淺析設(shè)計間隙在車身尺寸控制中的應(yīng)用

胡順波 陳連 許睿

【關(guān)鍵詞】累積誤差;尺寸鏈;偏公差;功能尺寸

【中圖分類號】TP391.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0084-03

0 前言

在汽車行業(yè)產(chǎn)品快速更新迭代的市場節(jié)奏下，新產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵是縮短開發(fā)周期，提高車身制造技術(shù)。對于制造廠而言，白車身因為其傳統(tǒng)鈑金件模具的特點，存在開發(fā)周期長、沖壓及焊接設(shè)備工序多的問題。單個零部件尺寸不可能按照理論數(shù)據(jù)做到合格率100%，制造過程存在一定的誤差。在汽車制造過程中，零部件在進入下道工序焊接成分總成的過程中，除本身拼焊零件的尺寸公差外還有工裝設(shè)備、定位等誤差，如果不對制造過程進行偏差分析，對單件零件進行尺寸控制和公差分配，必然會給后續(xù)裝配成總成的過程帶來誤差積累[1]。相匹配零件的偏差在同一方向無法抵消，則總成的誤差必然會超出公差范圍，從而導(dǎo)致白車身尺寸超差。

為獲得高精度的產(chǎn)品裝配質(zhì)量，整車及白車身零部件需設(shè)計合理的尺寸公差，即在滿足產(chǎn)品裝配和技術(shù)要求的前提下，如何確定尺寸鏈中匹配零件的尺寸公差和位置公差。根據(jù)白車身的結(jié)構(gòu)及裝配特點，我們提出合理地將間隙分配給沖壓件及焊接總成，并將設(shè)計和有效的精度反映到模具和夾具上，使白車身關(guān)鍵控制點的累積誤差控制在±1 mm以內(nèi)的方法，稱之為設(shè)計間隙（Design Gap）。

1 設(shè)計間隙概論

汽車生產(chǎn)經(jīng)歷了單件、小批量流水線式，以及時至今日的大批量機械生產(chǎn)過程。市場的需求和技術(shù)的進步推動了制造工藝技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品研發(fā)周期的縮短需求，制造工藝技術(shù)、零部件的高度互換性，要求產(chǎn)品保證整車制造質(zhì)量是非常必要的。

通常對于單個零件的公差設(shè)計一般是對稱公差，當兩個匹配零件的實際誤差方向相反時，會產(chǎn)生裝配離空，當實際誤差方向相對時，就會造成裝配干涉，進而其焊接總成在某個方向上會產(chǎn)生尺寸偏差。我們從汽車白車身的質(zhì)量目標往下層分解，如果白車身控制在±1 mm以內(nèi)，那么拼焊的分總成的公差累積就不能超過白車身的質(zhì)量控制目標。但是由于沖壓線節(jié)拍及零件產(chǎn)品設(shè)計的特性，零件在某個方向/某些局部區(qū)域很難控制其尺寸公差滿足設(shè)計要求。因此，我們需要考慮其他能實現(xiàn)的零件在對應(yīng)區(qū)域做偏公差分配或者設(shè)計容差，避免裝配制造過程的誤差累積，以達到總成/白車身質(zhì)量滿足質(zhì)量目標。

從產(chǎn)品設(shè)計到驗證至量產(chǎn)階段，設(shè)計容差有著極其重要的作用：①從總成質(zhì)量出發(fā)逐層做設(shè)計公差分配;②消除裝配過程的累積誤差;③提高零件的裝配互換性[1]。我們通過多年的制造經(jīng)驗及三維模型模擬分析計算，把設(shè)計容差完善到產(chǎn)品設(shè)計理念中去，在產(chǎn)品設(shè)計初期配合零部件間預(yù)留能滿足我們累積誤差的間隙，即Design Gap。

Design Gap設(shè)計理念的優(yōu)勢：？譹？訛通過三維/一維模型模擬分析計算，對于圖紙設(shè)計中的偏公差要求直接在3D數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來，在開發(fā)模具和檢具時可以直接體現(xiàn)在零件和檢具上;？譺？訛因模具制造周期不斷壓縮，模具廠沒有足夠的時間進行SE分析，GD&T圖紙的偏公差要求通常在后期模具調(diào)試過程中進行修正。而設(shè)計間隙是直接體現(xiàn)在3D數(shù)據(jù)中，大大降低后期模具調(diào)試時間和匹配成本;？譻？訛把制造誤差累積及設(shè)計容差通過3D數(shù)據(jù)分析計算，在偏差值考慮到產(chǎn)品設(shè)計的公差，理論上只要零部件達到公差要求就可以滿足生產(chǎn)匹配質(zhì)量要求，以減少反復(fù)的匹配調(diào)試和公差修正成本。

2 容差與公差的區(qū)別

容差分配是根據(jù)車身裝配結(jié)構(gòu)特點，考慮零部件互換性、制造工藝、零部件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及焊接的復(fù)雜程度，以車身總成的尺寸偏差目標逐層分解，從而確定單個零部件制造允許的尺寸偏差的過程。容差是把反映關(guān)鍵質(zhì)量特性的產(chǎn)品設(shè)計公差合理地分配到制造相關(guān)的工藝及工序中。從狹義上講，公差指允許尺寸的變動量，即最大極限尺寸與最小極限尺寸的公差帶范圍。容差是確定了公差帶的位置公差。在汽車制造中，容差既包括公差帶寬度，也包括公差帶位置，其體現(xiàn)了型面的方向要求[2]。容差通常是由尺寸工程部門根據(jù)汽車廠的制造工藝水平及產(chǎn)品公差，通過裝配模擬計算等方式確定。公差和容差的區(qū)別如圖1所示?！癠”形梁的內(nèi)外板容差體現(xiàn)一種方向趨勢，而在自由公差下，內(nèi)外板無方向性[1]。

