车身件尺寸控制技术应用研究.doc

车身件尺寸控制技术应用研究上海拖拉机内燃机有限公司 褚卫东（主审论文）摘要：现代汽车大多为承载式车身，底盘、发动机、变速箱等关键总成均直接安装在车身上，安装这些动力总成的车身前后纵梁等总成尺寸必须精准且稳定，实际生产中，影响车身件尺寸的因素非常多，有效的产品设计控制、工装设计控制、工艺设计控制、尺寸测量等技术可以较好地控制零件尺寸质量。关键字： 车身件 尺寸控制 前言现代汽车大多为承载式车身，底盘、发动机、变速箱等关键总成均直接安装在车身上，这就要求安装这些动力总成的车身前后纵梁等总成尺寸必须精准且稳定，如何控制实际生产中影响尺寸精度及稳定性的因素非常重要。本文就产品设计控制、工装设计控制、工艺设计控制、尺寸测量等方面对车身件尺寸控制进行研究阐述，以达到有效控制车身件尺寸质量的目的。正文一 车身件尺寸要求。 20世纪90年代初，丰田汽车车身制造提出将车身尺寸的CII指数控制在2MM之内，并形成提高车身尺寸的产品设计、工艺工装控制、生产过程控制的体系，提高了车身质量、提高了产品竞争力，美国GM汽车等公司在此基础上逐步开展了“2MM工程计划”，2mm工程在车身制造领域的应用已被认为是汽车制造企业是否在车身尺寸控制方面达到国际先进水平的衡量标准，实际情况是随着整车厂高效率生产的要求，允许的尺寸偏差越来越小，尺寸合格率越来越高，增加了针对关键总成装配的硬点合格率100%合格的要求。表一:某主机厂车身件尺寸要求趋势尺寸项目1999年W-CAR2000年S-CAR2004年L-CAR2008年E-CAR2009年D-CAR2010年3082012年E182012年G60匹配面0.90.70.70.90.70.70.90.5匹配孔0.90.70.70.90.70.70.90.5硬点 （100%合格）N/AN/AN/AN/AN/AN/A0.70.5 我们以车身件中最典型零件前纵梁总成为例,其上部安装发动机支架及变速箱支架，下部安装前悬架支架，前部安装前保险杠，中部匹配前围板，后部匹配前地板及侧围A柱等等，其中发动机支架、变速箱支架、前悬架支架等安装点结构刚性很强（俗称硬点），尺寸超差将导致无法安装，所以对尺寸精度及波动要求很高，要求尺寸100%合格及尺寸波动在1/3公差带之内。图（1）：车身件前纵梁总成主要安装匹配要求零件尺寸质量评价时常用过程能力指数进行评价，该指数数值越大， 过程能力指数是表示过程能力满足过程质量标准（公差、工序质量规格）要求程度的量值。常用的过程能力指数有Cp、 Cpk、 Cpm，以SGM为例，尺寸要求为： Cpk1.67时，顾客满意。1.33 Cpk 1.67时，顾客基本满意，生产件批准后，从开始生产后需保证Cpk 1.33 。Cpk 1.33 。 要提高过程能力指数Cpk，需要： 提高精度，实际超差平均值尽可能位于规范区间的中央（设计规范名义值，一般为零），通常关于尺寸精度质量常用有车身几何质量指数（IQG值）和尺寸符合率（DAR）控制。减小波动，应使每组测量数据的极差尽可能小，趋向于零，车身尺寸的稳定性进行目前可用6符合率或稳定性符合率这一指标来衡量，越小越好，（著名的2mm工程即：6 2mm）。 二车身件尺寸控制技术。 影响车身件尺寸精度及波动的因素非常多，通过多年对提高尺寸合格率及稳定性的研究，梳理产品零件、工装、尺寸的关系，形成了基于三归零技术的尺寸控制体系，不断优化产品、工装、工艺要求及控制实物质量，可较好地提升尺寸精度及稳定性，我们需要对以下方面进行控制：设计控制：主要有特殊特性控制、MCPR控制、孔径公差控制等。