车身容差分配工程设计研究

1、论文分类号单位代码10183密级内部研 究 生 学 号 2994106吉林大学硕士学位论文车身容差分配工程设计研究RESEARCH OF BIW PROCESSING TOLERANCEDESIGN作者姓名:田永鑫专业:车辆工程导师姓名及职称:张建文 副教授论文起止年月:2001 年 5 月至 2002 年 5 月提要随着中国加入世界贸易组织中国的汽车工业开始融入全球的竞争之中入世成为中国汽车工业的巨大推动力量使它的发展进入了一个全新的时期 同时也将面临严峻的考验在如此激烈的市场竞争中若想占有一席之地就必须具有过硬的产品质量 先进的技术水平才能不断地发展自己 巩固自己才能适应新形式的需要在发展

2、中立于不败之地 因此如何在设计阶段提高白车身制造质量在当前就显得尤为重要本文以 汽车车身容差分配工程设计 为研究内容 以工作站CATIA 软件为工具 以哈飞集团 HFJ6390 HFJ6352 车为工程应用对象 探索提高白车身制造质量的新方法汽车车身容差分配工程设计研究为哈飞集团 2001 年度科研生产攻关项目该项攻关于 2001 年年底通过验收 该项攻关具有理论创新和现实工程意义 其中设计表格化 公式规范化 分析程序化的工程特点 使其在新车工艺技术准备中普遍应用 促进了哈飞汽车事业蓬勃发展目录第一章 绪论.1车身制造技术的发展.1白车身研试制现状.2论文选题.3论文的工作.3第二章 白车身外

3、观品质的研究方法4外观公差的标定.4适用制造公差的程序.7第三章 容差分配理论.8背景.8概念.9理论基础.10容差分配的范围.10容差分配的计算方法.11容差分配工程应用实例.16容差分配因素的确定.18容差分配的作用.19第四章 零件制造公差的设定20宗旨.20适用范围20 含义.20决定制造公差的条件.21设定制造公差所需基准.21第五章 移动公差的设定31宗旨.31移动公差的含义.31适用范围.31决定移动公差.31表示移动公差 32移动公差的类型及必须设定移动公差的零件32设定移动距离35对检具的移动公差36第六章 制造基准的定位方案研究.38制造基准的含义38对制造基准的分析方法3

4、8决定制造基准时所需的资料和需要检查的项目39制造基准的类型及其功能40决定制造基准时的顺序41制造基准的定位方案42第七章 结论47参考文献.49致谢.52摘要.531. 1 车身制造技术的发展第一章绪论一部好的汽车特别是高档次的轿车给人们的第一印象即是它的外表汽车车身,然而 在其背后 体现这非凡立体画面的却是汽车车身制造工程技术七八十年代车身制造所用的工艺装备 如冲压模具 焊接夹具验具等 均采用模线样板工作法 存在协调路线长 易产生不协调现象尺寸形成过程的全过程影响产品和工艺装备的制造准确度尺寸形成过程愈长 误差环节愈多 则累积误差的误差愈宽 精度愈低那一时代汽车车身质量都不是很精良八十年

5、代之后随着 CAD/CAM/CAE 的广泛应用 车身制造技术的方法和手段得到了极大的丰富和发展 汽车车身工艺质量得到保证 各厂家批生产时每日也进行白车身的三坐标抽检 汽车制造技术正经历着深刻 激烈的变革 在机遇和挑战面前 都力图打造精品车身“2mm”工程八十年代 在美国的电视广告上 日本人将轴承放在某款日本轿车翼子板和前机盖的缝隙中 轴承滚轮缓缓滚下 无卡滞 偏离美国人为之震惊 从此日本汽车大举进军美国市场 正是工艺出精品精品出效益此后美国汽车界开始研究其中的奥妙于 90 年代初形成的“2mm”工程理论 理论的核心为合理的分配和有效的控制车身制造精度 如外观阶差 间隙分配给冲压件或焊接组件产并

