整車公差控制

整車公差控制張慶庚(沈陽華晨汽車工程研究院110141)關鍵詞：定位、夾緊、匹配、公差、尺寸鏈。摘要：本文通過對互換性，公差，尺寸鏈，定位，匹配公差定義、分解與實現(xiàn)以及整車公差的檢測的介紹與分析，強調(diào)在進行整車公差分配時，要重點考慮公差的可實現(xiàn)性，并綜合考慮互換性、生產(chǎn)條件及經(jīng)濟性，以保證公差的經(jīng)濟性和完全的實現(xiàn)。此外還討論了整車公差的檢測過程中應注意之處。一、公差控制概述汽車零部件有幾萬個，這幾萬個零部件配合在一起，形成整車，對于整車而言，任何兩個零部件之間都有具體的一定的尺寸及匹配公差要求。零部件之間的匹配公差及單件的公差控制，從設計、生產(chǎn)及檢測上都較難控制，需要重點討論。從設計上講，由于公差涉及方面較多，沒有簡單及直觀的軟件進行分析而較難確定。從生產(chǎn)上講，如何確定有效的工藝控制措施來保證公差要求也是個較難的課題。從檢測上講，如何確定最少的檢測點實現(xiàn)有效的控制也是要關注的問題。二、公差控制基本知識互換性現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展，對機器的要求是品種多、質(zhì)量好、數(shù)量大、成本低。為了適應這樣的要求，必須采用分工協(xié)作的方式組織生產(chǎn)，即將組成機器的各個零部件分別交給各個專業(yè)工廠或車間成批制造，最后全集中到一個工廠或車間來裝配。每個工廠保證所制造的零部件都合格，裝配時，從一批零部件中任意抽取一只，裝成的機器臺臺合格。這就意味著在同一規(guī)格的一批零部件中，任取一只裝入機器，都能滿足產(chǎn)品的性能要求。這表明零部件具有可以替換使用的完全互換性。零部件具有互換性有如下好處：使裝配工作簡化，生產(chǎn)周期縮短。零部件具有互換性便于組織流水作業(yè)和自動化生產(chǎn)，這樣就有利于提高勞動生產(chǎn)率，可以講現(xiàn)在大規(guī)模的批量化生產(chǎn)是以互換性的廣泛應用為前提的。降低維修成本。機器的商用者在使用時因零部件損壞而停頓，如能買到可互換的備件，就能迅速的更換，縮短維修時間，提高機器的利用率。可降低單件生產(chǎn)成本?；Q性在保證使用要求，產(chǎn)品性能的前提下可放大尺寸公差，因此可以降低單件的加工成本?？s短產(chǎn)品的試制周期。機器的種類雖然很多，但組成機器的零部件中有許多是可以通用的類型和規(guī)格，如緊固件、傳動件、軸承等，在產(chǎn)品設計中大量應用通用部件，將精力集中在關鍵的零部件的設計上使其可靠和盡可能的優(yōu)化， 而且可以縮短試制周期。那么什么樣的零部件可以采用互換性？零部件的互換有兩個條件：一是零部件的幾何參數(shù)要能達到零部件的使用要求，二是零部件的物理化學性能參數(shù)要能滿足產(chǎn)品的功能要求。第一種稱幾何參數(shù)互換；兩種條件都具備的，稱功能性互換。公差：由于加工誤差存在的不可避免性，所有參數(shù)都達到理想的尺寸是不可能的，要保證零件具有互換性，必須將產(chǎn)品的各項參數(shù)控制在一定范圍內(nèi)才能實現(xiàn)，這個范圍，就是公差。公差就是在滿足使用要求和產(chǎn)品規(guī)定性能的前提下，實際產(chǎn)品的參數(shù)可在標稱值上下作一定范圍內(nèi)的浮動總量。尺寸鏈：在機器設計和制造過程中，常涉及到一些有密切聯(lián)系，相互依賴的若干尺寸組合，在分析這些尺寸間的影響關系時，可將這些尺寸從機器或零件的具體結構中抽象出來，依其內(nèi)在的聯(lián)系按一定的順序首尾相接的具有封閉形式的尺寸組。