基于TcAE系统的车身覆盖件柔性料架设计及应用

鲁开菊， 宋丽丽， 韦荣发

（上汽通用五菱汽车股份有限公司， 广西 柳州 545007）

0 引 言

车身关键自制件包含侧围外板、翼子板、顶盖、前后盖内外板、门内外板等零件，这些零件通过压力机冲压成形，又叫关键冲压件。冲压件料架又称为冲压件工位器具、料框等，主要是指冲压车间和车身车间生产过程中用于盛装或（和）运送冲压零件的辅助性用具。不同的车身覆盖件单个料架的装框量相对固定，因此料架数量与车型的库存规划量直接相关，按照每个零件600件的库存量估算，单个车型的料架数量约500个，成本约120万元。

传统的料架一般都是专框专用（一种料架对应一种零件），无法柔性共用，规格不一样、转运方式不统一、改造费用较高[1]。目前，汽车行业的竞争越来越激励，车型的平均寿命缩短到3年左右，车型停产之后，只有少数料架通过简单的改造后可以共用。大部分料架因为改造成本（物流及改制成本）较高不能回收利用，占用大量空间，最后进行报废处理，造成巨大的成本浪费[2,3]。

目前行业内对单个自制件柔性料架开发研究较多，也产生了许多专利[4,5]，但是对整车关键冲压件柔性料架开发系统性研究的文献较少。国旭华等[6]认为精益工位器具开发必须满足合理配置、经济运输、便利搬运三大原则。吕松等[7]认为工位器具设计必须考虑质量、安全、成本以及标准化等方面的要求。徐跃宏[8]建议利用数字化软件进行工位器具标准化、模块化设计，有效提高器具柔性化程度，通过平台化来降低工位器具的开发成本。

以下利用企业自主研发的PDM—TcAE系统分析了多个车型关键零件尺寸规格及装框特征。在传统工位器具设计规范的基础上，开展车身覆盖件柔性料架设计开发研究，建立关键冲压件柔性料架库，并集成到TcAE系统中指导新项目关键冲压件工位器具设计。

1 柔性料架设计原则

冲压件料架基本结构如图1所示，由料架本体部分（框架、底座、转台等）、定位夹紧部分（悬挂杆、压杆、支撑杆、定位块、卡紧装置等）和其它部分（活动轮、固定轮、拖挂钩、地刹器、叉车槽、信息看板等）构成。本体部分是料架的骨架和基础，结构强度必须满足装框总质量的要求；定位夹紧部分是零件在料框中的固定限位控制点，每种覆盖件有不同的固定限位点；其它部分是料架的辅助部件，大部分主机厂都尽量采用标准件。零件的尺寸决定了料架本体的尺寸，零件在料架中的定位夹紧部分模块化是实现料架柔性设计的关键。因此柔性料架设计必须满足系列化、模块化和标准化3个原则。

图1 冲压件料架基本结构

1.1 系列化

冲压车间17个自制件料架按零件装框方式优化为悬挂式、摆放式、抽拉式和堆垛式4个系列，清单如表1所示。从表1可以看出，大部分零件可以通过悬挂式系列料架完成装框，这是由于车身零件特性决定，悬挂的两点位置在车门玻璃区域或门盖内板的大孔区域，需要两侧限位。其次是摆放式料架，由于零件特征无法悬挂只能通过两点支撑固定，同时需要两侧限位。抽拉式料架是半截门外板专用，堆垛式料架是顶盖专用。所有的料架必须要求外板单件隔离，防止在运输过程中划伤零件外表面，所有的内板根据物流和装框数量设定间隔数量。综上分析，冲压件料架柔性的关键点是悬挂、限位等结构实现柔性可调整，而这些结构模块化设计是柔性调整的前提。

表1 关键冲压件料架系列化清单

1.2 模块化

料架上的柔性部件按分类标准模块化设计制作，可以缩短料架的制造周期和降低制造成本。建立通用标准料架支撑限位模块化结构，按照零件最优位置布置。模块化结构采用柔性设计，可调、可更换，后期改造费用少。