6、反映到模具和夹具上使车身关键点的累积误差控制在 1m 之内在国内长安集团和上海交通大学合作率先在长安之星车使用此项技术 并取得成功 之后各厂家 因地制宜 纷纷效仿 如哈飞集团根据车身制造特点利用 CATIA 工作站选取重要工艺分离面的关键点 重要成品件的安装点 各车门的配合点 利用三坐标测量机对白车身进行连续监控 分总成分期定量检测 零件分批上检验胎检查等不同检测方法进行检查 对测量结果 利用工作站 CATIA微机 CAD 进行技术及数理统计分析 总结规律查问题制定对策整改 在线检测系统随着激光测量技术的发展,其成功地在焊接生产线上应用,在焊接生产线末端设一工位 安装在线检测系统 将激光束打在

7、车身上利用光学传感器回收信号通过计算机算出测量点实际坐标并和理论坐标进行对比分析 超差时可报警 实现了车身质量管理点 100%控制此套装置已在天津夏利 2000 生产线上应用 白车身研试制现状中国已加入 WTO汽车行业面临着严峻的挑战 各厂家纷纷推出新车型缩短研制周期体现着时间就是生命然而多数厂家白车身开发周期长 体现为冲压和焊装设备单动 连动调试周期长零部件整改次数多1. 3 论文选题白车身制造流程如图研制冲压件焊接组件分总成白车身YES质量目标批生产整改NO图 1-1从流程图中可以看出 整改次数越少 则研制周期越短 用来提升质量的费用减少 这需要冲压件的预先设置的精度越高 模具夹具 验具定

8、位基准统一 合理 对于各汽车制造厂家都是急需解决的问题 因此需要一种根据车身装配特点设置冲压件精度和合理设置工程定位的方法为了对上述问题能做出研究经立题哈飞集团批准为 2001年度科研生产攻关项目 项目名称 汽车车身容差分配工程设计研究科研令号 KJG-2001-183该项攻关于 2001 年年底通过验收该项攻关具有理论创新和现实工程意义 其中设计表格化 公式规范化 分析程序化的工程特点 使其在新车工艺技术准备中普遍应用促进了哈飞汽车事业蓬勃发展1. 4 论文的工作 建立容差分配理论,并依此对车身典型结构设定制造零件之公差和移动公差 分析确定夹具合理的定位基准和定位形式的方法 并如何反映到模验

9、具上第二章 白车身外观品质的研究方法 外观公差的标定每一款车都有其外观品质要求如哈飞集团生产的赛马车A这在车身设计阶段加以标定ACAB1B1A G1G1KKJ IJDIDCB2HB2HG2OG2FOFFFEENNLLEEMM-AB1-B1B2-B2间隙阶差基准面D-DC-C间隙基准面阶差M-MG1-G1G2-G23图 2-124.40总计有 15 处 SECTION 因篇幅有限示意出 6 处阶差如下表其余间隙B1B2G1G23B1B2图 2-2此外 要求间隙值衔接部位过渡自然 光顺 不得有内外拐点车门与车体外表面的水平棱线应对齐 其偏移量不大于 各门框口牙边止口要求平齐各门外板加强件与各门外板

10、平齐或低于外板 01mm 间隙值小于 前后风挡框口止口处内外板组焊后间隙 各框口牙边部 位间 隙阶 差平行度A-AB1-B1B2-B2C-CD-D18E-EF-F30G1-G1G2-G233H-HI-IJ-JK-KL-L0-2M-MN-NO-O及各车门牙边止口处内外板组焊后贴和间隙要求 0 适用制造公差的程序在制造业中 人们制造任何一个零部件 都要达到一定的尺寸形状 也就是精度问题 人们围绕着精度 结合材料 环境 方法采用不同的机械设备不断地研究 人们解决质量的五个环节人机 料 法 环 主要就是围绕着尺寸 精度去研究 容差分配工作贯彻于焊接装配工作中 更要将零件制造与总成装配及整车装配联系起来

