目錄
? 用最新的3D打印技術(shù)制作砂型
? 殼體的原材料是什么？
? 高難度的砂型3D建模
? 比對掃描件與3D建模數(shù)據(jù)，確認(rèn)成品零件精度
? 超出預(yù)期的成品
在富士國際賽車場的“富士汽車運(yùn)動(dòng)博物館”中，展示著豐田內(nèi)部復(fù)原后的夢幻賽車。也許各位讀者們會(huì)有以下幾點(diǎn)疑問：夢幻賽車的研發(fā)者是誰？他有著什么樣的想法和目的？這究竟是一輛怎樣的賽車？本次特別企劃將為大家介紹這輛夢幻賽車所蘊(yùn)涵的歷史和意義，并直擊該賽車的復(fù)原現(xiàn)場，以便于為大家解開困惑。
在第8期中，我們將為您介紹通過鑄造技術(shù)制造變速器殼體、離合器踏板和剎車踏板的成員們。
本復(fù)原計(jì)劃以代表未來的年輕人為中心，盡可能用當(dāng)年的方式復(fù)原1951年問世的夢幻賽車——TOYOPET RACER，以期讓新時(shí)代的人們繼承前人的造車哲學(xué)和技術(shù)。
在第3期的報(bào)道中，負(fù)責(zé)復(fù)原傳動(dòng)系統(tǒng)的項(xiàng)目組成員們，出色地完成了他們的使命。本期我們將為大家介紹，負(fù)責(zé)復(fù)原變速器殼體、離合器踏板和剎車踏板等零件的項(xiàng)目組成員。首先是來自研發(fā)制造中心素形材技術(shù)部的中澤潤也，他欲通過鑄造技術(shù)完成這一挑戰(zhàn)。
上圖為當(dāng)年的變速器殼體。
中澤于2017年入職豐田公司，當(dāng)時(shí)被分配到鑄造生技部。大學(xué)時(shí)他攻讀的是信息系，負(fù)責(zé)研究編程等工作。
中澤
進(jìn)入公司以來，我一直從事鑄造方面的設(shè)備生產(chǎn)準(zhǔn)備工作和研發(fā)工法*的業(yè)務(wù)。
之所以參加這個(gè)復(fù)原計(jì)劃，是因?yàn)樯纤締栁摇澳阋灰ピ囋嚒?。由于我一直?fù)責(zé)少量多品種生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)工作，所以這次能專注修復(fù)1輛車對我來說是個(gè)很好的鍛煉機(jī)會(huì)，我果斷回答了“一定參加”。
雖然此前我不了解TOYOPET RACER，但當(dāng)我得知它包含了豐田喜一郎先生那份“想要發(fā)展汽車工業(yè)”的想法時(shí)，真的深受感動(dòng)。
*工法：工藝方法和工程方法。
復(fù)原傳動(dòng)系統(tǒng)的過程中，最大的零件就是變速器殼體。遵照復(fù)原計(jì)劃的宗旨，該零件原本也將采用和當(dāng)時(shí)一樣的方法制作。
即先做鍛模，然后用沙子把鍛模填實(shí)，再把做好的模具從砂型中取出，在空洞的部分灌入熔化的鐵水（熔湯）使其成形。但是，如果用鍛模制作砂型的話，會(huì)需要很高的成本和很長的時(shí)間。
中澤
如果可以，我還是希望使用鍛模的，因?yàn)槟鞘钱?dāng)時(shí)制造TOYOPET RACER的技術(shù)。但是這種方法需要反復(fù)制作砂型來修正精度，最少也需要幾個(gè)月的時(shí)間，這樣就趕不上復(fù)原計(jì)劃完成的日程了。
因此，最終我們決定不使用鍛模，而是使用3D打印機(jī)來制作砂型。這項(xiàng)技術(shù)很先進(jìn)，還曾被用于研發(fā)制造賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)。
在利用3D打印技術(shù)制作砂型前，有許多必須提前做好的準(zhǔn)備工作。首先，中澤去解讀了當(dāng)年傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖。
