闞天水

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汽車車身焊接邊尺寸公差分析與研究

闞天水

（愛馳汽車有限公司，上海 200082）

隨著汽車行業(yè)制造水平的不斷提高，企業(yè)對于車身焊接總成的質(zhì)量要求也越來越嚴格。為了進一步提高車身精度，尺寸工程的應(yīng)用越來越廣泛。文章以白車身前門門檻焊接邊為例，拋棄傳統(tǒng)以經(jīng)驗為準繩的控制策略，通過研究新的尺寸鏈分析思路，找到一條更為精確的尺寸分析方法，以確保滿足最小焊接面大小的要求，提高車身焊接質(zhì)量。尺寸鏈分析的方法為極限計算法和均方根計算法。

車身焊接邊；尺寸與公差；尺寸鏈

1 前言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，車身尺寸質(zhì)量開始受到各大汽車廠商的重視[1]。為了進一步提高車身精度，各個汽車公司也逐步開展了對整車尺寸的專項研究，并取得了長足的發(fā)展，特別是在車身焊接總成方面逐步縮短了與國外整車公司的差距。車身尺寸精度的高低，直接決定了總裝件的裝配狀態(tài)，將最終嚴重影響整車的密封性、風噪聲和行駛平穩(wěn)性等[2]。

所謂車身尺寸精度的控制，其實就是針對零部件公差累計的控制。尺寸工程就是通過對圖紙、工藝以及測量結(jié)果進行綜合分析，從而計算出車身的最終質(zhì)量控制狀態(tài)，以達到優(yōu)化圖紙和工藝，減少生產(chǎn)中的質(zhì)量風險，保證和提高車身質(zhì)量的目的。

圖1 白車身前門門檻示意圖

本文以白車身前門門檻焊接邊為引，如圖1所示，綜合分析所有相關(guān)影響因子，從而擴展到所有不同類型的焊接邊，以優(yōu)化車身焊接邊尺寸設(shè)計。

2 問題的由來

雖然單件以及總成GD&T圖紙上定義了各匹配面以及切邊的幾何公差，但最終的總成有效焊接區(qū)域只能從數(shù)模里面進行查詢，而沒有相應(yīng)的圖紙定義，如圖2中所示斷面。傳統(tǒng)的尺寸控制方式都是通過生產(chǎn)經(jīng)驗值給出，以滿足實際生產(chǎn)中的焊接面大小要求，沒有形成科學系統(tǒng)的尺寸控制方法。很多時候根據(jù)經(jīng)驗值認為給出的面寬度足夠了，但是還可能會產(chǎn)生各種各樣的焊接問題。比如焊接面太小，焊點落到了倒角位置或者切邊上，嚴重影響了焊接質(zhì)量；又或者焊接面很大，出現(xiàn)密封等問題。但這時候又找不到產(chǎn)生問題的根本原因所在。

圖2 斷面A-A

如上圖2所示，雖然三個零件的焊接面尺寸都超過了15mm。由于防止零件相互之間干涉的產(chǎn)生，零件之間在倒角位置都有一定的避讓距離。這樣將導(dǎo)致實際的焊接有效寬度降低。比如上圖2中的有效焊接面寬度僅約為13mm。

雖然數(shù)據(jù)上測量得出的有效焊接寬度約為13mm，但如果考慮零部件的公差累計又是多少呢？這里就需要通過尺寸鏈分析來確定最終的產(chǎn)品實際焊接寬度。

3 焊接面切邊線尺寸鏈分析

在圖2中，雖然焊接面有效寬度為13mm，在焊接總成上，因為有公差的影響，將會改變最終的焊接面寬度。

圖3 焊接面切邊公差累計尺寸鏈

公差輸入來源：

1）2D圖紙；

2）焊接工藝文件；

3）工裝精度輸入文件；

4）實際的測量報告。

根據(jù)相關(guān)工藝文件輸入，焊接面內(nèi)外板切邊的尺寸鏈公差累計如圖3所示。

在圖3所示的尺寸鏈中，各貢獻因子為：

1）側(cè)圍總成外板切邊公差；

2）側(cè)圍總成工裝裝配孔銷配合綜合公差：+/-0.3mm；

其中孔銷尺寸大小名義值差別為+/-0.1mm，定位銷尺寸公差走下偏差0/-0.1mm，定位孔尺寸公差走上偏差+0.1/0 mm，工裝定位銷位置度公差+/-0.1mm，采用極限算法：0.1+0.1+0.1=0.3mm。