（1）通用悬挂杆和支撑杆柔性调节结构如图2所示。悬挂杆柔性调节结构主要由双立杆、上下调整块和左右调整块构成，左右调整块卡在料架框架主杆上，通过左右调整块实现悬挂杆左右调整。上下调整块采用标准结构（前后5 mm厚的钢板，4个φ14 mm螺钉固定）在双立杆中实现悬挂杆上下调节。图2（b）所示为通用支撑杆柔性调节结构，通用支撑杆柔性调节结构一般包含内部左右调整块和框架左右调整块，调整块全部设计为标准结构。2个内部左右调整块或2个框架左右调整块组合实现支撑杆左右调节。悬挂横杆和支撑横杆在满足外板单件隔离时需要增加间隔聚氨酯，对内板零件需要增加限位块。

图2 通用悬挂杆与支撑杆柔性设计

（2）通用限位杆柔性调节结构设计规范如下：通用侧限位杆包含外板限位杆和内板限位杆，两者都是通过上下调整块实现限位杆上下调节。外板限位杆上增加间隔板，间隔板接触零件外表面的位置需要增加聚氨酯橡胶防止刮伤零件。内板限位杆根据间隔零件数量设置间隔板，还可以通过间隔板调整块实现内板间隔数量的调整，如图3所示。

图3 通用限位杆柔性调节结构

1.3 标准化

部件模块化后能标准化的结构尽可能标准化。

（1）料架框架采用方形管，主受力管壁厚3 mm，辅助受力管壁厚2 mm，工作受力单板厚度5 mm。料架框架主受力方管断面尺寸规格为50 mm×50 mm，受力双杆尺寸为40 mm×40 mm，其它结构管按照设计需要进行选择。

（2）受力悬挂撑杆设计成方管或圆管结构，尺寸规格为方管断面50 mm×50 mm，圆管断面φ50 mm，外板支撑杆管壁厚3 mm，内板支撑杆管壁厚5 mm。

（3）所有的辅助配件如翻爪、聚氨酯橡胶、活动轮、固定轮、拖挂钩、地刹器、叉车槽等均标准化。标准底板结构如图4所示，包含标准接油盘、踩踏加强杆和标准叉车导向槽，导向槽标准尺寸为200 mm×80 mm，槽间距统一设为850 mm。这样设计后可以缩短料架设计制造周期、降低开发成本，同时便于车间物流叉车作业。

图4 通用料架底板结构

2 4种柔性料架设计规范

冲压件的料架部件模块化和标准化后，4个系列料架的柔性化结构设计如下。

2.1 悬挂式料架

悬挂式料架根据零件的不同可分为通用悬挂式料架和侧围悬挂式料架，差异主要在于侧围式悬挂料架增加了下支撑杆。

（1）侧围悬挂式柔性料架结构设计规范。侧围悬挂式柔性料架结构如图5所示，适用于两厢车、三厢车、SUV、MPV、单排以及双排侧围外板零件装框。柔性单元包括悬挂杆、支撑杆和侧限位杆，其中悬挂杆上下左右范围≥600 mm，支撑杆左右调整范围≥300 mm，侧限位杆上下调整范围≥300 mm。轮罩位置不承受零件质量，只用于隔离零件前后位置，避免运输过程中碰伤零件。

图5 侧围悬挂式柔性料架结构

（2）通用悬挂式柔性料架结构设计规范。通用悬挂式柔性料架结构如图6所示，适用于全框侧门外板、全框侧门内板、半截门内板、尾门内外板、发罩内板等零件。柔性单元包括悬挂杆和侧限位杆，其中悬挂杆上下左右范围≥600 mm，侧限位杆上下调整范围≥300 mm，根据内外板选择相应的侧限位杆柔性调节结构。悬挂杆横梁钢材厚度内板需≥5 mm，钢材单根需满足横向承重300 kg。

图6 通用悬挂式柔性料架结构

2.2 摆放式料架

摆放式料架根据零件不同可分为通用摆放式料架和翼子板摆放式料架，差异点主要在翼子板支撑限位结构不同。

（1）通用摆放式料架。通用摆放式料架如图7所示，适用于发罩外板、发罩内板、半截尾门外板等零件。柔性单元包括支撑杆和侧限位杆，其中支撑杆左右调整范围和侧限位杆上下调整范围≥300 mm。根据内外板选择相应的侧限位杆柔性调节结构，发罩外板卡销不得直接接触零件A面（外观面），但可以接触零件背面及翻边位置。