上圖為TOYOPET RACER的原始車TOYOPET SD型乘用車的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（復(fù)印件）。
鑄造零件前，首先要確定原材料。一般情況下，原材料可以通過圖紙上JIS（日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）的材質(zhì)標(biāo)示來確認(rèn)。
原車的變速器殼體很明顯是鐵制的，但其設(shè)計(jì)圖中的材質(zhì)標(biāo)示“CC1”并不存在于JIS的標(biāo)準(zhǔn)中，這該如何是好？
為了解決這個(gè)問題，中澤找到了同部門的岡田裕二。岡田于1981年進(jìn)入當(dāng)時(shí)的豐田汽車工業(yè)公司工作，在職41年中30年都埋首在鑄造領(lǐng)域的他，研發(fā)了各種鑄造技術(shù)，可謂這方面的專家。同時(shí)，岡田也非常喜歡汽車，甚至參與研發(fā)了賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)。
岡田
我也是第一次看到“CC1”這個(gè)材質(zhì)標(biāo)示。為了解決這個(gè)問題，我去了解了當(dāng)時(shí)鑄造相關(guān)的原材料和技術(shù)，瀏覽了保存在“豐田鞍池紀(jì)念館”的總公司工廠布局圖和照片，還看了物料清單*和《豐田汽車75年史》等資料。
后來我們發(fā)現(xiàn)，原始車TOYOPET SD型乘用車的設(shè)計(jì)圖繪制出來時(shí)，現(xiàn)在的鑄造技術(shù)還遠(yuǎn)沒有確立，因此也沒有JIS標(biāo)準(zhǔn)。我和中澤查閱了各種資料后，推測“CC1”是JIS中的“普通鑄鐵”。
但考慮到現(xiàn)在的豐田已經(jīng)不再使用這種原材料了，所以我們決定使用目前能找到的，與之最為接近的“FC230（灰鑄鐵）”。采用同樣的方法制造可確保外觀和當(dāng)年的一樣，質(zhì)量則能達(dá)到現(xiàn)代水平。
*物料清單：描述企業(yè)產(chǎn)品組成的技術(shù)文件。
上圖為來自素形材技術(shù)部基礎(chǔ)研發(fā)室的岡田，他是一名鑄造領(lǐng)域的專業(yè)人士。
在岡田的協(xié)助下，中澤突破了“材料難題”這一障礙后，開始著手解決下一個(gè)課題——參考舊設(shè)計(jì)圖紙制作3D打印砂型時(shí)所需建模數(shù)據(jù)。
雖然2D設(shè)計(jì)圖上基本記錄了如尺寸等詳細(xì)信息，但若想創(chuàng)建3D建模數(shù)據(jù)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)圖紙上的信息并不完善，有很多缺失。不解決這個(gè)問題，就無法制作3D建模。因此，中澤參考了保存在合作公司的TOYOPET SD型乘用車變速器，將缺失信息補(bǔ)全。
中澤
通過確認(rèn)實(shí)物，對理解零件的各個(gè)形狀都發(fā)揮了怎樣的作用有很大幫助。我們可以推斷出制作時(shí)，是由于制作方式的限制才做成了這種形狀？還是這種形狀有助于提高行駛性能？準(zhǔn)確把握零件尺寸上哪些地方的精準(zhǔn)度要求是高還是低。
與現(xiàn)在的變速器相比，老款變速器很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的金屬壁過厚，但其實(shí)以當(dāng)年的技術(shù)工法來衡量，這種結(jié)構(gòu)不僅符合標(biāo)準(zhǔn)，且絲毫沒有浪費(fèi)材料。通過這件事讓我感受到了70年間制造技術(shù)的進(jìn)步，也意識(shí)到了我們不應(yīng)輕易滿足于現(xiàn)狀這件事。