這一互相聯(lián)系且按一定順序排列的封閉尺寸組合稱為尺寸鏈。在尺寸鏈中最后形成的一環(huán)叫封閉環(huán)。對封閉環(huán)有影響的其它全部各環(huán)稱為組成環(huán)。尺寸鏈按形態(tài)可分為直線尺寸鏈、平面尺寸鏈、空間尺寸鏈。尺寸鏈的基本公式：（1） 、封閉環(huán)的基本尺寸A0。封閉環(huán)的基本尺寸為各組成環(huán)基本尺寸與傳遞系數(shù)乘積的代數(shù)和。（2） 、封閉環(huán)的中間偏差A0。封閉環(huán)的中間偏差為各組成環(huán)中間偏差與傳遞系數(shù)乘積的代數(shù)和。（3） 、封閉環(huán)的公差T0。封閉環(huán)的公差等于各組成環(huán)公差與傳遞系數(shù)乘積的和。（4） 、封閉環(huán)的極限偏差。封閉環(huán)的上偏差或下偏差相應為封閉環(huán)中間偏差加或減封閉環(huán)公差之半。（5） 、封閉環(huán)的極限尺寸。封閉環(huán)的最大極限尺寸和最小極限尺寸為封閉環(huán)基本尺寸加上封閉環(huán)的上偏差或下偏差。解算尺寸鏈的一般步驟：（1） 、根據(jù)零件之間的聯(lián)系，確定相關的尺寸組。并大致按比例繪出尺寸鏈。（2） 、分析尺寸鏈中哪一環(huán)是間接獲得的，找出封閉環(huán)。（3） 、按定義判斷組成的增減環(huán)。（4） 、明確尺寸鏈中哪一個為未知，哪些為已知，求解。求解尺寸鏈的方法：求解尺寸鏈的方法主要有兩種，一種是完全互換法，一種是大數(shù)互換法。完全互換法主要用于流水式、大批量、組成環(huán)較少、配合精度高的生產(chǎn)，大數(shù)互換法主要用于非流水式、大批量、組成環(huán)數(shù)較多、配合精度較高的生產(chǎn)。（1）、完全互換法即完全按照尺寸鏈加和的方法進行計算。即：T=T1+T2+T3+……。（2）、大數(shù)互換法即累積公差等于各組成環(huán)公差的平方和再開根號的方法。T=X.T12+T22+T32+...2※注意相關尺寸鏈較少時，一般不可用大數(shù)互換法。因為用此種方法解算，極易出現(xiàn)兩個零件的偏差方向都向不利方向而出現(xiàn)配合超差的情況。經(jīng)常有這種情況：兩個件構成一個封閉環(huán)，由于在分配公差時，采用大數(shù)互換法進行解算，導致在實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)兩個件都處于極限偏差導致配合超差。例如海獅車的尾燈及側圍配合后有一定的間隙及面差要求，在定義公差時采用大數(shù)互換法，實際生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)兩件都處于不利極限偏差但都合格， 而配合后的間隙或面差就超差的情況。尺寸鏈路線的原則：a） 組成環(huán)最短原則；b） 一件一環(huán)原則；

c） 盡可能建立協(xié)調(diào)環(huán)原則；d） 高精度要求環(huán)一般直接作為組成環(huán)，不作為封閉環(huán)。尺寸鏈計算示例：發(fā)動機艙蓋板與前杠面差分析：（1）、尺寸鏈構成：b2i=側圍裝焊誤差=±1.0b/側圍輪廓度=±0.7b3i=后門輪廓度誤差=±0.7b"前門輪廓度誤差=±0.7b：=翼子板安裝點誤差土0.5b：=翼子板輪廓度誤差=±0.5b0i=艙蓋輪廓度誤差=±0.5a；=前杠安裝誤差=±0.2a：=前杠輪廓度誤差=±0.5a2i=前端安裝誤差=±0.5a22=前端輪廓度誤差=±0.5±1.8±2.0±1.8±2.0艙蓋板的調(diào)整量b=.:b2+b2+b2+b2+b2+b2+b=20 M擊22 31 41 51 52 01—發(fā)動機艙蓋與保險杠的面差值a0=.