劉亞軍 蘇世棟 梁志勇 張義東

上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)的制造水平也不斷提升，對(duì)于汽車(chē)各項(xiàng)技術(shù)要求，提出的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也越來(lái)越高。從客戶角度考慮，最直觀的外觀要求，也就是我們所說(shuō)的包括 DTS（Dimension Technology Standard）在內(nèi)的感知質(zhì)量，客戶要求的提升，也就驅(qū)使我們對(duì)整車(chē)尺寸控制要求的提高。

數(shù)字化設(shè)計(jì)制造方式是現(xiàn)代汽車(chē)研制的基礎(chǔ)和先決條件之一[1]。數(shù)字化實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造、管理和經(jīng)營(yíng)的一體化、信息化和現(xiàn)代化，大幅度降低新產(chǎn)品的研制周期、研制成本和廢品率[2]。產(chǎn)品零部件通過(guò)三維建模精確表達(dá)每一處細(xì)節(jié)，但是在零部件制造的過(guò)程中，想要達(dá)到三維模型的精度是困難重重。

白車(chē)身通常是由數(shù)百個(gè)形狀各異的薄板沖壓件，在不同的工位上用數(shù)百個(gè)工裝夾具完成。小零件焊接成分總成，分總成焊接成總成，整車(chē)就是通過(guò)這樣一層層裝配起來(lái)，在整個(gè)裝配過(guò)程中，不同供應(yīng)商生產(chǎn)能力水平不同，零件本身會(huì)有偏差，零部件會(huì)干涉，工裝會(huì)有波動(dòng)，焊接會(huì)有變形，從而會(huì)產(chǎn)生尺寸偏差，對(duì)生產(chǎn)制造產(chǎn)生影響。所以針對(duì)目前狀態(tài)，我們所采取的方案也就是根據(jù)實(shí)際情況分析在設(shè)計(jì)GD&T（Geometric Dimention and Tolerance）圖紙時(shí)采用偏公差，但是在數(shù)控加工的過(guò)程中，偏公差比較難以直接實(shí)現(xiàn)，所以提出在汽車(chē)制造過(guò)程中采用有Design gap（設(shè)計(jì)間隙）的三維模型。

2 偏移公差的應(yīng)用現(xiàn)狀及弊端

2.1 偏移公差的應(yīng)用現(xiàn)狀

生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明：在正常條件下加工一批零件，其產(chǎn)品的質(zhì)量特征一般都服從正態(tài)分布規(guī)律[3]。所以在單個(gè)零件加工的過(guò)程中公差帶的分布在數(shù)模理論位置是左右對(duì)稱的，但是在車(chē)身車(chē)間裝配的過(guò)程中，兩個(gè)零件雖然都處于要求的公差帶范圍內(nèi)，仍然會(huì)出現(xiàn)部分零件公差帶處于交叉范圍，也就造成了零件干涉、裝配困難等問(wèn)題，從而影響整車(chē)尺寸精度。如下圖1，雖然兩個(gè)零件都處于公差帶范圍內(nèi)，但是依然會(huì)出現(xiàn)干涉區(qū)域。

針對(duì)以上情況，在前期設(shè)計(jì)GD&T時(shí)，會(huì)適當(dāng)考慮偏移公差，如圖2、圖3，某車(chē)型前中大梁搭接區(qū)域由于沖壓件回彈特性，經(jīng)常會(huì)干涉，無(wú)法完全裝配到位，所以通過(guò)偏移公差來(lái)消除這一現(xiàn)象，提升整車(chē)尺寸精度。

圖1 零件1和零件2公差帶干涉區(qū)域示意圖

圖2 前中大梁搭接截面圖

圖3 中大梁偏移公差設(shè)計(jì)

2.2 偏移公差的弊端

雖然目前偏移公差能一定程度解決零件裝配干涉等問(wèn)題，但是也存在諸多如下弊端有待解決：

（1） 供應(yīng)商在數(shù)控加工過(guò)程中，依據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型來(lái)開(kāi)發(fā)模具和檢具，對(duì)于GD&T圖紙上的偏移公差的要求無(wú)法實(shí)現(xiàn)直接數(shù)控加工；

