基于尺寸工程的門檻尺寸問(wèn)題分析與解決

引言

汽車整車是由各種結(jié)構(gòu)、尺寸不同的零部件組裝而成的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體,在整車組裝的過(guò)程中會(huì)涉及眾多復(fù)雜的尺寸鏈環(huán),整車制造尺寸的穩(wěn)定性由尺寸鏈中的尺寸公差決定。整車制造尺寸越穩(wěn)定反映出整車廠制造水平越高,比如白車身制造的穩(wěn)定性、零部件單件尺寸的制造穩(wěn)定性,都會(huì)對(duì)整車總裝生產(chǎn)及最終產(chǎn)品外觀匹配產(chǎn)生很大的影響。通過(guò)整車尺寸鏈的分析和計(jì)算,可以在前期開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段,判斷制造工藝的加工精度能否滿足零部件所規(guī)定的公差要求:并且在保證整車裝配性能的前提下,適當(dāng)調(diào)整公差范圍,在整車外觀匹配質(zhì)量和成本之間找到一個(gè)合適的平衡點(diǎn),以制造出更具有性價(jià)比的汽車產(chǎn)品。同時(shí),合理制訂產(chǎn)品的尺寸公差也會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生有益的影響,加強(qiáng)尺寸鏈的計(jì)算和管控也是提高整車制造精度的有效手段。如圖1所示,通過(guò)前期的尺寸鏈分析和管理,可以提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,解決問(wèn)題,既可以縮短開(kāi)發(fā)周期,又可以降低整車生產(chǎn)成本。

圖1前期設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本的影響

1問(wèn)題描述

某車型門檻為PP+EPDM+T30材料,在試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)門檻在總成檢具上與后門模擬塊匹配間隙波動(dòng)范圍較大?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果顯示門檻與后門模擬塊x向間隙波動(dòng)范圍較大,理論值(4.0±0.8）mm,實(shí)測(cè)3～5mm,尺寸不合格,如圖2所示。

2門檻定位

采用RPS定位法對(duì)相關(guān)零件進(jìn)行定位,保證在同一基準(zhǔn)定位系統(tǒng)下測(cè)量分析。門檻與模擬車身檢具的安裝定位方案嚴(yán)格遵守"3·2·1"定位進(jìn)行設(shè)計(jì)。該車型門檻與車身飯金的定位結(jié)構(gòu)如圖3所示。門檻通過(guò)中間定位銷與飯金孔實(shí)現(xiàn)X向定位,其他定位銷對(duì)應(yīng)的飯金腰形孔則為Z向定位,Y向定位通過(guò)卡扣與車身飯金拉緊。由此可以看出,門檻與后門匹配間隙主要受產(chǎn)品X向尺寸影響。

3線性尺寸鏈的計(jì)算方法

按照尺寸鏈組成環(huán)所處的空間位置,可以將尺寸鏈分為線性尺寸鏈、平面尺寸鏈、空間尺寸鏈。線性尺寸鏈計(jì)算方法較為簡(jiǎn)單:平面尺寸鏈由平面矢量組成,計(jì)算較為復(fù)雜,一般是將各個(gè)尺寸投影到某一確定的方向上,從而把平面尺寸鏈轉(zhuǎn)化為線性尺寸鏈。對(duì)于長(zhǎng)條狀零件,與長(zhǎng)度方向一致的尺寸匹配就可以作為線性尺寸鏈,因此,門檻與后門匹配間隙的尺寸鏈便可以轉(zhuǎn)化為X方向的線性尺寸鏈。

首先需要定義尺寸鏈,尺寸鏈有兩個(gè)特征:(1）封閉性,尺寸鏈由多個(gè)尺寸首尾相連:(2）關(guān)聯(lián)性,尺寸鏈中每個(gè)尺寸的精度都會(huì)影響到目標(biāo)尺寸的精度。