11、去研究容差分配的研究方法可用下图表示容差分配流程图外观公差表车体结构分析可行性判断NOA 产品设计YES容差分析设备结构性等加工基准和检验基准设定B容差确定模夹具设计和制造验具设计和制造容差分配图B零组件检查基准书CC冲压件成形焊接总成NO检YES完验成图 2-3第三章 背景汽车的生产经历了单件容差分配理论小批量流水线式 如福特 T 型车及时至今日的经济规模大批量生产 市场的需求和技术的进步推动了制造工艺技术的发展制造工艺技术也由单件照配的不完全互换 到部分互换 及目前的完全互换 零部件的完全互换对缩短生产节拍提高效率保证整车制造质量是非常必要的零部件的互换程度体现着汽车设计和制造的水平如HF

12、J6351B 松花江中意车 的零部件的互换程度明显优于 HFJ6350车 二者的生产效率和制造质量有目共睹 我们不妨应用 ISO9000族统计技术建立两个质量控制的数学模型 两图形的正态分布曲线代表工人的装配质量截取3处明显 HFJ6351B 车优于HFJ6350 车企业界一直以达到3质量控制为目标应用3质量控制原理 当生产过程处于稳定状态时 产品的合格率为 99.73%图 3-1既然提高互换性有如此的好处如何实现它呢我们先从生产实际中举一例子 白车身梁的套合 产品图纸一般标注 未注尺寸公差按 标准执行 工装设计制造也严格按标准执行 但装车效果不良 选取样本 汽车数量 尽量大 假设工人装配因素

13、稳定 则装配质量满足正态分布 正态分布数学曲线相对狭窄值较小 显示装配质量差 生产中 装配强迫到位或使用木棰等辅助工具也就不足为奇了因何出现这种效果其实行业标准给定的公差只具有普遍意义 而实际冲压 焊装中影响公差的因素很多 所以不考虑每个零件的装配特点 而机械地执行行业标准 产生不良的装配效果亦在情理之中除套合情况外 白车身的间隙 阶差公差要求如何根据车身制造特点合理的分配给相应的零组件 保险杠 组合灯如何装配 外观良好 概念基于大批量生产对生产效率和制造质量的要求,引出概念-容差分配国外也称容错理论容差分配 根据车身装配的特点 期望满足完全互换 综合考虑制造工艺性 即组成部件的零 组 件结构

14、及成形或焊装的复杂程度从而确定每个零组件制造时允许偏差的过程公差 狭义上讲 指允许尺寸的变动量 也即最大极限尺寸与最小极限尺寸之代数差的绝对值尺寸公差=公差带宽度但人们对公差的理解比这个意义广 它即包括公差带宽度 也包括公差带中点值或直接用上下偏差板 L 来表示容差 即确定了公差带位置的公差 也称公差 在汽车 飞机工艺制造中常把工艺容差简称容差 它即包括容差带宽度 也包括容差带中点值定是由制造单位根据产品公差及自身生产条件所确公差和容差的区别如图套合梁容差体现一种方向趋势而在自由公差下内外 U 形件无方向性图 3-2 理论基础零件制造和产品装配存在的偶然误差 都是随机变量 研究随机变量的变化特

15、性时 须对随机变量进行数学处理 随机变量取什么值是有一定的概率规律的 这个规律具有可观测 或可试验 的频率意义 随机变量 X 的方差 D(X)来直接衡量 X 的分布分散程度不便于 X 的分布范围作比较 因此常采用 D(X)的平方根来作为说明 X 的分布分散程度的特征,即 ( x) = D( x)均方差或标准差(X)称为 X 的分布 ( x) =mi=1niN=mi =12iniN2对于不连续的随机变量其均方差为 ( x) =+( x x) 2 ( x)dx =+2对于连续的随机变量其均方差为: ( y) = 2x1 ) + 2x2 ) + + 2xn )若干独立随机变量 x1,x2,.xn 之

16、和mi =1的均方差(y)为各独立随机变量的方差(x1)(x2).(xn)的平方和的平方根,即以上仅概略的介绍了容差分配的概率论数理统计的原理知识 其实容差分配涉及到物理学 力学 材料学 计算机等等基础学科的知识 ( xi x) 2 x x = D( x)x 2 ( x)dx x = D( x)( ( (y = xi 容差分配的范围车身容差分配的范围包括点焊表面CO2 熔焊表面螺柱焊涂胶表面 车身内外表面 对接或搭接表面 孔位 孔径 梁套合保险杠装配风挡装配等等 容差分配的计算方法容差 = ( A. part ) 2 + (B. part ) 2 + (C. part ) 2 + . + (