特殊特性控制要求对客户产品进行特殊特性分析，识别尺寸硬点、重要匹配尺寸，编制特殊特性清单，将这些重要尺寸落实到模具、检具、焊接夹具工艺及工装设计中。MCPR控制是指为确保总成零件符合图纸要求及车身实际装配需求，根据零件在总成中的匹配关系及总成在车身的装配情况制定匹配（MC）要求，对客户产品进行匹配分析，对重要匹配区域进行公差分配，形成一定匹配间隙，避免焊接匹配干涉。 图（2）MCPR设计控制孔径公差控制是指对客户产品孔径进行梳理控制，统一模具、夹具、检具定位孔、检测孔、凸焊孔、装配孔孔径，形成冲压件检具控制模具生产的冲压件尺寸，总成检具控制焊接夹具生产的总成件尺寸的尺寸控制关系，焊接完成后的总成能顺利在总成检具上进行检测。 工装控制：主要有模具控制、夹具控制、检具控制等。模具控制要求首先是在模具设计阶段即体现产品设计公差分配要求，在模具设计及数控加工中充分考虑偏差方向及回弹因素，这样可以提高冲压件首次出件的尺寸合格率、减少修模次数、缩短修模/焊接夹具的调整周期，快速达到焊接后总成尺寸在公差内及波动小的要求，可以采用的技术有:前期CAE分析、后期的样件白光扫描对比，全面对比样件与CAE分析的符合率，快速修订CAE及CAM数据，及时修改模具，快速提高冲压件尺寸合格率，改善总成匹配；其次模具设计及制造时在控制制造成本的同时必须考虑零件尺寸稳定性，可以采用的方法有尽量采用多工位及级进模自动冲压工艺，提高模具刚性、材料及热处理等级、增加模具表面TD处理，优化型面与孔位冲压关系确保基准一致性、模内增加氮气缸稳定冲压工艺条件、提高模具型面研合率等，确保冲压生产过程型面与孔位的稳定。图（3）成型CAE分析与实际扫描结果对比夹具控制要求工装定位精度高，偏差在零位附近；工装稳定性要高，波动在零位附近。焊接夹具评审要关注工装精度， 车身件供应商夹具控制精度要大于主机厂精度。表二: 夹具控制精度要求控制要求(MM)主机厂公差供应商要求公差主机厂磨损极限供应商磨损极限定位面0.100.050.30.3定位销（4+4定位）-0.15-0.05-0.10-0.05-0.25-0.20焊接工装结构要提高定位精度、生产稳定性。 图（4）提高焊接工装精度及稳定性车身件批量生产时，稳定性比准确性更重要，在焊接夹具评审时一定要对定位稳定性的要素如型板厚度、主定位销方式、主定位销连接刚性、夹紧工作比等做重点评审，确保所有结构满足大批量高承载力的焊接要求、定位稳定可靠，波动最小。在夹具验收时，除了常规动态及静态验收，还要做稳定性验收，利用对工装定位基准重复性精度验收的方法（Drill Panel）来评估，通过零件在工装上定位加紧后钻孔进行重复测量的方法评估工装定位基准的重复性精度，评估人员操作对重复性的影响，评估焊接过程的尺寸波动。一般要求波动不能大于1MM，对于关键尺寸配合面，波动不能大于0.5MM，关于提高焊接尺寸稳定性还可以在关键焊接工装上增加零件到位检测传感器控制零件装配尺寸质量。检具控制要求能对车身件总成的所有图纸尺寸进行精确测量，对于硬点及高关注匹配点（PMP）点，要求测量数据精确到0.02MM，检具在设计及制造时也要同步控制精度及稳定性，对精度的验收采用高精度的CMM进行，与夹具控制精度原则类似，车身件检具的控制精度要求高于主机厂的精度要求，对稳定性的验收采用MSA分析来进行，确保检具工艺能力指数CPK值要大于1.67。