張 輝

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

1 引言

1.1 油泥模型的發(fā)展

汽車車身外形和色彩是汽車給人們的第一外觀印象，是人們評價(jià)汽車的最直接的方面，也是市場競爭的重要因素。車身造型設(shè)計(jì)既是工程設(shè)計(jì)，又是美工設(shè)計(jì)。從工程設(shè)計(jì)來看，它既要滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求、整車布置的匹配要求和沖壓分塊的工藝要求，又要適應(yīng)車身的空氣動(dòng)力學(xué)要求。從美工設(shè)計(jì)要求來看，它應(yīng)當(dāng)適應(yīng)時(shí)下的流行趨勢和消費(fèi)者的喜好，要像設(shè)計(jì)工藝品那樣，美感與質(zhì)感并存。汽車造型設(shè)計(jì)作為整車總體設(shè)計(jì)較重要的一環(huán)，越來越受到的決策者的重視。

汽車油泥模型作為造型設(shè)計(jì)表達(dá)的重要手段，它可以形象、直觀地表現(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思，并在模型制作過程中不斷推敲、完善設(shè)計(jì)者意圖。模型完成后由決策者進(jìn)行評估，決定是否投產(chǎn)。

近年來，汽車工業(yè)已經(jīng)逐漸成為我國國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，汽車工業(yè)的發(fā)展直接關(guān)系到我國國民經(jīng)濟(jì)的增長。而其中，汽車油泥模型是汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的基礎(chǔ)，在汽車產(chǎn)品開發(fā)中必不可少。早期的汽車車身模型多用石膏和木板為材料，木質(zhì)模型特點(diǎn)是變形小、不易破損、可長期保存。石膏較便宜，但強(qiáng)度較低，而且不便于反復(fù)修改。

1955年日本首次使用工業(yè)油泥進(jìn)行汽車模型的設(shè)計(jì)開發(fā)。1972年美國通用汽車公司將油泥應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)開發(fā)模型上，使汽車設(shè)計(jì)擺脫了受限于呆板的石膏、木板的歷史。我國是在 70年代初開始應(yīng)用這一技術(shù)。當(dāng)今，幾乎對所有世界知名汽車公司而言，制作油泥模型是設(shè)計(jì)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

1.2 油泥模型的特點(diǎn)

汽車油泥模型是汽車造型設(shè)計(jì)中很重要的一步，是造型設(shè)計(jì)與工程之間的橋梁，沒有這個(gè)橋梁汽車設(shè)計(jì)就無法進(jìn)行下去。在模型制作階段有很多的制作方式可供選擇，而選擇油泥模型制作作為首選是由汽車造型設(shè)計(jì)的特殊性和油泥本身具有的特點(diǎn)所決定的。

主要原因是油泥這種材料便于成形、修改和補(bǔ)充。油泥模型師在雕塑油泥模型的過程中可以很方便地對所有表面形狀進(jìn)行比較和修改，以反復(fù)嘗試和推敲型面的飽滿度和特征走向。油泥是用油脂、填料、改性添加劑和顏料等組成的混合物，合成材料油泥加熱 (至60～70℃)后，很容易敷在初坯上，冷卻至室溫其表面會硬化，但仍可用實(shí)用特制的工具輕易地加工成形，完成后可以得到十分光滑、細(xì)致的表面。油泥模型具有便于修改，不易風(fēng)化干燥、龜裂，尺寸比較穩(wěn)定的特點(diǎn)。所以，油泥成為現(xiàn)在最廣泛采用的汽車模型材料。

2 手工油泥模型制作流程

2.1 骨架的設(shè)計(jì)與制作

骨架的設(shè)計(jì)和制作是我們制作流程的第一步，首先整體尺寸的確認(rèn)，根據(jù) CAS數(shù)據(jù)，結(jié)合模型車制作要求，利用CAD制圖確認(rèn)骨架的整體尺寸、比例大小。在骨架設(shè)計(jì)的過程中，要預(yù)留快速成型件結(jié)構(gòu)的安裝空間，防止模型車制作后期按裝快速成型件時(shí)與骨架干涉。其次是骨架強(qiáng)度、精度及內(nèi)部框架支撐要求，骨架的強(qiáng)度決定著模型車的穩(wěn)定性，強(qiáng)度不足時(shí)模型車表面容易出項(xiàng)開裂、變型，嚴(yán)重影響模型車的質(zhì)量。通常情況下，1：1的整車油泥模型的自重在1.5-2噸（以乘用車為主），骨架的方鋼尺寸以 50×50（mm）、50×100(mm)為主。模型車內(nèi)部支撐的布置要合理，內(nèi)部支撐的位置與附件的安裝有著密切的關(guān)系。在保持骨架重心合理時(shí)，支撐分布的間距在一定范圍內(nèi)保持協(xié)調(diào)、統(tǒng)一。