图7 通用摆放式料架

（2）翼子板摆放式料架。翼子板摆放式料架如图8所示，主要适用于翼子板装框，根据翼子板轮毂处特征设计2个支撑杆（Ⅰ、Ⅱ），发动机罩搭接处的限位杆和压杆实现翼子板的固定。柔性单元包括支撑杆、限位杆和压杆，其中支撑杆前后调节范围≥300 mm，限位杆上下左右调节范围≥300 mm，压杆实现2级调节。

图8 翼子板摆放式料架

2.3 抽拉式料架

抽拉式柔性料架如图9所示，主要适用于半截侧门外板装框。柔性单元为上限位杆，上限位杆可以上下调整范围≥300 mm，基本可以覆盖所有半截门外板装框。

图9 抽拉式柔性料架

2.4 堆垛式料架

堆垛式柔性料架如图10所示，适用于顶盖、小天窗顶盖，能实现单装顶盖或双装顶盖（微型车顶盖、单排车顶盖）存放，可以根据车型情况是否选择双装顶盖中部支撑限位结构，同时侧卡板可以选择钢制侧卡板和聚氨酯侧卡板。柔性单元包括前部支撑杆、尾部支撑杆和前后限位杆，其中前部和尾部支撑杆左右调整范围≥50 mm，尾部支撑杆前后调整范围≥400 mm，前后限位杆实现3级调节。零件边缘与卡销立柱边缘的距离控制在5 mm以内，顶盖零件侧面有翻边结构，料架承托卡销需要布置在零件前后侧，避免零件变形。

图10 堆垛式柔性料架

3 柔性料架尺寸系列化及系统管理

研发的PDM—TcAE系统是在商业版TcAE系统基础上进行开发和改造，将汽车行业先进的设计理念变成具体的结构化、流程化的模块放进TcAE系统，快速高效地进行车型设计和数据管理。将前面设计的柔性料架系列集成到此系统中管理，通过此系统可以方便调取不同车型的零件进行装框校核，如图11所示。

图11 TcAE柔性料架数据集和零件校核

通过零件校核可以获得全部车型零件的尺寸数据和分布，经分析和比对，可以设定柔性料架的尺寸系列化规格，如表2所示。经过评估，12种系列化尺寸规格的柔性料架可以覆盖97%以上的覆盖件。从表2可以看到，通用悬挂式的料架规格最多，主要是它装框的零件种类最多，而翼子板摆放式料架和半截门外板抽拉式料架只设定一种尺寸规格，因为这2个零件的装框特征基本不变，料框部件的柔性调整范围可以满足不同车型零件的尺寸。系列中高度为1 600 mm的料架最多，这是为了满足冲压车间4层堆垛和叉车操作高度的要求。

表2 关键冲压件料架尺寸清单 mm

4 产生效益

柔性化料架全面推广应用后，各生产基地取得了较好的效益。

（1）柔性化水平高。成功实现四大基地取消工位器具报废的目标，料架90%以上可通过平台化实现共用，剩余10%通过改造后实现共用。

（2）制造周期短。传统专用料架在车型退市后，由于存在改造困难、改造费用高等问题，需重新制造新车型零件料架，设计、制造周期为3~4周。优化调整并模块化料架内部结构，实现可调、可更换等功能，在后续新车型改造时仅需1~2天即可完成。

（3）开发、改造费用少。通过柔性化共用相同装框减少了项目新开发料架数量30%，且逐渐降低，节省了料架开发费用。当旧车型退市后，料架可通过内部结构调节或更换少量内部结构实现共用，节省料架改造费用。

（4）料架强度高、使用寿命长。传统料架专件专用，整个项目车型包含的料架数量多，在项目预算的限制下，通常需要在满足料架使用强度的条件下降低制造成本。柔性料架设计考虑料架强度裕度，满足长寿命的使用要求。

5 结束语

依托企业自主研发的TcAE数据管理系统，对车型覆盖件进行大数据分析，获得了零件装框关键特征和尺寸系列分布。对自制冲压件料架进行系列化、部件柔性化和标准化设计，实现自制冲压件柔性平台开发。该研究成果推广后，取得较好的经济效益，新项目关键冲压件工位器具投资成本降低80%以上，每个项目平均节约厂房面积300 m2。为企业制造平台化项目开展提供了成功的案列，可向企业内车身物流以及企业外供应商推广。