（2）在數(shù)控加工后，才能根據(jù)零件狀態(tài)考慮GD&T圖紙偏移公差的修整方案，造成整個(gè)模具調(diào)試周期增加；

（3）由于受加工工藝以及加工精度等影響，相鄰匹配零件間公差走向不一致則會(huì)引發(fā)的零件適配，造成需要額外的模具調(diào)試時(shí)間；

（4）不同區(qū)域包括供應(yīng)商的工程師需要充分理解偏移公差設(shè)計(jì)理念，否則就不能很好的按照GD&T圖上偏移公差的要求整改零件；

3 Design gap 應(yīng)用

3.1 Design gap 簡(jiǎn)介

Design gap也就是設(shè)計(jì)間隙，是在偏移公差的基礎(chǔ)上演變而來(lái)。偏移公差是在產(chǎn)品三維數(shù)模鎖定后根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)GD&T圖紙的設(shè)計(jì)。在模具、檢具數(shù)控制造過(guò)程中，依然是根據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)模加工而成，后續(xù)再通過(guò)休整模具來(lái)達(dá)到滿足GD&T圖紙偏移公差的要求。而Design gap是在產(chǎn)品三維數(shù)模未鎖定之前，將偏移公差直接體現(xiàn)在三維數(shù)模的一種設(shè)計(jì)思路。這樣在后期的制造過(guò)程中，可以直接通過(guò)產(chǎn)品三維數(shù)模進(jìn)行精確數(shù)模加工，從而達(dá)到設(shè)計(jì)所需求的狀態(tài)，提升整車(chē)零件匹配穩(wěn)定性，提升整車(chē)尺寸精度，對(duì)整車(chē)尺寸合格率、外觀DTS以及感知質(zhì)量的提升都有很大的幫助，進(jìn)而提升整車(chē)品質(zhì)。

3.2 Design gap 案例及優(yōu)勢(shì)

3.2.1 Design gap案例

以應(yīng)用Design gap的某車(chē)型為例進(jìn)行分析具體的應(yīng)用，如下圖4為某車(chē)型的門(mén)檻內(nèi)板的搭接。門(mén)檻內(nèi)板兩側(cè)分別與下車(chē)體焊接總成和側(cè)圍焊接總成裝配搭接，對(duì)于總拼的影響至關(guān)重要，其中C/C（左右）方向的影響關(guān)乎整車(chē)尺寸質(zhì)量的提升。

由于沖壓件回彈特性，兩段門(mén)檻內(nèi)板開(kāi)口寬度并不能完全保持偏向一致，所以會(huì)造成開(kāi)口大小不一致導(dǎo)致裝件不能完全到位。在以往的經(jīng)驗(yàn)中，我們往往采取偏公差的形式將一端的開(kāi)口通過(guò)偏移公差來(lái)減免此情況。而在此車(chē)型中，如圖5，我們采取Design gap的方法直接將偏移公差輸入到產(chǎn)品三維數(shù)模中，兩個(gè)門(mén)檻內(nèi)板搭接處設(shè)計(jì)3段Y向、2段Z向0.50mm的設(shè)計(jì)間隙，這樣我們的GD&T圖紙中就無(wú)需特別標(biāo)注偏移公差，保留中值公差即可，對(duì)后續(xù)制造過(guò)程也節(jié)約了制造周期，對(duì)于各區(qū)域?qū)τ诹慵叽鐮顟B(tài)的監(jiān)控也方便許多。

圖5 某車(chē)型門(mén)檻搭接剖視圖

圖4 某車(chē)型門(mén)檻搭接示意圖

由于門(mén)檻內(nèi)板位置的重要性，通過(guò)以上Design gap的輸入，能夠更好保證門(mén)檻的位置精確度，也就是保證其定位的精確度。因此，對(duì)于一些定位要求較高，而且受零件狀態(tài)影響較大的搭接區(qū)域，我們可以適當(dāng)考慮采用Design gap的方法來(lái)保證定位精度，提高整車(chē)尺寸質(zhì)量。

3.2.2 Design gap的優(yōu)勢(shì)

通常由設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型在制造過(guò)程中需要轉(zhuǎn)換為制造模型。制造模型是相對(duì)于設(shè)計(jì)模型而提出的，是產(chǎn)品生產(chǎn)制造周期內(nèi)，對(duì)于工序信息的描述[4]。在制造模型的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員需要特別關(guān)注偏公差尺寸。由于數(shù)控機(jī)床定位存在一定的定位精度等問(wèn)題，所以在加工過(guò)程中，GD&T圖紙中的偏公差也要用中間公差來(lái)建立模型，后續(xù)通過(guò)修模來(lái)達(dá)到尺寸工程師所需求的零件偏公差狀態(tài)。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期，如果產(chǎn)品工程師能夠按照一定的要求來(lái)建立三維模型，用Design gap理念將偏公差直接體現(xiàn)在三維模型中，那就實(shí)現(xiàn)了有偏公差的零件模型由設(shè)計(jì)到制造都是一致的。因此Design gap相比較偏公差還是有許多優(yōu)勢(shì)的，如下：