PMP测点硬点测点型面测点孔位测点图（5）检具的一般测量要求工艺控制：主要有焊点次序设计、焊接示教工艺等。对于车身件总成，一般分布大量的焊点，无任如何优化，零件之间的匹配最终仍存在干涉及间隙，外加焊接过程本身存在热变形，所以焊接后尺寸肯定存在变化，为让焊接变形更小，必须合理设计焊点或焊缝焊接次序，一般要求，点焊过程要求焊接时零件在夹具上先沉到低、再消间隙、后封尺寸的工艺次序，如图（6）所示，典型的U形匹配件，点焊打点次序应为先打底面1处的点，消除底部间隙，减少侧面和翻边的间隙，再打两侧2、3、4、5处的点，消除两侧间隙，最后打翻边6和7处的点，这样做可以做到不会因焊接次序不对而产生应力变形，零件才可归零。在如图（7）所示，典型的前纵梁内外板拼焊，打点次序应为先打中间点1、2、3、4，再分别由中心向外侧点焊，这样可以消除零件匹配间隙产生的点焊应力变形，控制零件点焊变形扭转。 图（6）正确焊接次序 图（7）正确焊接次序 车身件机器人CO2焊接同样遵循焊接变形最小焊缝质量最好的工艺，采用中心向两边点定，中心向两边交替焊接的工艺控制焊接变形。在机器人焊接仿真示教过程中必须严格按正确的焊接次序进行仿真机示教，确保焊枪电极与工件垂直，减少焊接变形。但有时为了获得良好的匹配尺寸，可以在一定角度内调整焊接姿态，利用机器人焊枪适当调整电极扭曲角度或空打工件进行微量整形，达到提高尺寸合格率、修正焊接变形的目的。生产控制：主要有冲压生产控制、焊接生产控制、日常测量控制。在冲压原材料采购控制时尽量采购中间性能的材料，并对材料性能变化范围在技术协议内进行规定。在模具设计制造完成后，在生产过程中需要对关键要素进行控制，首先要确保冲压设备及原材料与模具验收时的一致性，确保生产设备关键要素如机台平面度、气垫高度等指标在允许范围之内，减少机台差异、材料差异导致的零件尺寸变化，在模具批产终验收时确保与模具厂验收封样件尺寸一致，并针对同牌号不同批次材料进行多次试模及调整，确保模具适应一定范围材料性能变化，对于材料性能变化较大时，必须适当调整冲压工艺参数，努力减少冲压件尺寸的变化。车身件焊接生产从尺寸稳定性出发，大多采用机器人焊接，但必须注意以下几个关键因素：规范现场的机器人点焊示教动作，采用电极修磨补偿技术确保机器人点焊补偿距离恒定，采用机器人焊枪电极对中检查技术确保电极对中等，只有有效控制焊接生产尺寸变化点因素，才能使尺寸变化控制在最小状态。在日常测量过程中，一般采用检具测量控制及CMM测量控制，一旦发现尺寸超差报警，应及时分析制造过程中所产生的尺寸问题，做出相应的措施及跟踪，从而能够稳定地控制车身的功能尺寸状态。图（8）尺寸测量监控三尺寸控制技术趋势。为了更好实时精确地进行车身件尺寸控制，最新的技术已不断开发出来并在各主机厂及零部件厂应用，目前前沿的有机器人激光在线检测技术、视觉检测等，可以及时进行尺寸测量机零件状态测量，并且通过网络实时将测量数据汇总到主机厂，第一时间进行尺寸分析报警，从而更好控制整车车身尺寸。图（9）机器人激光测量 图（10）机器人视觉检测 其它还有在车身件上还可以在关键夹具工装上设计型面及孔位自动测量系统，通过过程控制来提高总成的最终尺寸精度及稳定性。图（11）焊接工装过程型面及孔位自动测量结束语：完美的车身尺寸是由一个个高精度及高稳定性的车身总成零件组成的，车身件的尺寸控制是个系统的工程，有效的产品设计控制、工装设计控制、工艺设计控制、