整车公差控制

整车公差控制张庆庚(沈阳华晨汽车工程研究院110141)关键词：定位、夹紧、匹配、公差、尺寸链。摘要：本文通过对互换性，公差，尺寸链，定位，匹配公差定义、分解与实现以及整车公差的检测的介绍与分析，强调在进行整车公差分配时，要重点考虑公差的可实现性，并综合考虑互换性、生产条件及经济性，以保证公差的经济性和完全的实现。此外还讨论了整车公差的检测过程中应注意之处。一、公差控制概述汽车零部件有几万个，这几万个零部件配合在一起，形成整车，对于整车而言，任何两个零部件之间都有具体的一定的尺寸及匹配公差要求。零部件之间的匹配公差及单件的公差控制，从设计、生产及检测上都较难控制，需要重点讨论。从设计上讲，由于公差涉及方面较多，没有简单及直观的软件进行分析而较难确定。从生产上讲，如何确定有效的工艺控制措施来保证公差要求也是个较难的课题。从检测上讲，如何确定最少的检测点实现有效的控制也是要关注的问题。二、公差控制基本知识互换性现代工业生产和科学技术的发展，对机器的要求是品种多、质量好、数量大、成本低。为了适应这样的要求，必须采用分工协作的方式组织生产，即将组成机器的各个零部件分别交给各个专业工厂或车间成批制造，最后全集中到一个工厂或车间来装配。每个工厂保证所制造的零部件都合格，装配时，从一批零部件中任意抽取一只，装成的机器台台合格。这就意味着在同一规格的一批零部件中，任取一只装入机器，都能满足产品的性能要求。这表明零部件具有可以替换使用的完全互换性。零部件具有互换性有如下好处：使装配工作简化，生产周期缩短。零部件具有互换性便于组织流水作业和自动化生产，这样就有利于提高劳动生产率，可以讲现在大规模的批量化生产是以互换性的广泛应用为前提的。降低维修成本。机器的商用者在使用时因零部件损坏而停顿，如能买到可互换的备件，就能迅速的更换，缩短维修时间，提高机器的利用率。可降低单件生产成本。互换性在保证使用要求，产品性能的前提下可放大尺寸公差，因此可以降低单件的加工成本。缩短产品的试制周期。机器的种类虽然很多，但组成机器的零部件中有许多是可以通用的类型和规格，如紧固件、传动件、轴承等，在产品设计中大量应用通用部件，将精力集中在关键的零部件的设计上使其可靠和尽可能的优化， 而且可以缩短试制周期。那么什么样的零部件可以采用互换性？零部件的互换有两个条件：一是零部件的几何参数要能达到零部件的使用要求，二是零部件的物理化学性能参数要能满足产品的功能要求。第一种称几何参数互换；两种条件都具备的，称功能性互换。公差：由于加工误差存在的不可避免性，所有参数都达到理想的尺寸是不可能的，要保证零件具有互换性，必须将产品的各项参数控制在一定范围内才能实现，这个范围，就是公差。公差就是在满足使用要求和产品规定性能的前提下，实际产品的参数可在标称值上下作一定范围内的浮动总量。尺寸链：在机器设计和制造过程中，常涉及到一些有密切联系，相互依赖的若干尺寸组合，在分析这些尺寸间的影响关系时，可将这些尺寸从机器或零件的具体结构中抽象出来，依其内在的联系按一定的顺序首尾相接的具有封闭形式的尺寸组。这一互相联系且按一定顺序排列的封闭尺寸组合称为尺寸链。在尺寸链中最后形成的一环叫封闭环。对封闭环有影响的其它全部各环称为组成环。尺寸链按形态可分为直线尺寸链、平面尺寸链、空间尺寸链。尺寸链的基本公式：（1） 、封闭环的基本尺寸A0。封闭环的基本尺寸为各组成环基本尺寸与传递系数乘积的代数和。（2） 、封闭环的中间偏差A0。封闭环的中间偏差为各组成环中间偏差与传递系数乘积的代数和。（3） 、封闭环的公差T0。封闭环的公差等于各组成环公差与传递系数乘积的和。