Leichtbau von Prüfvorrichtungen für die Automobilindustrie - wie geht das?

1. Einleitung

Bei der Entwicklung und Produktion von Kraftfahrzeugen sind Kfz-Messgeräte ein effizientes Instrument zur Qualitätskontrolle. Kraftfahrzeuge bestehen aus Tausenden von Teilen, die von einer industriellen Kette aus Automobilherstellern und Zulieferern produziert werden. Qualitätsprobleme sind während des Entwicklungs- und Produktionsprozesses unvermeidlich. Wenn Qualitätsprobleme auftauchen, dienen Messgeräte als Maßstab für eine gute Qualitätsbeurteilung und helfen bei der Problemanalyse. Dies kann es erforderlich machen, dass die Zulieferer die Prüfvorrichtungen zur Zertifizierung in das Automobilwerk transportieren. Das Messwerkzeug muss außerdem regelmäßig mit einem Koordinatenmessgerät auf seine Genauigkeit überprüft werden. In der Anfangsphase der Produktentwicklung ist es notwendig, das Produkt auf ein Messwerkzeug zu montieren und es zur Messung in Originalgröße auf ein Koordinatenmessgerät zu bringen. All dies führt dazu, dass die Messgeräte innerhalb des Automobilwerks oder des Zulieferers bewegt und transportiert werden. Daher ist das Qualitätspersonal sehr besorgt über das Gewicht der Prüfvorrichtungen und verlangt ein geringes Gewicht und eine einfache Handhabung. Dieser Artikel untersucht und analysiert die Nachfrage und den Entwicklungstrend für leichte Messgeräte unter zwei Aspekten: Messgeräte-Materialien und strukturelle Prozesse.

2. Grundlegende Einführung in das Prüfen von Vorrichtungen

Eine Lehre ist eine spezielle Vorrichtung, die zur Prüfung der Abmessungen komplex geformter Teile verwendet wird, wie z. B. Lochpositionen, Umfangsformen, Segmentdifferenzen sowie Ein- und Austrittsmengen. Je nach Material der zu prüfenden Teile werden Lehren für Kraftfahrzeuge hauptsächlich in Metalllehren und Kunststofflehren unterteilt. Nach ihrem Aufbau werden die Lehren hauptsächlich in Spannmechanismen, Positionierstifte, Prüfstifte, Prüfblöcke, Sockel, verschiebbare oder kippbare Prüfmechanismen, Handlehren, Kalibriermechanismen und Stützsäulen unterteilt. Es gibt im Wesentlichen zwei Arten von Prüfsockeln: Rahmensockel und Plattensockel.

3. Leichte Materialien

Herkömmliche Messgeräte verwenden in der Regel 45er Stahl als Hauptmaterial. Obwohl er eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit aufweist, ist er sperrig und wenig beweglich. Mit der Popularisierung von Leichtbaukonzepten und der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Leichtbautechnologie wurden viele neue Materialien entwickelt und in die Herstellung von Prüfvorrichtungen investiert, z. B. Aluminiumlegierungen, Kunstharze, Elektroholz und Kohlefaser. Das neue Material hat eine viel geringere Dichte als Baustahl und kann leichte Prüfvorrichtungen herstellen. Aus der strukturellen Klassifizierung der Prüfvorrichtung ergibt sich, dass der Erkennungsblock, die Stützsäule und der Sockel den größten Teil des Gewichts der Prüfvorrichtung ausmachen, so dass die Gewichtsreduzierung der Prüfvorrichtung hauptsächlich von diesen drei Teilen ausgeht. Der Erfassungsblock erkennt nur die Größe des Produkts. Wenn das Produkt in die Vorrichtung eingespannt wird, bleibt ein Spalt (normalerweise 3 mm) zwischen dem Produkt und dem Erkennungsblock. Außerdem muss der Erkennungsblock nicht das Gewicht der anderen Teile tragen, so dass die Anforderungen an die Festigkeit des Erkennungsblocks nicht hoch sind und nicht zu groß sein müssen. Bei der Montage und Demontage der Vorrichtungen kann das Produkt jedoch mit dem Prüfblock in Kontakt kommen. Daher variieren die Anforderungen an die Festigkeit und Härte des Prüfblocks je nach Produkttyp und Umgebungsbedingungen im Werk. Es gibt hauptsächlich zwei Situationen:

Erstens ist die Fabrikumgebung für Metallprodukte schlecht, und die Produkte sind bei der Montage und Demontage anfällig für Prüfvorrichtungen. Es wird empfohlen, für den Prüfblock Baustahl zu wählen, um Festigkeit und Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Wenn ein geringes Gewicht erforderlich ist und die Umgebungsbedingungen in der Fabrik gut sind, kann eine Aluminiumlegierung zur Gewichtsreduzierung für den Prüfblock gewählt werden. Wenn es Anforderungen an die Verschleißfestigkeit des Prüfblocks gibt, kann die Aluminiumlegierung einer anodischen Härtungsbehandlung unterzogen werden. Bei hohen Anforderungen an das Gewicht kann das Werk, das mit einem eigenen Messraum ausgestattet ist, auch Holzersatzstoffe verwenden. Die am häufigsten verwendeten Holzersatzstoffe sind 460 und 5166460. Das Ersatzholz ist relativ leicht und hat eine geringe Härte, so dass es sich für temporäre Prüfvorrichtungen eignet. Für die Massenproduktion von formalen Prüfvorrichtungen wird die Verwendung von 5166 Holz mit höherer Dichte und Härte empfohlen.

Zweitens kann bei Kunststoffprodukten aufgrund ihrer inhärenten Weichheit eine Aluminiumlegierung oder Holzersatz als Prüfkörper gewählt werden, um ein geringes Gewicht zu erreichen. Wenn die Anforderungen an das Gewicht hoch sind und die Umgebungsbedingungen in der Fabrik gut sind, kann für den Prüfblock Holzersatz verwendet werden, um das Gewicht weiter zu reduzieren. Die Tragsäule dient hauptsächlich als Verbindung zwischen dem Positionierblock, dem Prüfblock, dem Klemmmechanismus und der Grundplatte. Die Tragsäule muss das Gewicht des Positionierungsblocks, des Erfassungsblocks und des mit ihr verbundenen Spannmechanismus tragen, daher gibt es bestimmte Anforderungen an die Festigkeit der Tragsäule, und es muss eine ausreichende Festigkeit gewährleistet sein. Wenn der Mechanismus über der Tragsäule groß und schwer ist, empfiehlt es sich, für die Tragsäule Baustahlmaterialien zu wählen. Im Allgemeinen kann eine Aluminiumlegierung gewählt werden, um das Gewicht der Stützsäule zu reduzieren.

Die Basis der Vorrichtung ist so konzipiert, dass sie alle Teile und Produkte auf der Vorrichtung trägt und gewährleistet, dass die Ebenheit der Messreferenz an den vier Ecken der Bodenplatte unter ihrem eigenen Gewicht 0,1 mm beträgt. Daher werden sehr hohe Anforderungen an die Festigkeit der Basis gestellt, die eine ausreichende Zug- und Biegefestigkeit gewährleisten muss. Der Sockel wird im Allgemeinen aus vier hochfesten Materialien hergestellt: Baustahl, Aluminiumlegierung, Elektroholz und Kohlefaser. Im ersten Fall, wenn das Material des Endmaßblocks Baustahl und das Material der Stützsäule Stahl oder eine Aluminiumlegierung ist, ist das Gewicht, das die Basis tragen muss, sehr hoch. In diesem Fall muss der Endmaßsockel aus Baustahl gefertigt sein.

Im zweiten Szenario, wenn sowohl das Endmaß als auch die Stützsäule aus einer Aluminiumlegierung bestehen, ist das Gewicht, das die Basis tragen muss, nicht sehr hoch, und das Material der Aluminiumlegierung kann zur Gewichtsreduzierung gewählt werden.

Im dritten Szenario, bei dem Ersatzholz direkt für den Messblock und die Stützsäule verwendet wird, ist das Gewicht, das von der Basis getragen wird, relativ gering, und es kann eine Aluminiumlegierung gewählt werden. Handelt es sich bei dem Messgerät um ein temporäres Gerät mit hohen Anforderungen an das Gewicht, kann der Sockel aus Elektroholz gefertigt werden.