④2+a2+a2+a2+b=（3）、結論： ”11 12 21 22 0建議將面差質(zhì)量特性更改為4±2.0定位在零部件進行加工時，需確定工件在機床、夾具、或者相對于其它工件的正確位置，稱為定位。定位原理六點定位原理工件采用按一定規(guī)則布置的六個定位支承點，限制工件的六個自由度，即可實現(xiàn)完全定位。這稱為工件的定位原理，或稱為六點定位原理。此六點一般可抽象為 3、2、1原則，即任何實現(xiàn)完全定位的工件的定位都可簡化為空間坐標系內(nèi)的三個坐標平面上（或平行于三個坐標平面）的3點、2點、1點來實現(xiàn)完全定位。定位是解決工件定不定的問題，夾緊是解決工件動不動的問題。1）、應限制的自由度的確定，工件的定位一般只需限制影響配合精度的自由度即可，對配合精度無影響的自由度可不必限制。）、欠定位。按配合要求應限制的自由度沒有被完全限制，使工件定位不足，稱欠定位。）、過定位（重復定位）。工件定位時幾個定位重復限制同一個自由度，這樣的定位稱為重復定位。一般情況下，重復定位會出現(xiàn)定位干涉，使工件的定位精度受到影響。如果重復定位的平面的精加工面，一般不會產(chǎn)生定位干涉的問題，反之，重復定位會使工件定位不準。1） 完全定位一般用于剛性件，需要限制工件的六個自由度。具體的定位基準一般分為主定位（定位零部件的4個或5個自由度）、次定位也叫輔定位（限制零部件的2個或1個自由度）。定位方式見附件三，常見有兩孔一面、兩面一孔、三面等。2） 過定位主要用于如保險杠等撓性件，也可以用于精定位面。3） 欠定位主要用于在某一個自由度上有配合，而在其它自由度上無配合要求的零部件。就整車而言，需要完全定位的零部件主要有：大的總成模塊、內(nèi)外飾部件，整車安全部件等。在確定哪些零部件需要完全定位后，就要分析如何定位以保證零部件的配合精度？一般而言，應盡量使這些零部件定位于精基準上，并且盡量消除定位誤差。定位誤差由于每一具體工件在尺寸上和表面形狀上存在著公差范圍內(nèi)的差異，夾具定位元件也有一定的制造誤差，結果會使每個具體表面產(chǎn)生偏離理想位置的變動量。即產(chǎn)生定位誤差。在設計和制造時一般限定定位誤差不超過工件加工公差的1/5-1/3。產(chǎn)生定位誤差的原因a） 基準位置誤差。這種由于定位副制造誤差而引起的定位基準在加工尺寸方向的最大變動量稱為基準位置誤差。b） 基準不重合誤差。工序基準相對定位基準在加工尺寸方向的最大位置變動量稱為基準不重合誤差。結論：a） 工件按六點定位原理在夾具上定位后，因定位副制造精度及工序基準與定位基準不重合，會使工序基準相對于加工表面產(chǎn)生位置變動，因而產(chǎn)生定位誤差，影響加工精度。b） 定位誤差包括基準位置誤差和基準不重合誤差。這兩項誤差分別獨立、互不相干，它們都使工序基準產(chǎn)生變動，按綜合作用定義為定位誤差。當定位基準與工序基準重合時，基準不重合誤差為零；當無基準位置誤差時，基準不重合誤差為零；若兩項都沒有，則定位誤差為零。c） 計算定位誤差時，應按工序基準在加工尺寸方向上可能處于的兩個極端位置而產(chǎn)生的最大變動量來考慮。如果基準位置誤差和基準不重合誤差的最大變動量不在加工尺寸方向上，定位誤差按折算到加工尺寸方向上的數(shù)值計算。定位原則、基準重合原則。盡量使工藝基準與設計基準重合，如質(zhì)量特性的實現(xiàn)。、基準統(tǒng)一原則。即盡量選擇同一基準定位需要配合的零部件或者以一次加工面或孔等作定位。如同一沖壓件上同一序形成的孔或面，同一注塑件上同一序形成的孔或面。