3）地板總成Z向面定位基準塊公差：+/-0.2mm；

4）地板總成切邊公差。

尺寸鏈計算方法為極限算法以及均方根算法，計算結(jié)果為：

極限算法得出公差極限值：0.7+0.3+0.2+1.0=2.2mm，則公差范圍為+/-2.2mm。

其中極限算法是找出最大風險值，而均方根算法為計算出大批量生產(chǎn)的6西格瑪公差值。

大部分的主機廠采用6西格瑪值作為一般統(tǒng)計公差的結(jié)果，也就是+/-1.27mm。由于內(nèi)外板切邊之差名義值為2mm，故外板還是比內(nèi)板長一些。

最終的焊接有效面寬度將為：13+/-1.27mm，可以得出最小有效焊接面寬度約為11.73mm。

4 考慮焊接邊倒角綜合影響的尺寸鏈分析

目前在國內(nèi)的大多數(shù)主機廠，基本采用上述的尺寸鏈分析方法，僅僅考慮了圖紙以及工裝工藝等可視化公差輸入，而對于圖1中的焊接面倒角處的公差未做充分考慮。在一般的GD&T圖紙中對倒角區(qū)域都沒有明確定義，而只能參考默認公差中一般性公差要求。對于檢具來說，倒角位置都是非測量位置，這樣就造成了倒角處的公差一直處于非監(jiān)控狀態(tài)。而上述的尺寸鏈則沒有考慮到倒角公差對實際有效焊接面面積的影響。

下面對倒角處的公差進行理論分析：

如圖4所示，將其中的各因素定義如下：

已知：RD= 6mm，RM未知，∠BO1D= 72°，A、B 為倒角圓O2以及圓O1的切點，其中AB⊥O1B，AB⊥O2A，做垂線O1C，O1C⊥O2A，則ABO1C為矩形。

∠1 +∠2 = 90°∠2 +∠3 = 90°∠3 +∠4 = 90°

由于∠1 = 36°，則∠4 = 54°

圖4 倒角的尺寸公差分析

因為圖紙上未對倒角作出定義，故通過實際測量得出其具體尺寸值，推算其制造公差。實際的測量位置如下圖5所示：

圖5 切邊倒角測量位置示意圖

采用半徑規(guī)測量5輛車的數(shù)據(jù)，其測量結(jié)果如圖6所示：

圖6 測量結(jié)果統(tǒng)計圖

其中：

D（Design）—側(cè)圍外板焊接面設(shè)計值

A（Actually）—側(cè)圍外板焊接面測量值

RD（Radius Design）—倒角設(shè)計值

RM（Radius Measured）—倒角測量值

經(jīng)過對5組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析并綜合制造部門的相關(guān)反饋，得出倒角6sigma的尺寸公差值約為+/-1mm，則圖4中的AB=(+/-1) / tan54°≈+/-0.7mm。

如圖7所示，將焊接實際貼合面影響位置進行定義。A點為側(cè)圍外板切邊，B點為內(nèi)板切邊，C點為焊接貼合面距離最近的倒角過渡點。

這里是針對該門檻位置斷面分析，若擴展到各焊接面寬度的相關(guān)情況，則有兩種類型：

① A點比B點高，最小實際焊接寬度為從B點到C點（如本例前門門檻焊接面）；

② B點比A點高，最小實際焊接寬度為從A點到C點（非前門門檻焊接面位置）。

在這兩種情況下，實際焊接寬度則有不同的尺寸鏈路徑。

圖7 內(nèi)外板匹配面配合形式

對于第①種類型，A點比B點高時，尺寸鏈如圖8所示從C點計算到B點：

圖8 考慮倒角公差的尺寸鏈

各貢獻因子為：

1）倒角尺寸公差影響值+/-0.7mm；

2）倒角的中心點位置度公差+/-0.7mm，這里默認與倒角下部的面輪廓度相同，因為該倒角將跟著其下部的連接面而上下波動；

3）側(cè)圍總成工裝裝配孔銷配合綜合公差：+/-0.3mm；

其中孔銷尺寸大小名義值差別為+/-0.1mm，定位銷尺寸公差走下偏差0/-0.1mm，定位孔尺寸公差走上偏差+0.1/0 mm，工裝定位銷位置度公差+/-0.1mm，采用極限算法：0.1+ 0.1+0.1=0.3mm。