（4） 、封闭环的极限偏差。封闭环的上偏差或下偏差相应为封闭环中间偏差加或减封闭环公差之半。（5） 、封闭环的极限尺寸。封闭环的最大极限尺寸和最小极限尺寸为封闭环基本尺寸加上封闭环的上偏差或下偏差。解算尺寸链的一般步骤：（1） 、根据零件之间的联系，确定相关的尺寸组。并大致按比例绘出尺寸链。（2） 、分析尺寸链中哪一环是间接获得的，找出封闭环。（3） 、按定义判断组成的增减环。（4） 、明确尺寸链中哪一个为未知，哪些为已知，求解。求解尺寸链的方法：求解尺寸链的方法主要有两种，一种是完全互换法，一种是大数互换法。完全互换法主要用于流水式、大批量、组成环较少、配合精度高的生产，大数互换法主要用于非流水式、大批量、组成环数较多、配合精度较高的生产。（1）、完全互换法即完全按照尺寸链加和的方法进行计算。即：T=T1+T2+T3+……。（2）、大数互换法即累积公差等于各组成环公差的平方和再开根号的方法。T=X.T12+T22+T32+...2※注意相关尺寸链较少时，一般不可用大数互换法。因为用此种方法解算，极易出现两个零件的偏差方向都向不利方向而出现配合超差的情况。经常有这种情况：两个件构成一个封闭环，由于在分配公差时，采用大数互换法进行解算，导致在实际生产中经常出现两个件都处于极限偏差导致配合超差。例如海狮车的尾灯及侧围配合后有一定的间隙及面差要求，在定义公差时采用大数互换法，实际生产中经常出现两件都处于不利极限偏差但都合格， 而配合后的间隙或面差就超差的情况。尺寸链路线的原则：a） 组成环最短原则；b） 一件一环原则；

c） 尽可能建立协调环原则；d） 高精度要求环一般直接作为组成环，不作为封闭环。尺寸链计算示例：发动机舱盖板与前杠面差分析：（1）、尺寸链构成：b2i=侧围装焊误差=±1.0b/侧围轮廓度=±0.7b3i=后门轮廓度误差=±0.7b"前门轮廓度误差=±0.7b：=翼子板安装点误差土0.5b：=翼子板轮廓度误差=±0.5b0i=舱盖轮廓度误差=±0.5a；=前杠安装误差=±0.2a：=前杠轮廓度误差=±0.5a2i=前端安装误差=±0.5a22=前端轮廓度误差=±0.5±1.8±2.0±1.8±2.0舱盖板的调整量b=.:b2+b2+b2+b2+b2+b2+b=20 M击22 31 41 51 52 01—发动机舱盖与保险杠的面差值a0=.④2+a2+a2+a2+b=（3）、结论： ”11 12 21 22 0建议将面差质量特性更改为4±2.0定位在零部件进行加工时，需确定工件在机床、夹具、或者相对于其它工件的正确位置，称为定位。定位原理六点定位原理工件采用按一定规则布置的六个定位支承点，限制工件的六个自由度，即可实现完全定位。这称为工件的定位原理，或称为六点定位原理。此六点一般可抽象为 3、2、1原则，即任何实现完全定位的工件的定位都可简化为空间坐标系内的三个坐标平面上（或平行于三个坐标平面）的3点、2点、1点来实现完全定位。定位是解决工件定不定的问题，夹紧是解决工件动不动的问题。1）、应限制的自由度的确定，工件的定位一般只需限制影响配合精度的自由度即可，对配合精度无影响的自由度可不必限制。）、欠定位。按配合要求应限制的自由度没有被完全限制，使工件定位不足，称欠定位。）、过定位（重复定位）。工件定位时几个定位重复限制同一个自由度，这样的定位称为重复定位。一般情况下，重复定位会出现定位干涉，使工件的定位精度受到影响。如果重复定位的平面的精加工面，一般不会产生定位干涉的问题，反之，重复定位会使工件定位不准。1） 完全定位一般用于刚性件，需要限制工件的六个自由度。