使用砂型鑄造法制作零件時(shí)，與一下子就能出成品的切削加工不同，在零件完成前還有一大難題。
為使高溫鐵熔湯（金屬溶液）順利流至砂型空洞的末端，使其冷卻定型后成為與設(shè)計(jì)圖中形狀相同的零件，以及為了防止鑄造零件中出現(xiàn)蜂窩狀氣孔，需要在砂型內(nèi)的熔湯通道上多下功夫。
而且，金屬在冷卻凝固后會(huì)收縮，所以砂型的尺寸需要略大于零件實(shí)際尺寸。另外，將鑄造零件從砂型中取出后，還要進(jìn)行去除多余結(jié)構(gòu)的精加工成形工序，因此，在設(shè)計(jì)成品零件尺寸時(shí)，還要提前打出加工余量來。
為解決上述問題工作組創(chuàng)建了兩種模式的3D建模數(shù)據(jù)。一種是精加工成品數(shù)據(jù)，另一組則是精加工成品前一階段的數(shù)據(jù)。
上圖為根據(jù)舊設(shè)計(jì)圖制作的3D建模數(shù)據(jù)。
其實(shí)還有兩位員工與中澤一起進(jìn)行著分析解讀2D設(shè)計(jì)圖、確認(rèn)設(shè)計(jì)圖紙上沒有記載的信息、制作變速器殼體加工前與完成品兩種3D建模數(shù)據(jù)等工作，他們是同樣隸屬于素形材技術(shù)部的藤原友司和長谷川匠。中澤出于培養(yǎng)年輕人才的考慮，與上司溝通了自己的想法，隨后上司便找到了這兩位年輕的員工。
藤原
我的日常工作是負(fù)責(zé)制作發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋鑄造時(shí)所用鍛模的3D建模工作。無論是分析2D設(shè)計(jì)圖制作3D建模，還是制作3D砂型建模，對我來說都是首次挑戰(zhàn)。
設(shè)計(jì)圖紙上的標(biāo)記是遵照過去的工法所記錄，因此會(huì)有很多地方尺寸數(shù)據(jù)不全，或者存在多余的部分，每個(gè)細(xì)節(jié)我們都要討論怎樣處理才合適，每天都在積累新經(jīng)驗(yàn)。這次經(jīng)歷也讓我們見識(shí)到了老前輩們以當(dāng)年的技術(shù)所制作出的零件之精良，為老前輩們的造物熱情所感動(dòng)。
長谷川
平日里我的工作是負(fù)責(zé)汽車行駛系統(tǒng)3D建模。我完全不了解TOYOPET RACER，也沒有過分析2D設(shè)計(jì)圖制作3D建模的經(jīng)驗(yàn)，所以這次項(xiàng)目對我來說難度頗高。
無論是參與砂型制作，還是研究成品前一階段的建模數(shù)據(jù)，我還都是第一次。一直以來我從事的都是輔助性工作，像這樣參與項(xiàng)目里的每個(gè)環(huán)節(jié)真的是前所未有，是一次千載難逢的成長機(jī)會(huì)。
上圖為隸屬于素形材技術(shù)部，致力于鑄造變速器殼體、離合器與剎車踏板制作的年輕人們（從左到右依次為水越組長、宮田、村上、長谷川、山鹿、藤原）。
另外，同屬素形材技術(shù)部的村上凜，負(fù)責(zé)離合器與剎車踏板3D建模數(shù)據(jù)制作。這位2021年剛剛進(jìn)入公司的新人，在入職不久便參與了該項(xiàng)目。
村上
我之所以會(huì)參加這個(gè)項(xiàng)目，是因?yàn)樯纤緦ξ艺f：“這個(gè)項(xiàng)目里都是年輕人，你要不要也試試看？”
其實(shí)學(xué)生時(shí)代的我，學(xué)的是纖維科學(xué)時(shí)尚纖維專業(yè)，對鑄造以及TOYOPET RACER真的毫無概念。可以說我這個(gè)純小白是在前輩們的指導(dǎo)幫助下一路走下來的。最后，當(dāng)看到自己負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)的零件完成，被組裝到汽車上那一刻，真的發(fā)自內(nèi)心感到喜悅，對我來說是非常寶貴的經(jīng)驗(yàn)。
