科惠力公司的三维精密可视化技术ShaPix作为一种新的技术，通过对精密机加工零部件和对精密装配零部件的快速三维可视化检测，提供全表面高精度的直观三维视图，本文通过实际案例为读者介绍该技术在汽车零部件制造中的具体应用。

目前大部分汽车制造商对供应商零部件的质量通常仅依赖于供应商自己提供的产品质量抽检报告，汽车制造商自己并没有一个很有效的对于供应商零部件的质量控制手段，问题发现时常常已经发生了昂贵的零件召回，其成本和风险可想而知。

传统的接触式检测技术使用三坐标打点，零件测量编程设置复杂冗长、测量时间长且表面覆盖率低，无法适应现代化汽车量产的需求。为此，科惠力使用独家专利开发了激光三维全息干涉照相技术——ShaPix，关注包括发动机缸体和缸盖、自动变速器阀体箱体、传动系统中的刹车盘以及轮毂和轮圈等零部件的精密机加工后表面的几何形貌。ShaPix能以1min的时间在280mm×280mm或150mm×150mm的视场范围内，提供400万个微米级精度的测量点，并将零件的几何形貌及刀具切削刀痕等三维波度微观信息以色彩图的方式直观地显示出来，零件表面没有遗漏信息，对超过视场范围的大型零件ShaPix可分次测量并进行无缝拼接，适合工厂工业环境的测量仪器如图1所示。

图1  适合工厂工业环境测量中型零件的ShaPix 3800（左），适合工厂工业环境测量大型汽车柴油发动机零部件的ShaPix 1200（右）

应用案例

以下通过具体案例说明ShaPix的优越性能。

1.缩短新品上市周期

在汽车制造行业中，因为生产批量大，所以汽车生产厂商对生产工艺的调试慎之又慎。一个新产品从加工原型件到大规模量产都会经过一个严格且漫长的过程，目前周期大都在1年以上，期间物料、人员和时间投入巨大。科惠力ShaPix的三维可视化信息技术则可以帮助客户显著缩短调试时间，大量减少物料和时间成本，加快产品投入市场的过程。

图2所示为自动变速器阀体迷宫面的一个铣削工艺调试过程，其迷宫面的形貌公差要求为50mm。图2a为第1个原型件试切后的表面几何形貌，平面度为89mm，黑色箭头代表了进刀方向。基于这样丰富直观的三维视觉信息，制造工程师迅速断定是由于夹紧力过紧，阀体加工后回弹导致的。在减小夹紧力后，试切第2个原型件的几何形貌如图2b所示，平面度减小为37mm。进一步减小夹紧力并降低机床主轴转矩，试切第3、4个原型件得到的几何形貌如图2c所示，平面度减小为32mm。改变进刀方向，并进一步优化其他机床参数，试切第5、6个原型件得到的几何形貌如图2d所示，平面度降至17mm，产品达标，调试结束。通过使用ShaPix即时三维可视化信息技术，整个调试过程客户只用了6个原型件、4天时间，相比之下该调试过程使用传统方法则需要上千个原型件和几个月的时间，时间和材料成本的节省超过数百万美元。

图2  自动变速器阀体铣削工艺调试过程

2.柴油机缸盖机加工和装配变形研究

如图3所示为5.3 L柴油发动机缸盖顶面的几何形貌研究。图3a为其精铣后的自由状态，整体的几何形貌为60mm，这反映出该客户对其加工工艺有着相当好的控制。然而不难看出，整个顶面的几何形貌呈现出如高亮处显示的一个周期性变化，经与美国密歇根大学吴贤铭先进制造研究中心（S.M. Wu Manufacturing Research Center at University of Michigan）共同研究发现，该现象是由于零件材料周期性的不连续性，导致铣削过程中切削力发生周期性突变，从而引起了零件表面形貌的周期性变化。通过建模分析及实验验证，该研究创造性地提出了动态调整进给率，对加工过程中材料去除率的波动进行补偿，目的是将切削力维持在一个稳定的水平，从而降低由于零件几何形状设计导致的加工误差。

此外，按照缸盖顶面设计要求的螺栓紧固顺序和转矩，将缸盖与缸体装配后，其顶面的形貌发生了显著的变化（见图3b），整体平面度实测由自由状态的59mm变为紧固状态的125mm，而且表面的拓扑结构变化明显，如图3b中蓝色的高亮直线所示，周期性的低点由原来的机加工材料缺失处变为螺栓的紧固处；而远离螺栓紧固点则相应成为了高点，如图3b中红色高亮直线所示。这个研究可以有效地与有限元分析进行结合，一可以验证有限元仿真的结果，二将零件实测数据而不是零件理想化的设计模型输入有限元软件中进行零件性能仿真，其结果将更具有实践指导意义。

图3  柴油发动机缸盖顶面

3.发动机漏油故障解决

某发动机制造商发现其产品存在漏油问题，经调查发现，漏油位于其冷油器和油底盘的装配面上。但是使用传统的接触式三坐标打点检测手段对两个零件的接合面分别进行分析，都无法确定导致漏油问题的根源。通过使用ShaPix三维全表面可视化检测技术对两个零件的接合面进行分析，其检测结果如图4所示。根据零件的设计公差，ShaPix的检测结果也均符合要求。但是，经过进一步对几何形貌的仔细分析发现，冷油器接合面的最突出点在零件表面的中心（见图4a），而油底盘接合面的最突出点也在该表面的中心（见图4b），在装配过程中，两个表面的高点正好相互挤压，使冷油器的高点附近出现破裂，导致漏油。问题找到后，发动机制造商与零件供应商合作修改了其制造工艺，改变了冷油器的几何形貌，从根本上避免了类似问题的再次发生。这一问题也启发我们对于零件设计公差的一个新思路，在传统的平面度参数无法有效与零件功能特性进行关联的情况下，需要定义一个从设计到制造都能更好描述零件装配密封性能的表面形貌参数即——形貌度，并将此参数在汽车制造商的产品设计部门进行推广，这也是我们和密歇根大学正在合作进行的一项课题。

图4  发动机冷油器与油底盘的装配面（a）和发动机油底盘与冷油器的装配面（b）

结语

科惠力公司的三维可视化技术作为一种使能技术，通过对精密机加工的零部件和对精密装配的零部件的快速三维可视化检测，提供全表面高精度的直观三维视图，配以高度智能化的软件数据处理算法，能为汽车动力总成精密机加工和精密装配的传统行业标准带来变革。作为福特汽车公司“亨利.福特技术奖”的荣誉获得者，并与密歇根大学有着紧密合作的高科技企业，科惠力公司致力于为汽车制造行业提供先进的可视化技术和解决方案，并为客户在提升质量、降低成本、改进工艺以及优化产品设计等方面做出更多贡献。