圖1

2.2 模型初坯

初胚一般用聚氨酯泡沫粘合而成，主要是為了給出模型的基本形體。另一方面，由于油泥相對昂貴，車體內(nèi)部都用它制作比較浪費(fèi)。通過卡板來約束泡沫的具體尺寸和形狀，需要注意的是初胚要小于車體的外形約20cm（預(yù)留上油泥的厚度），并且盡量減少突出的銳角，便于后期的油泥刮切。

2.3 油泥填敷

往模型初坯表面涂油泥我們稱為填敷，也有上泥等說法，填敷油泥只能是一層接一層的敷貼，并且第一層油泥不要敷得太厚。應(yīng)該是適當(dāng)用力并盡量均勻地先填敷薄薄的一層，這一層我們稱為打底。然后再照此方法一層一層的填敷較厚的油泥。但不要過厚，可以多填敷幾次，保證油泥之間的貼合，直到填敷滿整個(gè)胎基。

要注意的是多次填敷油泥時(shí)不要在層與層之間形成空腔，如果油泥之間有間隙，油泥會因收縮陷落而導(dǎo)致表面凹凸不平，也容易形成剝離層，造成刮制時(shí)油泥表面出現(xiàn)裂痕和鼓包。油泥填敷基本差不多的時(shí)候，就可以用模板來檢測所填敷油泥的厚度。根據(jù)工作臺上的定位線設(shè)置好模板，可以看出這些位置所上的油泥的盈虧。用油泥沿模板在這些位置上將厚度確定下來，并做好記號作為基準(zhǔn)線，然后把油泥補(bǔ)上，直到基本達(dá)到預(yù)定位置。

2.4 油泥粗刮

粗刮油泥，也有稱初刮油泥。根據(jù)模板或圖紙，去掉凸出的多余部分，將凹陷的地方填補(bǔ)起來，對油泥模型基準(zhǔn)面的塑造以確定大形，這是一個(gè)反復(fù)多次的過程。

由于粗刮只是制作基準(zhǔn)面，所以刮削時(shí)應(yīng)先從大面開始，刮制出模型的基本形狀。在大面制作完成后不要做小的面，更不要進(jìn)行細(xì)節(jié)的制作，一定要檢查平順度。

對于汽車全尺寸油泥模型，可以從填敷開始就只做一半，待所有制作完成后再制作另一半，并且可以兩邊塑造不同的造型。對于汽車小比例油泥模型，更適宜從粗刮時(shí)就采用整體制作的方法。

2.5 油泥精刮

精刮油泥，是油泥制作過程的最后階段，是模型基礎(chǔ)型面粗刮完成后，對油泥模型的各個(gè)部件及部件之間的連接(轉(zhuǎn)折面)等細(xì)節(jié)的處理和表面光順的處理。

為了保證刮制的模型表面平整光順，在大型曲面表面的刮制時(shí)，應(yīng)根據(jù)模型斷面采用長十字型交叉和多方向刮制，這樣刮制的模型表面不易形成波浪。使用長刮片不但可以多方向垂直于模型表面來檢查，而且通過查看刮制的痕跡是否一致也可以判斷模型表面的平整度，便于及時(shí)調(diào)整模型表面曲率、光順度。對某些表面面積較小和特殊部位，無法使用鋼刮片，可選用特殊形狀的油泥刮刀和一些特制的模板。

精刮油泥完成后，要再次對模型整體狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)。通過仔細(xì)觀察，借用工具，確認(rèn)大面是否光順、平整，各型面之間的連接、過渡是否柔和，形狀與尺寸是否滿足設(shè)計(jì)要求等。

2.6 油泥模型后期處理

為了使油泥模型在評審時(shí)有更好的評審效果，油泥模型的表面我們常用兩種方式處理：一是，貼膜；二是，噴漆。

油泥模型薄膜是專門為油泥模型表面檢查、裝飾等而開發(fā)的特殊薄膜。因?yàn)榫哂羞m度的延展性，所有可根據(jù)油泥模型表面的曲面變化而進(jìn)行檢查，粘貼裝飾和表面光順的工作。