通過上述方式，以制作完成的3D建模為基礎(chǔ)，用3D打印技術(shù)制造變速器殼體與踏板類砂型。
上圖為使用3D打印技術(shù)制作的變速器殼體砂型。將上下兩個(gè)砂型組合，向砂型內(nèi)部空洞澆鑄熔湯，待冷卻后零件成形。
向砂型中澆鑄溶液的工作，由研發(fā)制造中心鑄造部的老師傅們負(fù)責(zé)。待零件冷卻，將其從砂型中取出，進(jìn)行精加工成形工序，與3D建模數(shù)據(jù)進(jìn)行對比確認(rèn)后，變速器殼體與踏板類的零件鑄造工作終于完成。
判斷砂型中的鑄鐵已經(jīng)凝固，破壞砂型后鑄造零件便現(xiàn)出真身。最后再進(jìn)行去除多余部分的精加工工序，零件便制作完成。
負(fù)責(zé)這一工作的是同屬素形材技術(shù)部的宮田剛。
宮田
以前，無論是變速器殼體還是踏板類，我從來沒擔(dān)任過鑄鐵舊零件的檢查工作。更令人驚訝的是，鑄鐵零件與現(xiàn)在的鋁合金零件形狀完全不同。
當(dāng)看到變速器殼體、離合器與剎車踏板成品時(shí)，主導(dǎo)項(xiàng)目制作的中澤感嘆道：“這完全超出了預(yù)期”。
上圖左側(cè)是精加工成形后的變速器殼體零件，右側(cè)為在變速器殼體中組裝了差動(dòng)齒輪等零件后的狀態(tài)。
中澤
其實(shí)，原本用于鑄造汽車零件的鍛模與砂型，要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間制作，但這次因項(xiàng)目時(shí)間有限，我們決定使用3D打印技術(shù)來制作鑄造用砂型。出乎意料的是，現(xiàn)在3D建模數(shù)據(jù)精度非常高，在最后進(jìn)行精加工成形時(shí)特別順利，毫不費(fèi)力就完成了最后工序。
雖然通過這次項(xiàng)目讓我意識(shí)到自己在掌握鑄造方面知識(shí)的不足，但值得欣喜的是，最后的成品完成度竟然出乎意料地好。我認(rèn)為，通過這次項(xiàng)目我們學(xué)到了很多知識(shí)，為將來遇到品種多、數(shù)量少的零件生產(chǎn)課題提供了解決思路。
老實(shí)說，最初我十分不安，擔(dān)心這個(gè)項(xiàng)目無法順利完成，但在多方的支持與幫助下，我們總算是突破難關(guān)完成了任務(wù)。這次經(jīng)歷讓我切身地感受到“勇于嘗試才能成功”這一道理。今后，面對挑戰(zhàn)時(shí)我將不再畏懼，以更加積極的心態(tài)去嘗試挑戰(zhàn)自己想做的事情。
上圖左側(cè)為鑄造制作的離合器與剎車踏板，右側(cè)為將左側(cè)零件精加工成形后，順利安裝到汽車底盤上的狀態(tài)。
本次項(xiàng)目中有許多如解讀舊設(shè)計(jì)圖、制作3D建模數(shù)據(jù)這種，項(xiàng)目組成員們?nèi)粘９ぷ髦猩儆袡C(jī)會(huì)接觸的工作。所有人都通過這次項(xiàng)目獲得了寶貴經(jīng)驗(yàn)。項(xiàng)目組以中澤為首，成員們多為20多歲的年輕人。從這點(diǎn)上來看，這次項(xiàng)目是培養(yǎng)人才的一次絕佳機(jī)會(huì)，十分有意義。對項(xiàng)目組成員們來說，這次經(jīng)驗(yàn)也一定會(huì)伴隨他們一生，為他們今后的事業(yè)發(fā)展提供巨大幫助。
下回，我們將為大家?guī)肀鞠盗械牡?期報(bào)道。介紹懸架、制動(dòng)器的研發(fā)與制作項(xiàng)目組成員們，如何從零開始攻克難關(guān)的奮斗故事。敬請期待！
（文章：澀谷康人）
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