（1） GD&T圖紙上偏移公差的要求直接通過(guò)Design gap在三維數(shù)模中體現(xiàn)出來(lái)，這樣開(kāi)發(fā)模具和檢具可以直接通過(guò)公差中值進(jìn)行數(shù)控加工達(dá)到較好的零件質(zhì)量；

（2） GD&T圖紙上偏移公差的要求在模具和檢具制造過(guò)程中就體現(xiàn)出來(lái)，模具調(diào)試周期短，后期匹配成本低；

（3）GD&T圖紙上偏移公差要求在三維數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程中就直接考慮進(jìn)去，原則上只要零件達(dá)到公差要求就可以達(dá)到較高的匹配質(zhì)量，同時(shí)減少額外的模具調(diào)試時(shí)間；

（4）各區(qū)域工程師只需要跟蹤檢具來(lái)進(jìn)行尺寸評(píng)估，要求供應(yīng)商將零件的尺寸做到符合檢具要求即可，對(duì)各區(qū)域工程師的匹配能力沒(méi)有非常高的要求；

3.3 Design gap 設(shè)計(jì)分類

（1）零件的搭接部位涉及到多個(gè)方向表面接觸（例如U形搭接），由于零件尺寸存在偏差和波動(dòng)，所以多方向表面搭接的零件極易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，零件無(wú)法正常到位，所以此情況需針對(duì)零件做Design gap來(lái)減免此情況出現(xiàn)的概率。

圖6 下車(chē)體與側(cè)圍Y向搭接面

例：大梁之間的搭接是涉及到多個(gè)Y向和Z向，在以往各個(gè)車(chē)型基本都會(huì)出現(xiàn)搭接干涉落不到位的情況，造成后續(xù)一些列問(wèn)題，在三維數(shù)模設(shè)計(jì)時(shí)，在Y向、Z向加入適量的設(shè)計(jì)間隙。其他結(jié)構(gòu)如，橫梁與車(chē)架、大梁內(nèi)撐板和加強(qiáng)板、側(cè)圍內(nèi)加強(qiáng)板等。

（2）確保零部件重要功能面到位的Design gap。在整個(gè)白車(chē)身中，許多重要功能面受到零件之間的搭接影響，導(dǎo)致重要功能面的尺寸狀態(tài)較差。因此，為消除這些因搭接干涉等帶來(lái)的影響，在前期設(shè)計(jì)通過(guò)搭接部位設(shè)計(jì)不同方向的Design gap來(lái)降低因搭接影響重要功能面尺寸狀態(tài)的概率。

例：門(mén)檻內(nèi)板的搭接涉及到Y(jié)向及Z向，將搭接區(qū)兩方向在三維數(shù)模做設(shè)計(jì)間隙，可有效避免兩門(mén)檻內(nèi)板因搭接不到位，影響整個(gè)與側(cè)圍焊接總成搭接面的位置精度，從而有效降低了側(cè)圍Y向超寬的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）影響白車(chē)身整體外觀尺寸，多個(gè)零件大范圍搭接或多層板搭接的區(qū)域適合在搭接部位采用 Design gap。

例：在側(cè)圍與下車(chē)體拼接的時(shí)候，從前到后前側(cè)板、門(mén)檻、撐板、輪罩、尾端梁等都需與側(cè)圍Y向搭接，如圖6，這些零件的面輪廓度一致性很難控制，這些區(qū)域Y+最大偏差位置和Y-最大偏差位置最先于側(cè)圍搭接，這就導(dǎo)致側(cè)圍超寬。因此，需要在前期設(shè)計(jì)在影響的主要區(qū)域進(jìn)行Design gap設(shè)計(jì)，來(lái)進(jìn)一步提升整車(chē)白車(chē)身外觀尺寸。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)于市場(chǎng)對(duì)于整車(chē)各方面要求的提升，汽車(chē)的更新?lián)Q代也越來(lái)越頻繁，這就導(dǎo)致整車(chē)開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，整車(chē)尺寸開(kāi)發(fā)狀態(tài)的穩(wěn)定性對(duì)我們的要求也越來(lái)越高。偏移公差應(yīng)用在一定程度上縮減了一定的開(kāi)發(fā)周期，但是相對(duì)于市場(chǎng)的需求還不夠，Design gap的應(yīng)用能夠進(jìn)一步減少試模次數(shù)，大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，對(duì)于市場(chǎng)產(chǎn)品快速迭代也提供了一定的保障。