油泥表面噴漆，基層處理是很重要的一步，直接影響模型最終效果。一般流程是噴底漆，打磨，修補(bǔ)，噴面漆，噴光油等。在打磨的過程中，是對油泥模型表面進(jìn)一步做光順處理，使模型以更完美的形態(tài)展示出來。

以上方式都需要油泥模型表面具有一定程度的光順度，有關(guān)油泥表面光順度的要求，對油泥表面的光順處理和精細(xì)程度，主要是根據(jù)對模型后期處理的要求確定。由于最后的用途不同，油泥的精細(xì)程度可以靈活控制。用于貼膜的精細(xì)程度要求最高，因?yàn)橘N膜后即便是最細(xì)小瑕疵也會很明顯的顯露出來，所以在貼膜前有必要再次用鋼片來精修，精修后要很小心，不要隨便碰模型。用于三維掃描的油泥模型要求也很高，因?yàn)橹苯佑绊懙綌?shù)據(jù)采集和視覺外觀。用于翻制玻璃鋼的模型要求稍低，因?yàn)榉瞥龅牟Ａт撃Ｐ瓦€需要修補(bǔ)、打磨。當(dāng)然，表面越光順，玻璃鋼打磨越輕松。對精細(xì)程度要求最低的是直接表在噴漆，因?yàn)槭遣粫苯釉谟湍嗌蠂娖岬模枰诒砻娣笠粚幽佔(zhàn)雍笤俅蚰?，這樣可以填補(bǔ)很多缺陷。

3 數(shù)控加工在油泥模型制作中的應(yīng)用

3.1 數(shù)控加工簡介

數(shù)控加工（numerical control machining），是指在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行零件加工的一種工藝方法，用數(shù)字信息控制零件和刀具位移的機(jī)械加工方法。它是解決零件品種多變、批量小、形狀復(fù)雜、精度高等問題和實(shí)現(xiàn)高效話和自動(dòng)化的有效途徑。

圖2

3.2 數(shù)控加工在油泥模型制作中應(yīng)用

我公司采用的是JOBS的五軸龍門式數(shù)控機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn) 3、5軸加工，機(jī)床尺寸大，可以實(shí)現(xiàn)從轎車到 SUV和MPV的整車加工。數(shù)控加工有精度高、高效化的優(yōu)點(diǎn)，將數(shù)控加工應(yīng)用到整車油泥模型的制作，可以提高油泥模型制作的效率，提高油泥模型表面精度。

手工油泥模型制作流程中的初坯制作和油泥粗刮兩個(gè)環(huán)節(jié)，可以由數(shù)控機(jī)床來代替，并可以精準(zhǔn)和高效的完成。

3.3 數(shù)控編程基本過程

數(shù)控編程的基本過程包括：加工工藝分析及規(guī)劃、完善零件模型、設(shè)置加工參數(shù)、生成數(shù)控刀路、檢驗(yàn)數(shù)控刀路、后置處理。

數(shù)控加工流程由粗加工、半精加工到精加工，具體到每個(gè)加工流程上，又可劃分為以下環(huán)節(jié)：加工要素確定、加工方式的選擇、刀路設(shè)置、余量的控制、刀具的選擇、切削速度控制、進(jìn)、退刀控制、刀路生成、模擬驗(yàn)證、后置處理等。

3.4 油泥模型數(shù)控加工具體內(nèi)容

在油泥模型的具體加工過程中，根據(jù)油泥模型的制作流程，把機(jī)加工的整個(gè)過程分為初坯粗、精加工和油泥粗、精加工四個(gè)階段。

（1）油泥模型初胚加工基體加工軌跡分兩步進(jìn)行。第一步初坯粗加工，主要目的是去除多余泡沫，塑造大體型面。第二步初坯精加工，主要目的在泡沫表面預(yù)留油泥填敷的厚度。數(shù)控編程完成后，就可將骨架固定在機(jī)加工平臺上，模型盡量擺放水平，其中心線同機(jī)床X 軸基本保持平行，定義加工坐標(biāo)系，設(shè)定刀具信息，設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，將NC程序?qū)霐?shù)控機(jī)床進(jìn)行銑削。