這樣可以減少因基準不重合而產(chǎn)生的定位誤差；、互為基準原則。當兩個零部件相互位置精度要求較高時，可以利用相配合的兩個零部件互為基準；自為基準原則。采用自身形面和孔作為基準。此外還要考慮：兩個基準盡可能遠。三、如何定義匹配公差掌握了上述知識，在進行整車零部件設計時，要定義整車零部件之間的配合特性。整車的匹配質(zhì)量特性一般根據(jù)如下三方面確定：1、性能或功能要求；整車一些重要部件的匹配公差是由于質(zhì)量特性中的性能或功能要求決定的，如動力總成的位置公差是由動力總成的輸出特性決定的。

2、 用戶要求；整車的內(nèi)外飾的匹配公差一般是根據(jù)用戶的需求而決定的。3、 經(jīng)濟加工精度；在沒有特定的性能要求及用戶要求而只有固定要求的情況下，如整車線束、制動與燃油管路、各種拉線、排氣系統(tǒng)等。整車匹配的公差要求一般是根據(jù)此種零部件的經(jīng)濟加工精度來確定的。要注意有些零部件之間的配合無精度要求，則零部件不需要定義匹配公差。如整車線束、制動與燃油管路、各種拉線、排氣系統(tǒng)等只有固定要求而無位置精度要求的零部件。四、如何分解匹配公差特殊公差復合公差如何要求在整車配合件之間的公差確定后，需要根據(jù)整車的配合特性進行零部件的公差分配與分解（對于總成供貨部件，一般整車廠只考慮總成狀態(tài)的配合特性要求，不考慮總成內(nèi)部件的配合特性，這部分由廠家來完成）。并要對車身及零部件進行定位體系分析與確定。公差分配是需注意之處：由于匹配的公差是由各個組成環(huán)的公差所累積的，所以各組成環(huán)公差之和要等于匹配的公差。如一個產(chǎn)品由三個件組成，組合后的距離第四件的位置浮動量不應大于 0.3mm,則此三件在此方向上的形位誤差累計不能大于 0.3mm，然后根據(jù)零件組合后的公差要求將公差在零部件上的分配，就上面提到的0.3mm的公差總量的要求而言，如果平均分配，則要求每個零件的形位公差不應大于0.1mm；具體分配時應盡量可慮不同工藝加工精度的保證程度而對三個零件的公差作適當?shù)恼{(diào)整。零部件公差的確定時，要考慮此零部件的經(jīng)濟制造精度。比如：下圖所示兩個零件相配合，一般而言，件1的加工精度要比件2的加工精度高，在保證使用要求的前提下，規(guī)定公差時，應首先按精度低加工工藝來確定件 2的公差，然后在根據(jù)配合件尺寸鏈原理確定件1的公差。20±0.122瑚20±0.122瑚±0,1件1的圓徑應是d=8+0.1+0.12+0.08=8.3mm在進行零部件公差分配時，需要注意如果此零部件有多個尺寸公差的約束時，如果定位基準相同，則一定要以最小的尺寸公差的約束為此零部件的分配公差（特別是對于車身） 。如果定位基準不同則需分配復合公差，如下圖。,0.3XA,0.5XB車身公差分析時，由車身向分總成分解、再由分總成向單件分解。公差分配時也可采用逆向分配，即是進行零部件公差確定時，可不由整車到分總成再到零部件的順序進行分配，而是分析此零部件跟其它零部件的關聯(lián)關系來確定此零部件的公差。定位體系分析需注意之處：有匹配要求的部分要符合定位原理。特殊公差復合公差說明：現(xiàn)代汽車制造中，普遍采用車身制造綜合誤差指數(shù)CII（ContinuousImprovementIndicator）來控制車身制造質(zhì)量，即“2mm工程”。這一誤差指數(shù)不是車身制造質(zhì)量測量數(shù)據(jù)的實際偏差，而是對車身制造尺寸穩(wěn)定性指標的綜合評價。 “2mm工程”即車身上任何控制點與整車基準之間的尺寸偏差都在土1mm范圍之內(nèi)。換句話講，整車任何兩個控制點之間的尺寸偏差都要在土2mm范圍之內(nèi)。