17、N . part ) 23 应用于单个零件或分总成的分配原则:对于三个以内的零件用均分法和容差法计算结果对比如下图 3-3 例如如图外在公差要求位置公差A B 零件容差的设置有公差要求均分法容差法零件零件零件零件零件零件零件零件零件零件适用单件 小批量生产适用于批量生产图 3-4X =Z =( 0 .5 ) 22( 0 .5 ) 22= ± 0 .29= ± 0 .29为了获得满意的 公差容差分配给 A B 零件容差 = ( A. part) 2 + B. part) 2 + (PITCH ) 2= (0.29) 2 + (0.29) 2 + (0.2) 2= 0.2082

18、= 0.45 < 0.5 以 HFJ6390 松花江赛马 车翼子板和前机盖的阶差 间隙容差分配为例说明设计过程1 在 CATIA 工作站中 将翼子板和前机盖的产品数模进行装配选取典型断面投图如下图 3-5 SECTION2 依据容差分配计算公式 进行容差分配初步计算X =Y =(间隙公差) 22(阶差公差) 22=(1.5) 22(1.0) 22= 1.1= 0.73 将初步计算的结果标注在典型断面上图 3-64 基于当前综合制造技术水平 设置相关装配部件精度,假设铰链为理想不可调整状态图 3-75 根据初步计算结果进一步容差分配计算容差 =(初步容差结果 )2 (安装部件公差 )2图

19、3-8A =B =C =(1.1)2 (0.7)2(1.1)2 (1.0)2(0.7)2 (0)2= 0.85= 0.45= 0.7D =(0.7)2 (0.3)2= 0.636 对计算出的零组件容差值进行数据处理 根据当前制造技术水平 如模 夹具等 进行可行性分析 讨论后得到确认 在实践中遵循取整靠小的原则(1) 前机盖总成收边包络线处 阶差/间隙间隙)0.7(阶差,(2) 翼子板表面形状 阶差/间隙0.5(阶差,间隙)(3)通风罩上机盖铰链安装孔(4) 通风罩上机盖铰链安装孔X Y 位置公差Z 位置公差(5) 安装翼子板的墙板孔(6) 安装翼子板的墙板孔X Y 位置公差Z 位置公差间隙 =

20、阶差 =(0.7)2 + (0.5)2 + (0.7)2 + (1.0)2(0.7)2 + (0.5)2 + (0.3)2= 1.49 < 1.50= 0.91 < 1.07 校核满足初始要求 故翼子板和前机盖的阶差 间隙容差分配计算完毕 当容差分配通过计算无法完成合理分配时应考虑产品尺寸的更改8 形成容差分配单 将容差分配结果标注在零部件图中 作为技术文件下发 以此作为工装制造的依据 同时也作为零部件检验的依据参见图 9 容差分配工程应用实例 容差分配计算单制作HF2(HFJ6352)车为哈飞集团和意大利宾尼法瑞那公司联合设计开发的一款新车现选取 HF2 车侧围和后上角风挡处为例

21、图 3-9 计算单的结果集中反映在单个零组件的容差分配单上给相关单位下发搭接焊接面AFBF1外观面CFBF基准孔孔位重要孔孔位基准孔孔径重要孔孔径重要端线APBPADBDAL较重要端线BLY= 30030Y=30设计校对审核APAD0BF+ -1容差分配PANEL MAIN FLOORAB51011001图 3-10 容差分配因素的确定确定容差分配的因素是个复杂的过程,它需要一定的理论基础和丰富的实践经验, 容差分配因素的确定是容差分配设计的重要环节,一般有三种方法:1.计算机仿真模拟,将装配或运动部件在计算机中进行装配模拟或运动模拟,确定主因素 优水平2.零部件真实装配 利用实验优化技术 进

