仪表板隐式安全气囊撕裂线加工工艺

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来源： 中国塑料产业链 图1 最新发展的开口工具的基本原理和主要优势 在汽车仪表板装饰层上预制安全气囊撕裂线，通常采用激光、冷刀或者热刀进行切割，而新工艺则采用C形系统来切割。该系统在C形框架上装有一把切刀和一个滚球，并集成了高灵敏传感器技术，具有极高的加工精度、重复性、安全性以及成本效率。 过去，汽车制造商把安全气囊设计成一个可见的装置，然而今天的发展趋势是把安全气囊隐藏起来。因此，在当今的汽车仪表板中，其必备的开口薄片都被覆于装饰性表皮之下，并且在其背面还必须预留撕裂线以确保可

来源： 中国塑料产业链

图1  最新发展的开口工具的基本原理和主要优势

        在汽车仪表板装饰层上预制安全气囊撕裂线，通常采用激光、冷刀或者热刀进行切割，而新工艺则采用C形系统来切割。该系统在C形框架上装有一把切刀和一个滚球，并集成了高灵敏传感器技术，具有极高的加工精度、重复性、安全性以及成本效率。

        过去，汽车制造商把安全气囊设计成一个可见的装置，然而今天的发展趋势是把安全气囊隐藏起来。因此，在当今的汽车仪表板中，其必备的开口薄片都被覆于装饰性表皮之下，并且在其背面还必须预留撕裂线以确保可靠的打开。为引入这一撕裂线，制造商需要解决两个问题：一方面，要保证表面蒙皮强度足够低，以便于安全气囊的可靠释放；另一方面，撕裂线不能在装饰表皮的表面可见，即使经过数年的磨损也应如此。

        由于这些要求以及这个与安全相关的部件一旦失败所面临的商业风险，目前对于切割的剩余壁厚的公差要求极为严格，为此必须采用非常昂贵的加工技术来加以满足。目前，在装饰表皮上预制安全气囊撕裂线的主要方法有激光切割、冷刀切割和热刀切割。

激光切割

        在用激光切割出低强度撕裂线时，材料被激光的热量气化，然后被另一种气体除去。这种工艺将产生一个沟槽，从外侧看易于被发现，因为该工艺产生的撕裂线由一系列孔组成。

                 图2   机械手辅助开口工具详解

        该工艺采用传感器监测和控制，传感器安装在工件的外侧，用来探测通过剩余壁的激光的辐射量。但是，目前传感器的灵敏度水平只能在光线通过相对较薄的剩余壁时达到要求，而且还受到材料种类和材料颜色的影响。另外，孔附近的剩余材料受热后极易降解，从而发生穿透。另一个问题是激光工艺本身会产生有毒气体和沉积，需要进行排出和处理，这是一个费时费钱的过程。同时，粘在部件上的污物也需要非常昂贵的清洗。由于这种高维护性，该工艺与下面提及的技术相比，无论是在采购还是在使用方面，都会产生太高的成本。

热刀切割

        在热刀切割中，安装在冲孔附件上的特殊规格的预热穿孔刀嵌进工件表面，然后移动到某个固定位置。该位置确定了剩余壁厚。对于热塑性塑料来说，这是一个好办法，因为相对较宽的热刀刀刃，使切口变小，因而使必要的破裂力变大。然而该工艺也有不足，即由于在剩余壁区域可能发生压缩和变形，从而使剩余壁厚发生急剧的变化。此外，剩余材料的热降解和工件被强化的倾向也是影响该工艺的关键因素。基于以上原因，这种方法被应用得较少。

冷刀切割

        在冷刀切割工艺中，通过一台6轴机械手或者一台数控机床移动硬质金属切刀，使其穿过真空夹具固定的工件。这种系统带有大量传感器，如一个被安装在切刀附近的履带式感应传感器，可间接测量刀尖与夹具的距离并将数据记录下来。根据这些数据，可决定剩余壁厚是否因干扰而需要补偿，如温度漂移等。该系统的一个问题是（特别是在3D尺度内），由于传感器被安装在切刀附近，因此无法测量刀尖与夹具表面的真实距离。为克服这一问题，系统应该被修正，例如，将手动正确切割时的传感器跟踪曲线作为参考曲线，然后对每一次的加工曲线进行修正。另外，为了监控加工路径，夹具上的工件位置也很重要，任何的偏差都会直接转化成工件剩余厚度的偏差。因此，夹具需要进行非常昂贵的曲面铣，且要有稳固的设计，同时工件的固定位置需处于一个平坦的真空区域。另外，工件与夹具的紧密接触应通过精密开关进行多点检查。为获得夹具固定位置的重复性，还必须放弃惯用的用于并行加工的旋转工作台。

        切刀的磨损通常由测量切刀的尺寸来确定。切刀磨损，锋利程度降低，而切刀的长度保持不变，这会大大影响工件的剩余壁厚（本文将在下面做进一步解释）。目前市场上在售的加工系统，都没有配置测量切刀切割性能的装置。

图3   TPO表皮剩余厚度和切割路径的关系


        虽然数控机床具有足够高的路径精度，但为获得加工中的动态精度，必须有赖于与之配套的6轴机械手。因此，只有相对昂贵的高精度机械手才能被选用。

        尽管拥有上面提到的这些缺点，但是仍然有大量的冷刀切割设备被应用在这一领域。这是因为，该设备的采购成本和运行成本都较低，且程序设计灵活，能够加工多种材料。
传感器控制切刀的切割