但是一般有嚴格匹配要求的部件之間，可能要求相關的車身控制點之間的尺寸偏差要小于±1mm。這樣就需要對這些件提出更嚴格的公差要求，這就是特殊公差。如果對同一個控制點有多個特殊公差要求，則這些多個特殊公差的組合就形成了對此控制點的復合公差要求。（一般此控制點的在車身上的焊接順序是在對此控制點有特殊要求的焊接件之后。）特殊公差復合公差計算：公差核算：根據(jù)設計給出的內(nèi)外飾件的匹配特性（此為封閉環(huán)），以及配套件一般公差，車身的一般公差，進行核算，看看車身及配套件的一般公差是否滿足最后的匹配特性要求。特殊公差要求：如果公差核算不符合最后的匹配要求（特別是現(xiàn)生產(chǎn)結構與新設計結構相似，而且現(xiàn)生產(chǎn)結構也存在問題），且不能夠放大匹配公差要求。需要對車身或配套件進行特殊公差要求。輸出對車身及配套件特殊公差及復合公差要求。公差輸出可在CATIA數(shù)模上用“帶有引導線的文本”進行特殊公差 復合公差標注，或者用“特殊公差復合公差要求報告-附件”來標注。備注：進行實例分析時，一般可先分析現(xiàn)生產(chǎn)有匹配問題的部件，再分析一般匹配部件。每部分可按由前至后，由外至內(nèi)的順序進行分析。五、如何從設計及工藝上保證更好的保證匹配效果的實現(xiàn)零部件之間的匹配公差的實現(xiàn)，簡單而言，即兩零部件之間的的相關零部件的尺寸公差鏈的累積即是最后的匹配公差。但實際上，由于工藝條件及經(jīng)濟性的限制，各相關零部件之間的尺寸精度難以保證最后的匹配公差要求，這就需要設計及工藝人員想辦法，解決設計要求精度與零部件制造精度之間的矛盾。設計人員在設計時盡量考慮尺寸偏差對設計實現(xiàn)的影響；工藝人員在工藝設計時盡量考慮如何滿足匹配公差的實現(xiàn)。要做到如上目標，必須細致分析影響零部件之間的匹配公差的要素。一般來講，與零部件的結構、零部件的定位體系、零部件之間的尺寸鏈關系、零部件尺寸公差等有關系。具體而言:（一）、設計方面：進行結構設計時，盡量使尺寸偏差的變化對外觀的影響最小。a） 在結構上，盡量只在兩個零部件之間建立匹配要求，而不是幾個零部件之間兩兩都建立匹配要求，如前大燈、翼子板、發(fā)動機倉蓋、前杠之間都有匹配公差要求就不好實現(xiàn)。b） 遵循尺寸鏈最短原則，使有匹配公差要求的兩零部件之間的組成環(huán)最少?？梢岳糜袊栏衿ヅ潢P系的形面直接定位，或者將兩件合并成一件（如在沖壓工藝允許的情況下，應盡可能減小零件的分塊，盡量采用整體結構，特別是對不易保證結構或尺寸要求較高的焊接結構要盡量采用整體壓件以減少焊接公差的累積。）等。c） 盡量在有匹配公差要求的兩零部件之間設立公差開放環(huán)。d） 盡量弱化匹配關系，降低零部件自由度數(shù)量的要求。比如將對接結構改為搭接結構（B柱上飾板、B柱下飾板），由三個自由度要求的結構改為兩個自由度要求的結構；比如增大圓角過渡或進行圓滑過渡等。e） 盡量將零部件的設計的定位點靠近匹配點或面，由于杠桿原則，使得定位誤差的變化不至于被放大。零部件的緊固點盡量離定位點近，且緊固方向盡量與定位方向相同。即定位點靠近點、緊固點靠近定位點的原則。盡量使尺寸偏差對外觀影響大的配合設計到不易被關注之處。盡量使零部件的設計基準、定位體系、定位點（RPS點）與沖壓工藝、焊接工藝、總裝工藝的工藝基準、定位體系、定位點（RPS點保持一致），特別是對于內(nèi)外飾件。如果以上都不能實現(xiàn)，設計結構上盡可能使設計結構可調(diào)整，通過工藝調(diào)整來實現(xiàn)最后的匹配公差。如車門間隙、發(fā)動機倉蓋與翼子板面差、尾門或行李箱蓋與側圍間隙或面差。撓性的部件盡量采用匹配要求的面直接定位，以及過定位的方式保證配合。