22、行正交或回归实验确定容差分配因素+-BF0-+3.经验的应用汽车产品结构有许多相似之处使得某些典型结构形成数据库可反复灵活的应用以上三种方法的使用因人而异也可交叉灵活使用 容差分配的作用既然单个零 组 件在制造时存在误差 而单个零 组 件在进入下道工序组焊成组件或总成 进而装焊成白车身 如果不对单个零 组 件进行公差控制和容差分配 必然在后续装配过程中存在误差积累 若偏差同一方向无法抵消 则组装后的误差必然会超出允许公差从而导致车身超差综上所述容差分配的作用a.控制单个零组件制造误差b.消除装配时的误差积累c.提高车身装配互换性及准确度第四章零件制造公差的设定 宗旨为了达到白车身的外观质量目标

23、 在开发冲压件之前决定每个冲压件的精度要求以便缩短开发时间 并防止浪费用来提升质量的经费 适用范围适用于焊接 含义装配之前的所有零件1) 制造零件之公差意味着对虽然在图纸上没写清但从整体工程上来看极为重要的零件 指定容许公差 以将它作为验收零件的基准2) 对如下项目指定公差除此之外以在零件图上的单件保证范围为准以内外观公差为准以有关防水隔音防震的对策为准以有移动公差的零件为准以符合各种接合条件为准- 以打点焊来结合- 以冲压的方式来接合- 二氧化碳焊接面- 注胶面- 孔的园径公差 中心公差及高度公差- Joggle 公差及 Trim公差 决定制造公差的条件1) 必须明确标定外观公差2) 事先分

24、析质量和公差之间有何关系 然后将其结果作为指定制造公差的基础 设定制造公差所需基准(1) 决定公差的基本条件白车身Body shell总成Moving parts单件对象中 SUB小 SUB(1.0) (0.7)* MOVING PARTS( 车 门(1.0)类)(1.5) (0.7)* 外观 S/F OUT, ROOF*()为平衡之*点焊面差*TRIM PART的接合面*重要面* 普通面TRIM LINEHOLE* LOCATION HOLE的位置HOLE * 一般 HOLE * 重要 HOLEPITCH* LOCATION HOLE*按照实际情况修改冲压件的公差范围图4-1(2) 指定ON

25、LY公差的基准1) 指定接合面的公差指定必需对零件的制造基准保证其位置的接合面的公差对既定公差或影响到公差的部分指定公差接合类型指定制造公差主要部分公差范围条件接合面S/F IN, OUT 接合面S/F, U/B接合面以ONLY接合面的公差为准按照分析公差的结果来决定持有耐性之零件的焊接面0.7,既无有耐性也难以接合的部分移动公差 将移动公差MANUAL作参考双重接合面- Floor panel底盘接合面OR至于双重接合面围来决定基本公差按照如下间隙容许范在没有关系到精度就关系到OR焊接质量的情况下CO2 ARC焊接面 - 下车身的CO2焊接面- 侧围和下车身的CO2焊接面-Header &a

26、mp; Roof打CO2 ARC 焊接的部分-注胶面 - Moving PartsMoving Parts Sealer面-Roof Reinf包括顶棚加强件在内的加强钣件tMaximum GapTolerance mm or mm mmHEM'G的接合 - Moving PartsMoving parts的外钣面(Door,Trunk,BonMoving parts的内钣net)图4-22) 对FLANGE(法兰边)幅度指定公差决定幅度以打焊时起码要重叠的长度为根据公差通过从图纸上的尺寸扣除幅度的尺寸来决定SPOT FLANGE的幅度为16 图纸上的幅度 18 - 实际幅度 16=2 公差为 检查装配方向是否可能出现干涉 :若有可能干涉将到干涉地点的1/2距离定为公差A 零件20182R3B 零件20图4-3NO接合类型指定制造公差重要部分公差范围条件1DR APERTURE1) 内钣2) 外钣1) 内钣比外钣短2) 侧 围 车 门 APERTURE的全部均一样3) 每个零件均需要各自内钣+的TOOL'G基准(无可使用FLANGE TRIMLINE的基准)剖面A-A2安装玻璃窗1)内钣1) 若 FLANGE 的 单 差 在3) 外钣AA之内就无需进行重新分配剖面 A-A3相连的FLANGE用来打点焊的所有FLANGE部分对一般点焊FLAN