4）地板總成Z向面定位基準塊公差：+/-0.2mm；

5）地板總成切邊公差。

尺寸鏈計算方法為極限算法以及均方根算法，計算結(jié)果為：

極限算法得出公差極限值：0.7+0.7+0.3+0.2+1.0=2.9mm，則公差范圍為+/-2.9mm。

采用6西格瑪值也就是+/-1.45進行計算，最終的焊接有效面寬度將為：13+/-1.45mm，可以得出最小有效焊接面寬度約為11.55mm。

對于第②種類型，B點比A點高時，則實際的焊接有效寬度將都在圖7所示的單板上，新的尺寸鏈將如圖9所示：

圖9 考慮倒角公差的尺寸鏈

在圖9所示的尺寸鏈中，各貢獻因子為：

1）側(cè)圍外板總成切邊公差A(yù)1；

2）倒角的中心點位置度公差+/-0.7mm，這里默認與倒角下部的面輪廓度相同，因為該倒角將跟著其下部的連接面而上下波動；

3）倒角尺寸公差影響值+/-0.7mm；

尺寸鏈計算方法為極限算法以及均方根算法，計算結(jié)果為：

極限算法得出公差極限值：+/-2.10

采用6西格瑪值也就是+/-1.21mm進行計算，若借用圖2中側(cè)圍外板焊接面寬度值15 mm，則最終的焊接有效面寬度將為：15+/-1.21mm，可以得出最小有效焊接面寬度約為13.79mm。

5 結(jié)論

車身制造的質(zhì)量對汽車的外觀、性能及安全都有影響[3]，故對車身尺寸質(zhì)量展開研究具有很強的緊迫性和實用性。本文尺寸鏈分析方法，基本可以適用于車身上所有有關(guān)最小焊接面寬度的實例上。這也為目前焊接總成質(zhì)量控制，特別是沒有明確圖紙定義，普遍采用經(jīng)驗值的質(zhì)量控制提供了一套可靠科學的尺寸分析方法。尺寸工程以及公差分析的廣泛應(yīng)用，必然能夠不斷推進我國汽車尺寸控制邁向一個新高度。

[1] 易平.車身幾何尺寸生產(chǎn)控制模式.[M]科技與企業(yè),2010年9月.

[2] 胡敏.轎車開發(fā)過程中的公差設(shè)計方法、理論和實踐.[M]上海汽車,2007年10月.

[3] 汪文芳.轎車車身尺寸控制與夾具工藝設(shè)計分析.武漢理工大學碩士論文,2010年4月.

Dimension and Tolerance Analysis for Welding Flange of BIW

Kan Tianshui

( Ai-ways Auto Co., Ltd, Shanghai 200120 )

With the continuous improvement of the manufacturing level of automobile industry, the quality requirements of BIW are becoming more and more stringent. In order to improve the welding accuracy of BIW, dimensional engineering is becoming more and more widely used. In this paper, taking the welding flange of BIW front sill as an example, abandons the traditional control strategy based on experience, and finds a more precise dimensional analysis method by studying a new tolerance chain analysis, so as to ensure the minimum size of the welding surface and improve the welding quality of the body. The methods of tolerance chain are limit and root mean square calculation method.

Welding Flange of BIW; Dimension and Tolerance; Tolerance Chain

U466

B

1671-7988(2019)08-63-04

U466

B

1671-7988(2019)08-63-04

闞天水，碩士，美國ASME GD&T高級認證專家，就職于愛馳汽車有限公司，研究方向為汽車尺寸工程。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.020