（2）初坯加工完后，接下來是填敷油泥、數(shù)控編程、機(jī)床加工三大部分。在填敷油泥之前要把初坯上殘留的泡沫碎屑打掃干凈，以免影響油泥的粘貼。數(shù)控編程階段，粗加工快速銑削，一般選擇Ф20mm左右的刀具、10mm左右的步距生成加工余量為2mm左右的NC程序。精加工根據(jù)CAS數(shù)據(jù)最小曲率半徑，一般選擇Ф10mm左右的刀具2mm左右的步距生成余量為0mm的NC程序。精加工為達(dá)到尺寸精確，必須仔細(xì)確定有關(guān)加工參數(shù)，并盡量避免抬刀的出現(xiàn)。最后將NC程序?qū)霗C(jī)床進(jìn)行加工。另外由于油泥材質(zhì)軟，黏性高，導(dǎo)致加工過程中排屑困難，容易出現(xiàn)表面粗糙，粘刀等現(xiàn)象。在刀具的選擇上，主要選擇2刃球刀，利于排屑，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)合理選擇走刀方式和方向，可以有效避免油泥模型表面粗糙和粘刀的現(xiàn)象。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

本文主要分析手工油泥模型和 CNC油泥模型的制作工藝方法和流程，指出了各自的特點(diǎn)和適用面。傳統(tǒng)模型制作主要依賴手工制作，精度低、工期長，理想中的快速成型由于設(shè)備和材料等問題，尚未能成為主流。以CAD/CAM技術(shù)為核心的 CNC模型制作，以精度高、速度快的優(yōu)勢在模型制作行業(yè)中得到應(yīng)用。

在現(xiàn)代汽車開發(fā)過程中，造型設(shè)計(jì)人員可以利用計(jì)算機(jī)輔助造型軟件生成三維數(shù)學(xué)模型，或者利用已有實(shí)物通過數(shù)據(jù)掃描， 由逆向工程技術(shù)生成數(shù)學(xué)模型加以改造。雖然現(xiàn)在計(jì)算機(jī)技術(shù)可以仿真顯示造型效果，但實(shí)際過程中往往要通過真實(shí)的物理模型加以驗(yàn)證和修改。在這一過程中利用先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工操作，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效的產(chǎn)品開發(fā)過程。且隨著對設(shè)計(jì)和制造精度要求的提高，越來越多的公司開始認(rèn)識到數(shù)控模型加工的重要性和意義，汽車模型和CAS數(shù)模必須高度的一致，兩者都是汽車設(shè)計(jì)和制造的依據(jù)。手工的制作在精度上得不到保證，如果汽車的造型沒有很好的精度，它上面取得的數(shù)據(jù)就無法達(dá)到非常高的精度。

另一方面，雖然新興技術(shù)的發(fā)展確實(shí)為油泥模型制作帶來的許多便利，但從從設(shè)計(jì)角度來看，優(yōu)秀的車身造型需要造型設(shè)計(jì)師結(jié)合時(shí)下流行元素反復(fù)推敲、多次修改的。所以，手工油泥模型業(yè)務(wù)是無法被取代并將長期存在下去。

4.2 展望

我們的團(tuán)隊(duì)自引進(jìn)JOBS五軸龍門銑床以來，一直致力于汽車模型的能力建設(shè)。目前，停留在造型展示模型的階段上，外飾的造型展示模型以形成較為規(guī)范的制作流程和標(biāo)準(zhǔn)，零部件和內(nèi)飾展示模型也逐漸成熟。部門同時(shí)具備手工油泥模型和CNC油泥模型的制作能力。隨著制造業(yè)的日趨成熟，數(shù)控加工技術(shù)的不斷普及和深化，CAM 加工編程技術(shù)和 CNC生產(chǎn)制造系統(tǒng)這兩個(gè)個(gè)體已經(jīng)不是制造業(yè)者最關(guān)心的熱點(diǎn)。如何優(yōu)化方法和流程，提高生產(chǎn)力，降低成本，掌控制造的每個(gè)細(xì)節(jié)逐漸成為了能力提升的主要方向。

目前，我們與國內(nèi)、外汽車設(shè)計(jì)公司在油泥模型制作水平上還存在較大差距，在制造工藝方法與流程、CAM 軟件應(yīng)用和質(zhì)量控制上有著較大的提升空間。較高工藝水平是制作優(yōu)質(zhì)的物理模型的重要前提，科學(xué)合理的流程規(guī)范是掌控項(xiàng)目的重要依據(jù)。這些方面應(yīng)該是一個(gè)物理模型技術(shù)團(tuán)隊(duì)要努力提高的方向。

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