然后判斷尺寸的正負(fù)。尺寸鏈的正負(fù)關(guān)系到最終評(píng)價(jià)尺寸的理論值,圖4中需要測(cè)量的是間隙X,則X的理論值即A、B、C三者的理論值之和,X的公差范圍則受三者的綜合影響。在進(jìn)行公差分析時(shí),尺寸的正負(fù)可以用"箭頭法"確定。箭頭法是指從目標(biāo)尺寸的任一端開(kāi)始起畫單向箭頭,順著整個(gè)尺寸鏈一直畫下去,如圖4所示,直到最后形成一個(gè)閉合回路,然后按照箭頭方向進(jìn)行判斷,凡是箭頭方向與目標(biāo)尺寸箭頭同向的尺寸為負(fù),反向的為正。

圖4尺寸鏈正負(fù)判斷圖示

在進(jìn)行公差分析時(shí),為了方便計(jì)算,尺寸的公差只能是對(duì)稱公差:如果不是,需要轉(zhuǎn)化為對(duì)稱公差。例如:

此外,要考慮裝配偏移帶來(lái)的尺寸影響。裝配偏移是指由于孔與軸、孔與螺釘、定位孔與定位柱等之間間隙的存在使得零件的實(shí)際位置與名義位置存在一定的偏移。如果目標(biāo)尺寸的尺寸鏈包括裝配偏移,那么計(jì)算時(shí)要考慮裝配偏移。裝配偏移值和公差的公式如下:

式中:D為裝配偏移的值:T為裝配偏移的公差:D₁是孔的直徑:D₂是軸的直徑:T₁是孔的公差:T₂是軸的公差。

公差的計(jì)算方法有以下兩種:

(1）極值法:

目標(biāo)尺寸的名義值為尺寸鏈上尺寸的名義值之和,尺寸具有正負(fù)性。

目標(biāo)尺寸的公差為尺寸鏈上各個(gè)尺寸的公差之和。

(2）均方根法:

目標(biāo)尺寸的名義值的計(jì)算方法與極值法一樣。

目標(biāo)尺寸的公差為尺寸鏈上各個(gè)尺寸的公差的平方和開(kāi)方,即:

通過(guò)線性尺寸鏈的介紹分析,可以判斷門檻在總成檢具上的尺寸鏈中各環(huán)的組成分別是門檻、檢具定位孔以及后門模擬塊。首先,通過(guò)批量測(cè)量可以得出相同生產(chǎn)批次、相同工藝的門檻零件之間的尺寸波動(dòng)范圍約±0.7mm,門檻定位銷與定位孔存在裝配偏移,偏移公差±0.2mm,后門模擬塊相對(duì)檢具定位孔尺寸偏差為0。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)目標(biāo)間隙的公差范圍僅±0.73mm,如表1所示,滿足給定的公差范圍。但是實(shí)際測(cè)量波動(dòng)范圍遠(yuǎn)超公差范圍,可以推斷測(cè)量過(guò)程中的變量并未完全考慮到尺寸鏈中。

4環(huán)境溫度對(duì)門檻尺寸鏈的影響

門檻除了批次件工藝波動(dòng)帶來(lái)的尺寸波動(dòng),還同時(shí)受到外界氣溫影響,產(chǎn)品受環(huán)境溫度影響程度可以通過(guò)線性膨脹系數(shù)進(jìn)行表征。固體物質(zhì)的溫度每改變1℃時(shí),其長(zhǎng)度的變化和它在0℃時(shí)長(zhǎng)度之比,叫做"線性膨脹系數(shù)"(Coefficient of Linear Thermal Expansion,CLTE,簡(jiǎn)稱"線脹系數(shù)"）。對(duì)于塑料產(chǎn)品來(lái)說(shuō),是指溫度升高1℃時(shí),每1cm的塑料伸長(zhǎng)的厘米數(shù),若表示塑料在某一溫度區(qū)間的線脹特性,就稱為"平均線脹系數(shù)"。塑料的線性膨脹系數(shù)一般是鋼材的10倍左右。常見(jiàn)塑料的線性膨脹系數(shù)如表2所示。

