工艺手册

[标准与规范] 汽车检具轻量化应用探讨

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发表于 2020-11-26 16:44:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】汽车检具轻量化应用探讨


来源:期刊-《时代汽车》;作者:温培康
(广州敏实汽车零部件有限公司)
摘 要: 本文从检具常用典型结构材料对比分析,得出不同使用条件和需求下,如何选择检具材料来实现检具轻量化;并且从检具检测型块、支撑柱和底座这三大块着手,通过结构设计优化分析,从而实现检具轻量化。最后,结合现实情况,总结出检具轻量化应用的建议方案。
关键词:检具;轻量化;材料;结构优化




1 引言
目前,中国汽车产销量已经连续十年蝉联全球第一,属于全球汽车产销大国。国内家庭基本都拥有一辆或以上汽车,连农村的小巷都停满汽车。随着居民生活质量的提高,对于汽车,除了作为交通工具,品质也有更高的要求。在汽车开发和生产中,汽车检具就是一种高效的品质管控专用工具。汽车由成千上万个零件组成,分别由汽车厂和零部件供应商组成的产业链生产,开发和生产过程中必然会出现品质问题。当出现品质问题,检具就是一种很好的品质判断标准,以帮助问题的分析。这可能会导致零部件供应商需要把检具运输到汽车厂检证。检具也需要定期到三坐标测量仪复测精度。产品开发初期,需要把产品装到检具,搬到三坐标测量仪进行全尺寸测量。这些都会导致检具在汽车厂或者零部件供应商内部移动,搬运。故品质人员非常关注检具的重量,要求轻量化,搬运便利性。本文针对检具轻量化需求和发展趋势,从检具材料和结构工艺两方面进行探讨分析。

<span]目前,中国汽车产销量已经连续十年蝉联全球第一,属于全球汽车产销大国。国内家庭基本都拥有一辆或以上汽车,连农村的小巷都停满汽车。随着居民生活质量的提高,对于汽车,除了作为交通工具,品质也有更高的要求。在汽车开发和生产中,汽车检具就是一种高效的品质管控专用工具。汽车由成千上万个零件组成,分别由汽车厂和零部件供应商组成的产业链生产,开发和生产过程中必然会出现品质问题。当出现品质问题,检具就是一种很好的品质判断标准,以帮助问题的分析。这可能会导致零部件供应商需要把检具运输到汽车厂检证。检具也需要定期到三坐标测量仪复测精度。产品开发初期,需要把产品装到检具,搬到三坐标测量仪进行全尺寸测量。这些都会导致检具在汽车厂或者零部件供应商内部移动,搬运。故品质人员非常关注检具的重量,要求轻量化,搬运便利性。本文针对检具轻量化需求和发展趋势,从检具材料和结构工艺两方面进行探讨分析。
<span]检具是用以检查复杂形状零件的孔位、外周形状、段差、出入量等尺寸的专用治具。汽车检具按照被检测零件材质主要分为金属件检具和塑料件检具。检具按照结构主要分为夹紧机构、定位销、检测销、检测型块、底座、滑动或者翻转式检测机构、手持检规、校准机构以及支撑柱。检具底座主要有框架式底座和板式底座两种。图1为简单检具的示意图。
图1