3 設(shè)計間隙的分配

3.1 零部件間的設(shè)計間隙

車身是由上百個沖壓件組成，車身作為整車的載體，外覆蓋件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)件會根據(jù)造型及裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計，產(chǎn)品形狀比較復(fù)雜，而且都需要達到標準的尺寸精度要求。但因其生產(chǎn)制造會經(jīng)過落料、沖孔、成型、拉延、翻邊等多個不同工藝流程，沖壓件很難按照GD&T圖紙公差要求做到合格率100%[3]。另外，沖壓件板料薄、成型面難控制，回彈問題是影響沖壓件尺寸的最大因素。針對這些無法消除的零件尺寸偏差，需要在設(shè)計初期考慮如何在尺寸鏈中消除這些偏差，從而保證焊機組件滿足尺寸精度要求。比如圖2，兩零件搭接配合的R角做適度設(shè)計避讓;又如圖3，根據(jù)零件成型性特征，對于搭接配合型面做設(shè)計預(yù)留等。

3.2 焊接件間的設(shè)計間隙

在汽車制造業(yè)中，除去人為誤差和偶然誤差，零件的質(zhì)量特征一般都服從正態(tài)分布規(guī)律。通過對焊接總成的尺寸公差分析，分配焊接分總成零件幾何尺寸公差，其公差通常是沿零件理論設(shè)計尺寸對稱分布。零件按理論產(chǎn)品數(shù)模完成模具制造后，焊接組件的尺寸除了受零件精度本身的影響，還受焊接工藝、工裝定位、定位誤差、焊接應(yīng)力、操作過程等多重影響[2]。即便零件單件合格率達90%以上，零件焊接時仍會出現(xiàn)干涉、裝配困難或裝配不到位的現(xiàn)象（如圖4所示），從而影響焊接總成的尺寸質(zhì)量。根據(jù)焊接裝配件的特點，收集歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)，以及一維/三維偏差分析，評估焊接組件是否能滿足尺寸精度要求。對于不能滿足需求的尺寸控制區(qū)域，需要通過更改設(shè)計結(jié)構(gòu)、更改工藝等方法修正影響，對于無法修正的區(qū)域，我們通過設(shè)計間隙實現(xiàn)容差。比如：右前大梁總成與前輪罩總成Y向貼合面，為保證重要的功能面尺寸精度，在前大梁與前輪罩搭接的Y向型面做0.5 mm設(shè)計間隙（如圖5所示）。

3.3 白車身的設(shè)計間隙

車身是整車零件的載體，據(jù)估計，一般整車由1萬個不可拆卸的獨立零部件組裝而成，整車制造工藝復(fù)雜。白車身的尺寸偏差主要受零件偏差、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及裝配偏差等因素影響，導(dǎo)致無法滿足白車身功能尺寸控制要求。

比如：車架與側(cè)圍的搭接，為保證上車體的車身剛度，大梁與側(cè)圍的搭接多為Y向搭接。但是，大梁內(nèi)的加強板、與大梁拼接的中間橫梁，其搭接結(jié)構(gòu)也均為Y向偏差。因此，白車身Y向的尺寸會逐層累積到車身外側(cè)，導(dǎo)致功能尺寸偏差。如圖6所示，理論公差狀態(tài)下，白車身Y向尺寸的偏差結(jié)果已經(jīng)很接近整車尺寸控制要求的臨界值。由于大梁及其周邊搭接零件的結(jié)構(gòu)及沖壓成型性，其零件很難做到公差范圍內(nèi)，從而導(dǎo)致白車身功能尺寸的偏差。

因此，對于諸如此類的問題，我們在前期做公差分配的時候，通過一維/三維偏差分析結(jié)果，找出敏感因子，打斷尺寸鏈，對于能直接解決問題的關(guān)鍵區(qū)域做設(shè)計間隙，例如：為保證側(cè)圍拼焊成白車身總成時側(cè)圍X方向的穩(wěn)定性。我們通過三維偏差分析找出影響的敏感因子（如圖7所示）。從產(chǎn)品搭接結(jié)構(gòu)出發(fā)，對會影響側(cè)圍X方向的型面做設(shè)計間隙，最后通過三維分析做設(shè)計驗證。側(cè)圍與地板焊接工位需要設(shè)計輪罩與地板的X方向的設(shè)計間隙，對地板按照圖示方向設(shè)計偏移1 mm，各留1 mm設(shè)計間隙（如圖8所示）。

4 結(jié)語

設(shè)計間隙是在設(shè)計初期根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗及尺寸鏈計算，評估尺寸偏差是否可控，并做出尺寸補償?shù)囊环N尺寸控制方法。在產(chǎn)品開發(fā)初期制定設(shè)計間隙，可以大大降低開發(fā)過程中的反復(fù)匹配、反復(fù)修模的成本，從而減少整改次數(shù)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

參 考 文 獻

[1]王劍宇.容差分配技術(shù)在汽車整車及車身設(shè)計中的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料，2009（8）：58-59，61.

[2]勾治賤，劉賽，王劍宇.容差分配技術(shù)在轎車車身設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].汽車工程，2009（4）：336-339.

[3]楊鳳兵.簡析汽車白車身尺寸精度控制方法[J].時代汽車，2017（7）：99-101.