（二）、工藝方面：工藝基準的選定，如：沖壓工藝、焊裝工藝、總裝工藝的基準、定位體系、定位點（RPS點）是否與設計基準、定位體系、定位點（RPS點）一致。工藝實現(xiàn)過程的各基準是否統(tǒng)一、基準的選定是否影響尺寸鏈的環(huán)數(shù)等。調(diào)整裝配順序，以保證兩個公差要求高的部件之間的組成環(huán)最少。利用零部就件的撓性對零部件即行局部過定位來保證最后的匹配公差。如前保險杠、后保險杠、前大燈周沿相對于中心、尾燈周沿相對于中心、發(fā)動機倉蓋周沿相對于中心，翼子板周沿相對于中心?？蓪⒏鞴ぱb夾具的定位基準做成可調(diào)整式，以在實際調(diào)試過程中減小定位點的實際偏差值（即減小工裝夾具的公差帶，焊裝夾具做成XYZ三向可調(diào)整即是此原因。一般通過焊裝夾具的實際調(diào)試，車身的實際偏差值一般都會比理論計算值?。┗蛘呤苟ㄎ稽c的偏差向改善補償設計尺寸鏈缺陷、補償沖壓件系統(tǒng)性不可改善偏差方向調(diào)整以保證最后的匹配公差（這也是必須要做車身匹配的原因所在。新產(chǎn)品車身調(diào)試以及現(xiàn)生產(chǎn)經(jīng)常利用同一批次零部件的偏差基本穩(wěn)定的方法，對車身夾具進行對應批次的調(diào)整。此調(diào)整雖然會使車身夾具的定位偏離理論值較大，但卻能使最后的匹配公差達到要求，也是這基準做成三向可調(diào)的原因所在。一即不追求單件的合格率，而追求最后車身匹配的合格率）。一般焊接誤差主要由沖壓件誤差、焊裝夾具誤差、作業(yè)過程誤差及焊裝后回彈四方面造成。其中沖壓件誤差、焊接夾具的基準位置誤差、作業(yè)過程誤差、焊接回彈誤差等屬于隨機性誤差，是不能消除的誤差。兩個工件之間的焊接隨機誤差一般由沖壓件雙邊誤差±（0.1?0.2）、焊接夾具的基準位置雙邊誤差±（0.1?0.2）、作業(yè)過程誤差±（0.1?0.2）、焊接回彈誤差±（0.1?0.2）組成，根據(jù)目前一般經(jīng)濟控制水平在±（0.4?0.8）左右。多個工件之間的焊接隨機誤差中，前序件的孔位偏差一般可以由焊接夾具的二次定位進行偏差調(diào)整（要保證可調(diào)整的孔位是夾具的定位點），所以多個工件之間的隨機誤差可以調(diào)整到與兩個工件之間的焊接隨機性誤差相差一樣，大約在±（ 0.4?0.8）左右，但這要求關注孔之間一直是一個基準。如果存在基準轉換，則關注孔之間的焊接隨機偏差則要放大，一般放大兩個件隨機誤差的N倍，N為基準轉換次數(shù)。六、對于車身，如何確定最少數(shù)量的檢測點來進行有效檢測控制（一）、檢測部位的確定車身上的孔位與形面點很多，如果每一處都要檢測，工作量較大。一般而言，車身孔位及形面點的檢測按三級控制：1、 沖壓件檢測：用檢具來控制單個沖壓件的形面點。2、 分總成檢測：只檢測沖壓件的焊接定位點，保證沖壓件焊接后的位置。3、 車身的檢測：只檢測焊接分總成的焊接定位點及關鍵形面點，對于在沖壓件檢測以及分總成檢測中已得到控制的形面點不需要再進行檢測。注意：車身的檢測除了檢測焊接的分總成的焊接定位點及關鍵形面點外， 有要對一些整車裝配有重要影響的部位進行二次檢測。主要有：1、 重要模塊及總成的主輔定位孔。2、 整車上內(nèi)外飾特性要求的孔面。3、 此外、還有不同沖壓件上有配合要求的孔面。注意整車上只起到安裝及固定作用的孔面不需檢測。如果需定位的孔面在同一沖壓件上，而這些定位的孔面與其它孔面無配合要求，則由于單個沖壓件以進行檢測，所以對這些孔位一般不檢測；如果這一組孔與其它孔面有配合要求，則只需檢測此成組孔面中可起到定位此沖壓件的孔面即可。（二）、檢測公差的確定在確定了具體的檢測部位