表1 典型结构材料的密度和强度

3 检具材料轻量化
传统检具一般使用45号钢作为主要材质,虽然其强度高,耐用,但是伴随而来就是笨重,移动性差。随着轻量化概念的普及和轻量化技术的不断进步,许多新型材料被研发并投入到检具制造中,例如,铝合金、合成树脂、电木和碳纤维等。表1列出了检具常用典型结构材料的密度和强度。从表中的材料密度可以看出,新型材料比结构钢的密度低很多,能实现检具的轻量化。
<span]传统检具一般使用45号钢作为主要材质,虽然其强度高,耐用,但是伴随而来就是笨重,移动性差。随着轻量化概念的普及和轻量化技术的不断进步,许多新型材料被研发并投入到检具制造中,例如,铝合金、合成树脂、电木和碳纤维等。表1列出了检具常用典型结构材料的密度和强度。从表中的材料密度可以看出,新型材料比结构钢的密度低很多,能实现检具的轻量化。
<span]从检具的结构分类看,检测型块、支撑柱和底座占据检具的大部分重量,故检具轻量化主要从这三块着手。检测型块只是检测产品的尺寸,产品在检具上装夹好时,产品和检测型块是有间隙的(通常为3mm间隙),而且检测型块不需要承受其他零件的重量,所以检测型块强度要求不高,不需要做得太大。但是产品在检具装拆过程中可能会碰到检测型块,故针对不同类型产品和工厂环境条件,检测型块强度和硬度要求不一样,主要有以下两种情况:第一,对于金属类产品,工厂环境较差,产品在装拆过程中容易碰到检具,建议检测型块选择结构钢,保证强度和耐磨性。如果有轻量化要求,工厂环境条件较好的,检测型块可以选择铝合金减重。如果对检测型块耐磨性有要求,铝合金可以做阳极硬化处理。如果对轻量化要求很高,工厂配有专门的检具测量房,可以选择代木材料。常用代木材料牌号有460和5166,460代木比较轻,硬度不高,适合临时检具使用;量产正式检具建议选择密度较高,硬度较高的5166代木。第二,对于塑料类产品,由于其本身较软,检测型块可以选择铝合金或者代木来实现轻量化。同理,工厂环境较差,建议检测型块选择铝合金;如果轻量化要求较高,工厂环境条件较好的,检测型块可以选择代木进一步减重。
支撑柱主要在定位块、检测型块、夹紧等机构和底板之间起连接作用。支撑柱需要承受其上面连接的定位块、检测型块和夹紧等机构的重量,故对支撑柱强度有一定的要求,需要保证有足够的强度。如果支撑柱上面的机构较大和较重,那么建议支撑柱选择结构钢材料。一般情况下,支撑柱可以选择铝合金来减重。
<span]支撑柱主要在定位块、检测型块、夹紧等机构和底板之间起连接作用。支撑柱需要承受其上面连接的定位块、检测型块和夹紧等机构的重量,故对支撑柱强度有一定的要求,需要保证有足够的强度。如果支撑柱上面的机构较大和较重,那么建议支撑柱选择结构钢材料。一般情况下,支撑柱可以选择铝合金来减重。
<span]检具底座是要支撑检具上所有零件和产品,并且要保证自重下,底板四个角的测量基准的平面度在0.1mm,故对底座的强度有非常高的要求,需要保证足够的抗拉强度和抗弯强度。底座一般选择结构钢、铝合金、电木和碳纤维这4种强度较高的材料。第一种情况,检具检测型块材质为结构钢,支撑柱材质为钢材或者铝合金时,底座需要承受的重量是很大的,这时检具底座必须选择结构钢。第二种情况,检具检测型块和支撑柱材质均为铝合金时,底座需要承受的重量不是很大,可以选择铝合金材料来进行减重。第三种情况,检具检测型块和支撑柱直接使用代木时,底座承受的重量较轻,可以选择铝合金材料。如果检具为临时检具,对轻量化有较高要求,底座可以使用电木材料。第四种情况,对检具轻量化有极致的要求,可以选择强度高和密度小的碳纤维材料做框架底座,检测型块选用代木材料,通过糊状树脂将检测型块粘接在碳纤维框架底座上。例如,汽车前风窗框检具有使用碳纤维材料做成的框架底座,通过糊状树脂粘接代木,机加工后成为检测型块和支撑座,支撑座可以安装定位块等机构。这种方法制作成的汽车前风窗框检具具有极致的轻量化,并且强度很高,能保证检具的高精度。碳纤维制作的检具轻量化固然一流,但是成本也水涨船高。如果对轻量化有一定要求,又要考虑成本,我建议金属类产品检具的检测型块、支撑柱和底座均选择铝合金材料;而塑料类产品检具的检测型块和支撑柱均选择代木材料,底座选择铝合金材料。

4 检具结构轻量化

图2

图3

检具除了使用轻量化材料减重外,还可以通过结构优化减重。由于检测型块、支撑柱和底座占据检具的大部分重量,结构优化将从这三大块进行分析。第一,检测型块只是用做测量产品的尺寸参考,主要能承受自身重量即可,故设计上尽量做小。某些情况,检测型块直接和底板连接,不需要支撑柱,这时检测型块会比较大,可以在检测型块中间掏空,如图2所示。第二,支撑柱需要支撑定位块、检测型块和夹紧等机构的重量,故需要保证自身强度。一个支撑柱支撑的零件较多或者较大时,支撑柱的体积就会很大,如果做成实心的,会非常重。这里介绍两种结构优化方法:(1)支撑柱用平板焊接而成,在平板搭接处焊接加强筋,保证支撑柱的刚性和强度,如图3所示;(2)对于用一体支撑柱,体积较大时,可以从支撑柱底部钻孔减重,如图4所示。第三,检具底座是要支撑检具上所有零件和产品,对底座的强度有非常高的要求。如果底座上的零件不是密布,留有空位,那就可以保证底座强度和刚性前提下,对底座掏空减重,如图5所示。
<span]检具除了使用轻量化材料减重外,还可以通过结构优化减重。由于检测型块、支撑柱和底座占据检具的大部分重量,结构优化将从这三大块进行分析。第一,检测型块只是用做测量产品的尺寸参考,主要能承受自身重量即可,故设计上尽量做小。某些情况,检测型块直接和底板连接,不需要支撑柱,这时检测型块会比较大,可以在检测型块中间掏空,如图2所示。第二,支撑柱需要支撑定位块、检测型块和夹紧等机构的重量,故需要保证自身强度。一个支撑柱支撑的零件较多或者较大时,支撑柱的体积就会很大,如果做成实心的,会非常重。这里介绍两种结构优化方法:(1)支撑柱用平板焊接而成,在平板搭接处焊接加强筋,保证支撑柱的刚性和强度,如图3所示;(2)对于用一体支撑柱,体积较大时,可以从支撑柱底部钻孔减重,如图4所示。第三,检具底座是要支撑检具上所有零件和产品,对底座的强度有非常高的要求。如果底座上的零件不是密布,留有空位,那就可以保证底座强度和刚性前提下,对底座掏空减重,如图5所示。<span]以上介绍了如何从检具材料选择和检具结构优化来实现检具的轻量化,基本可以满足大部分公司对检具轻量化的要求。检具轻量化固然有很多好处,但是选择强度高、密度小材料的价格更高,结构优化减重也会增加机加工的费用。检具轻量化越大,对应的成本也会越高,鱼与熊掌不可兼得。现实中,汽车行业竞争非常激烈,对成本管控非常严,故不能一味追求检具的最大轻量化,不计成本的去制作检具,而是应该根据公司自身的情况和需求来综合选择检具的材料,在轻量化和成本之间找到平衡点。


发表于 2021-1-7 11:45:32 | 显示全部楼层
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