具体的定位基准一般分为主定位（定位零部件的4个或5个自由度）、次定位也叫辅定位（限制零部件的2个或1个自由度）。定位方式见附件三，常见有两孔一面、两面一孔、三面等。2） 过定位主要用于如保险杠等挠性件，也可以用于精定位面。3） 欠定位主要用于在某一个自由度上有配合，而在其它自由度上无配合要求的零部件。就整车而言，需要完全定位的零部件主要有：大的总成模块、内外饰部件，整车安全部件等。在确定哪些零部件需要完全定位后，就要分析如何定位以保证零部件的配合精度？一般而言，应尽量使这些零部件定位于精基准上，并且尽量消除定位误差。定位误差由于每一具体工件在尺寸上和表面形状上存在着公差范围内的差异，夹具定位元件也有一定的制造误差，结果会使每个具体表面产生偏离理想位置的变动量。即产生定位误差。在设计和制造时一般限定定位误差不超过工件加工公差的1/5-1/3。产生定位误差的原因a） 基准位置误差。这种由于定位副制造误差而引起的定位基准在加工尺寸方向的最大变动量称为基准位置误差。b） 基准不重合误差。工序基准相对定位基准在加工尺寸方向的最大位置变动量称为基准不重合误差。结论：a） 工件按六点定位原理在夹具上定位后，因定位副制造精度及工序基准与定位基准不重合，会使工序基准相对于加工表面产生位置变动，因而产生定位误差，影响加工精度。b） 定位误差包括基准位置误差和基准不重合误差。这两项误差分别独立、互不相干，它们都使工序基准产生变动，按综合作用定义为定位误差。当定位基准与工序基准重合时，基准不重合误差为零；当无基准位置误差时，基准不重合误差为零；若两项都没有，则定位误差为零。c） 计算定位误差时，应按工序基准在加工尺寸方向上可能处于的两个极端位置而产生的最大变动量来考虑。如果基准位置误差和基准不重合误差的最大变动量不在加工尺寸方向上，定位误差按折算到加工尺寸方向上的数值计算。定位原则、基准重合原则。尽量使工艺基准与设计基准重合，如质量特性的实现。、基准统一原则。即尽量选择同一基准定位需要配合的零部件或者以一次加工面或孔等作定位。如同一冲压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。这样可以减少因基准不重合而产生的定位误差；、互为基准原则。当两个零部件相互位置精度要求较高时，可以利用相配合的两个零部件互为基准；自为基准原则。采用自身形面和孔作为基准。此外还要考虑：两个基准尽可能远。三、如何定义匹配公差掌握了上述知识，在进行整车零部件设计时，要定义整车零部件之间的配合特性。整车的匹配质量特性一般根据如下三方面确定：1、性能或功能要求；整车一些重要部件的匹配公差是由于质量特性中的性能或功能要求决定的，如动力总成的位置公差是由动力总成的输出特性决定的。

2、 用户要求；整车的内外饰的匹配公差一般是根据用户的需求而决定的。3、 经济加工精度；在没有特定的性能要求及用户要求而只有固定要求的情况下，如整车线束、制动与燃油管路、各种拉线、排气系统等。整车匹配的公差要求一般是根据此种零部件的经济加工精度来确定的。要注意有些零部件之间的配合无精度要求，则零部件不需要定义匹配公差。如整车线束、制动与燃油管路、各种拉线、排气系统等只有固定要求而无位置精度要求的零部件。四、如何分解匹配公差特殊公差复合公差如何要求在整车配合件之间的公差确定后，需要根据整车的配合特性进行零部件的公差分配与分解（对于总成供货部件，一般整车厂只考虑总成状态的配合特性要求，不考虑总成内部件的配合特性，这部分由厂家来完成）。并要对车身及零部件进行定位体系分析与确定。