表2 常見(jiàn)塑料的線性膨脹系數(shù)

于汽車裝在車身飯金上的細(xì)長(zhǎng)塑料件來(lái)說(shuō)這是一個(gè)不小的尺寸變化,如何保證其在高低溫環(huán)境下的裝配效果,結(jié)構(gòu)和對(duì)線性膨脹系數(shù)的選擇就很關(guān)鍵了。圖5所示為某車型下邊梁護(hù)板的圖片。

圖5下邊梁護(hù)板圖示

其總長(zhǎng)為2073mm,總寬為153mm,所選材質(zhì)為PP＋EPDM-T20,假定冬天最低氣溫為-20℃,夏天氣溫為30℃。該產(chǎn)品是7月份試制完成并轉(zhuǎn)產(chǎn)的,當(dāng)時(shí)各方面的裝配間隙面差都很好,且與飯金的貼合度很好,如圖6所示。但是到了冬天則裝不上了,即使勉強(qiáng)能裝上,前后端也會(huì)出現(xiàn)裂紋,如圖7所示。

圖6下邊梁護(hù)板夏天裝配效果

圖7下邊梁護(hù)板冬天裝配效果

夏天轉(zhuǎn)產(chǎn)時(shí)氣溫大約30℃,根據(jù)裝配效果認(rèn)為當(dāng)時(shí)尺寸與理論設(shè)計(jì)尺寸一致,那么到了-20℃的冬天則尺寸變化約9mm(-20～30℃的線性膨脹系數(shù)按與23～80℃相當(dāng)來(lái)計(jì)算）。整體尺寸要縮短9mm,該產(chǎn)品的定位點(diǎn)在中間位置,則前后各縮短4.5mm,由于兩端已經(jīng)與飯金進(jìn)行緊固連接,沒(méi)有變形量,所以在兩端與飯金貼合不上且短也是必然的。

因此,在分析門檻相對(duì)后門的尺寸公差時(shí),除了考慮到門檻零件之間的尺寸公差范圍,門檻定位銷與定位孔存在裝配偏移,后門模擬塊相對(duì)檢具定位孔尺寸偏差外,還要考慮測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)門檻x方向尺寸的影響。該門檻長(zhǎng)度約2165mm,原材料CLTE值為70.90μm/（m·℃）。當(dāng)裝車環(huán)境與測(cè)量環(huán)境溫差為10℃時(shí),產(chǎn)品長(zhǎng)度變化約1.5mm。

考慮到X向定位居中,則與后門匹配點(diǎn)變化量約0.75mm。表3計(jì)算結(jié)果顯示,當(dāng)考慮環(huán)境溫度對(duì)門檻尺寸的影響時(shí),原有公差范圍偏小。

5結(jié)語(yǔ)

基于尺寸工程的基本方法,采用線性尺寸鏈分析了門檻尺寸公差的影響因素。在門檻類零件尺寸公差定義及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)注意以下事項(xiàng):

(1）對(duì)門檻類產(chǎn)品的尺寸公差定義不僅要考慮產(chǎn)品生產(chǎn)工藝波動(dòng)導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸的變化,還要考慮到原材料線性膨脹這一物理特性,合理調(diào)整公差,避免因公差定義不合理導(dǎo)致成本上升。同時(shí)對(duì)于測(cè)量人員,要統(tǒng)一測(cè)量環(huán)境溫度,避免溫度變化帶來(lái)的干擾。

(2）對(duì)于這類產(chǎn)品一方面要選擇線性膨脹系數(shù)小的材料,另一方面還是要落實(shí)到結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。除定位點(diǎn)外,建議前后各固定點(diǎn)長(zhǎng)度方向放開(kāi),兩端頭的固定點(diǎn)預(yù)留出適當(dāng)?shù)淖冃瘟?這也是后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題。