        在切刀逆向切割时，切刀在相关的固定支撑或夹具上的移动距离精度主要依赖于机器手臂的动态精度。在这里介绍一种新方法，可以用机械方法确定这一距离。为了这一目的，部件支撑板用一个得到精密安装的滚球（可自由旋转）来代替。该滚球通过一个C形框架与切刀相连。工件表面位于球与刀之间，这使得在一个完整的行程内，球面与刀尖的距离能够通过伺服控制的精密芯轴驱动来自由调节，进而确定工件的剩余壁厚。如果使固定在夹具上的表皮具有轻微的预张力，表皮的弹性则可补偿垂直于工件的加工运动路径的任何公差。只要保证表皮层能够在滚球的表面延展良好，以上提到的因为加工路径不精确造成的问题，将会统统消除。

        应用这一基本原理（如图1所示），可旋转的C形框架被安装在配有精密轴承和5轴机械手转矩支撑的切刀轴上（如图2所示 ）。6轴机械手能够将切刀旋转到任何方向，C形框架与机械手臂之间保持固定角度。工件的一侧进入C形框架，系统允许C形框架的开口宽度较小，同时也允许夹具设计简单。

图4   刀尖的力值和位置


        为监控表皮与滚球的接触，在滚球和转轴之间安装了高精度力学传感器。该传感器可以连续不断地对滚球上的轴向载荷进行监控，如果与预设值不符，那么可以确定这一工件为废品。这个运动中的传感器能够监测表皮与滚球接触的任何切割位置。

        一个改变刀/球距离的可能原因是C形框架的弹性。C形框架的弯曲将直接影响工件的剩余厚度。为确定这一因素的影响程度，可以通过实验来获得C形框架的载荷偏移曲线。当载荷达到5N时，仅将C形框架弯曲0.01mm，这比系统要求的精度低10倍。由于切割力在切割过程中的变化很小，因此，实际上对C形框架的影响程度远不及以上引用的数据。

        系统的容许公差可通过不同材料、加工参数的改变而进行实验确定。重要的加工参数包括给进速度、主预应力、切刀的磨损和刀/球之间的预设距离。

        图3是一种聚烯烃弹性体(TPO)无纹理表皮的切割路径与剩余壁厚曲线。剩余壁厚的变化范围在0.22~0.26mm之间，约为最大规定公差的50％。

        剩余壁厚的测量使用了一种高精度数字显微镜。虽然这种测量方法依据了当前的工业标准，但是测量结果还与许多因素有关，有时这些因素会对测量结果造成相当大的影响。例如，抽样方法和测量点位置的确定是两个异常重要的因素。另外，表皮颗粒也是一个干扰因素。一般表皮颗粒的高度为0.2mm，因此没有一个合适的可供参考的平面。

        基于这些困难，现行的办法是通过记录切刀与计量表面的近似距离来检查系统的能力和特性。在常规的设备中，这些值的容许公差通常为±0.05 mm，而在新设备中，这些值由促动器偏差和C形框架的弯曲构成，几乎比先前的要求低10倍。因此从设备精度、系统可靠性来看，新设备比以前的设备更具优势。

图5   刀下表皮的弹性行为

        刀刃与滚球计量表面的相对位置，能够作为每次换刀之后的参考。为了这一目的，促动器运动到刀尖预期位置的前面并进行调节，以使推进速度降低。在其随后的进一步运动中，作用在滚球上的力受到极高灵敏度传感器的监控，并被记录下来。当刀尖与滚球接触时，传感器会传来信号进行指示。此时，促动器立刻停止，它的这个位置被设定为新的零点位置。

        图4显示了确定零点位置的可重复性，图中显示的实验为50次重复操作，其值小于5um。第二条曲线显示了操作过程中的最大力均低于0.4N，这个结果令人满意。刀尖与滚球表面的显微研究，表明了这种微小的力不会引起任何切刀和滚球的机械损坏，甚至在经过了50次重复实验之后也是如此。新系统通过阴影传感器来监控表皮的切口以及和精密的刀刃测量相结合，减少了刀刃上的负荷，同时获得了比以前系统更小的公差，并通过简化了的测量系统显著提高了测量精度。

        上面已提到，通过传感器连续不断的测量及记录，可确定表皮与滚球的接触力是否处于临界值以下。这些被记录的力与载荷偏差曲线相关联，能够提供C形框架的弯曲值。另外，预设的促动器位置也被记录并检测。

        从大量的实验研究中可以发现，剩余壁厚与刀/球距离的精确调节和控制的相关性不是那么严格。这要归因于切刀下材料的弹性行为。如图5所示，表皮在切刀的切割力作用下会发生弹性收缩，根据材料的不同，收缩的程度也会不同。切割之后，材料松弛，因此，实际的剩余壁厚要比预计的壁厚大一些。为达到所要求的壁厚，切刀与接触面的距离减小量需通过实验来获得。

        当刀尖变钝时，会导致剩余壁厚逐渐发生变化。在新系统中，切刀的磨损可通过切割力的记录进行监控，以使其偏差始终处于容许公差范围内。这样，新系统也就成为第一个考虑了“切刀磨损”这个重要干扰因素并把解决办法整合到工艺控制中的系统。

结论

        预制安全气囊撕裂线的新系统基于简单、可靠的原理，该原理使省去特殊的、昂贵的传感器，实施整体设计及简化夹具成为可能。新系统采用促动器和传感器的整合装置来完成不同的操作，获得了比目前的机械手辅助工艺更高的精度，同时由于首次考虑了切割力，也使工程控制的质量得到很大程度的改善。总之，与现有的预制安全气囊撕裂线工艺相比，新系统具有更为出色的成本效率。

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