公差分配是需注意之处：由于匹配的公差是由各个组成环的公差所累积的，所以各组成环公差之和要等于匹配的公差。如一个产品由三个件组成，组合后的距离第四件的位置浮动量不应大于 0.3mm,则此三件在此方向上的形位误差累计不能大于 0.3mm，然后根据零件组合后的公差要求将公差在零部件上的分配，就上面提到的0.3mm的公差总量的要求而言，如果平均分配，则要求每个零件的形位公差不应大于0.1mm；具体分配时应尽量可虑不同工艺加工精度的保证程度而对三个零件的公差作适当的调整。零部件公差的确定时，要考虑此零部件的经济制造精度。比如：下图所示两个零件相配合，一般而言，件1的加工精度要比件2的加工精度高，在保证使用要求的前提下，规定公差时，应首先按精度低加工工艺来确定件 2的公差，然后在根据配合件尺寸链原理确定件1的公差。20±0.122瑚20±0.122瑚±0,1件1的圆径应是d=8+0.1+0.12+0.08=8.3mm在进行零部件公差分配时，需要注意如果此零部件有多个尺寸公差的约束时，如果定位基准相同，则一定要以最小的尺寸公差的约束为此零部件的分配公差（特别是对于车身） 。如果定位基准不同则需分配复合公差，如下图。,0.3XA,0.5XB车身公差分析时，由车身向分总成分解、再由分总成向单件分解。公差分配时也可采用逆向分配，即是进行零部件公差确定时，可不由整车到分总成再到零部件的顺序进行分配，而是分析此零部件跟其它零部件的关联关系来确定此零部件的公差。定位体系分析需注意之处：有匹配要求的部分要符合定位原理。特殊公差复合公差说明：现代汽车制造中，普遍采用车身制造综合误差指数CII（ContinuousImprovementIndicator）来控制车身制造质量，即“2mm工程”。这一误差指数不是车身制造质量测量数据的实际偏差，而是对车身制造尺寸稳定性指标的综合评价。 “2mm工程”即车身上任何控制点与整车基准之间的尺寸偏差都在土1mm范围之内。换句话讲，整车任何两个控制点之间的尺寸偏差都要在土2mm范围之内。但是一般有严格匹配要求的部件之间，可能要求相关的车身控制点之间的尺寸偏差要小于±1mm。这样就需要对这些件提出更严格的公差要求，这就是特殊公差。如果对同一个控制点有多个特殊公差要求，则这些多个特殊公差的组合就形成了对此控制点的复合公差要求。（一般此控制点的在车身上的焊接顺序是在对此控制点有特殊要求的焊接件之后。）特殊公差复合公差计算：公差核算：根据设计给出的内外饰件的匹配特性（此为封闭环），以及配套件一般公差，车身的一般公差，进行核算，看看车身及配套件的一般公差是否满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（特别是现生产结构与新设计结构相似，而且现生产结构也存在问题），且不能够放大匹配公差要求。需要对车身或配套件进行特殊公差要求。输出对车身及配套件特殊公差及复合公差要求。公差输出可在CATIA数模上用“带有引导线的文本”进行特殊公差 复合公差标注，或者用“特殊公差复合公差要求报告-附件”来标注。备注：进行实例分析时，一般可先分析现生产有匹配问题的部件，再分析一般匹配部件。每部分可按由前至后，由外至内的顺序进行分析。五、如何从设计及工艺上保证更好的保证匹配效果的实现零部件之间的匹配公差的实现，简单而言，即两零部件之间的的相关零部件的尺寸公差链的累积即是最后的匹配公差。但实际上，由于工艺条件及经济性的限制，各相关零部件之间的尺寸精度难以保证最后的匹配公差要求，这就需要设计及工艺人员想办法，解决设计要求精度与零部件制造精度之间的矛盾。