Im vierten Szenario besteht ein extremer Bedarf an leichten Prüfvorrichtungen. Als Rahmenbasis können Kohlefasermaterialien mit hoher Festigkeit und geringer Dichte gewählt werden, und für den Prüfblock können Ersatzholzmaterialien verwendet werden. Der Erkennungsblock wird durch eine Harzpaste mit dem Kohlefaserrahmen verbunden. Zum Beispiel hat die Inspektion des Frontscheibenrahmens eines Autos eine Rahmenbasis aus Kohlefasermaterial, die mit Pastenharz anstelle von Holz verklebt und zu Inspektionsblöcken und Stützsitzen verarbeitet wird. Die Stützsitze können mit Positionierungsblöcken und anderen Mechanismen ausgestattet werden. Die mit dieser Methode hergestellte Prüfvorrichtung für den Windschutzscheibenrahmen ist extrem leicht und hochfest und gewährleistet eine hohe Präzision der Prüfvorrichtung. Die Leichtigkeit von Messwerkzeugen aus Kohlefaser ist zweifellos erstklassig, aber auch die Kosten sind in die Höhe geschnellt. Wenn bestimmte Anforderungen an das Gewicht und die Kosten gestellt werden, empfiehlt es sich, Aluminiumlegierungen für die Erkennungsblöcke, Stützsäulen und Sockel von Prüfvorrichtungen für Metallprodukte zu wählen. Die Erkennungsblöcke und Stützsäulen von Prüfvorrichtungen für Kunststoffprodukte werden aus Holzersatzstoffen hergestellt, und der Sockel besteht aus einer Aluminiumlegierung.

4. Leichte Struktur

Neben der Verwendung leichter Materialien zur Gewichtsreduzierung kann das Gewicht von Messgeräten auch durch strukturelle Optimierung reduziert werden. Da der Erfassungsblock, die Stützsäule und der Sockel den Großteil des Gewichts der Prüfvorrichtung ausmachen, wird die strukturelle Optimierung anhand dieser drei Hauptblöcke analysiert.

Erstens wird der Erfassungsblock nur als Referenz für die Messung der Größe des Produkts verwendet und kann hauptsächlich sein eigenes Gewicht tragen, weshalb er so klein wie möglich sein sollte. In einigen Fällen ist der Erfassungsblock direkt mit der Grundplatte verbunden, ohne dass Stützsäulen erforderlich sind. In diesem Fall ist der Erfassungsblock relativ groß und kann in der Mitte des Erfassungsblocks ausgehöhlt werden, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Zweitens muss die Tragsäule das Gewicht von Positionierblöcken, Erfassungsblöcken, Klemmmechanismen usw. tragen, so dass sie ihre eigene Festigkeit gewährleisten muss. Wenn viele oder große Teile von einer Stützsäule getragen werden, ist das Volumen der Stützsäule sehr groß. Wenn sie massiv ist, wird sie sehr schwer sein. Hier werden zwei Methoden zur strukturellen Optimierung vorgestellt:

(1) Die Stützsäule wird mit flachen Platten geschweißt, und an der Überlappung der Platten werden Verstärkungsstäbe angeschweißt, um die Steifigkeit und Festigkeit der Stützsäule zu gewährleisten (siehe Abbildung 3);

(2) Bei der Verwendung integrierter Stützsäulen kann bei großem Volumen das Gewicht durch Bohren von Löchern an der Unterseite der Stützsäule reduziert werden, wie in Abbildung 4 dargestellt. Drittens muss die Basis der Vorrichtung alle Teile und Produkte auf der Vorrichtung tragen, und es werden sehr hohe Anforderungen an die Festigkeit der Basis gestellt. Wenn die Teile auf dem Sockel nicht dicht gepackt sind und Leerräume vorhanden sind, kann die Festigkeit und Steifigkeit des Sockels gewährleistet werden, während gleichzeitig eine Aushöhlung erfolgt und das Gewicht reduziert wird.