设计人员在设计时尽量考虑尺寸偏差对设计实现的影响；工艺人员在工艺设计时尽量考虑如何满足匹配公差的实现。要做到如上目标，必须细致分析影响零部件之间的匹配公差的要素。一般来讲，与零部件的结构、零部件的定位体系、零部件之间的尺寸链关系、零部件尺寸公差等有关系。具体而言:（一）、设计方面：进行结构设计时，尽量使尺寸偏差的变化对外观的影响最小。a） 在结构上，尽量只在两个零部件之间建立匹配要求，而不是几个零部件之间两两都建立匹配要求，如前大灯、翼子板、发动机仓盖、前杠之间都有匹配公差要求就不好实现。b） 遵循尺寸链最短原则，使有匹配公差要求的两零部件之间的组成环最少。可以利用有严格匹配关系的形面直接定位，或者将两件合并成一件（如在冲压工艺允许的情况下，应尽可能减小零件的分块，尽量采用整体结构，特别是对不易保证结构或尺寸要求较高的焊接结构要尽量采用整体压件以减少焊接公差的累积。）等。c） 尽量在有匹配公差要求的两零部件之间设立公差开放环。d） 尽量弱化匹配关系，降低零部件自由度数量的要求。比如将对接结构改为搭接结构（B柱上饰板、B柱下饰板），由三个自由度要求的结构改为两个自由度要求的结构；比如增大圆角过渡或进行圆滑过渡等。e） 尽量将零部件的设计的定位点靠近匹配点或面，由于杠杆原则，使得定位误差的变化不至于被放大。零部件的紧固点尽量离定位点近，且紧固方向尽量与定位方向相同。即定位点靠近点、紧固点靠近定位点的原则。尽量使尺寸偏差对外观影响大的配合设计到不易被关注之处。尽量使零部件的设计基准、定位体系、定位点（RPS点）与冲压工艺、焊接工艺、总装工艺的工艺基准、定位体系、定位点（RPS点保持一致），特别是对于内外饰件。如果以上都不能实现，设计结构上尽可能使设计结构可调整，通过工艺调整来实现最后的匹配公差。如车门间隙、发动机仓盖与翼子板面差、尾门或行李箱盖与侧围间隙或面差。挠性的部件尽量采用匹配要求的面直接定位，以及过定位的方式保证配合。（二）、工艺方面：工艺基准的选定，如：冲压工艺、焊装工艺、总装工艺的基准、定位体系、定位点（RPS点）是否与设计基准、定位体系、定位点（RPS点）一致。工艺实现过程的各基准是否统一、基准的选定是否影响尺寸链的环数等。调整装配顺序，以保证两个公差要求高的部件之间的组成环最少。利用零部就件的挠性对零部件即行局部过定位来保证最后的匹配公差。如前保险杠、后保险杠、前大灯周沿相对于中心、尾灯周沿相对于中心、发动机仓盖周沿相对于中心，翼子板周沿相对于中心。可将各工装夹具的定位基准做成可调整式，以在实际调试过程中减小定位点的实际偏差值（即减小工装夹具的公差带，焊装夹具做成XYZ三向可调整即是此原因。一般通过焊装夹具的实际调试，车身的实际偏差值一般都会比理论计算值小）或者使定位点的偏差向改善补偿设计尺寸链缺陷、补偿冲压件系统性不可改善偏差方向调整以保证最后的匹配公差（这也是必须要做车身匹配的原因所在。新产品车身调试以及现生产经常利用同一批次零部件的偏差基本稳定的方法，对车身夹具进行对应批次的调整。此调整虽然会使车身夹具的定位偏离理论值较大，但却能使最后的匹配公差达到要求，也是这基准做成三向可调的原因所在。一即不追求单件的合格率，而追求最后车身匹配的合格率）。一般焊接误差主要由冲压件误差、焊装夹具误差、作业过程误差及焊装后回弹四方面造成。其中冲压件误差、焊接夹具的基准位置误差、作业过程误差、焊接回弹误差等属于随机性误差，是不能消除的误差。两个工件之间的焊接随机误差一般由冲压件双边误差±（0.1〜0.2）、焊接夹具的基准位置双边误差±（0.1〜0.2）、作业过程误差±（0.1〜0.2）、焊接回弹误差±（0.1〜0.2）组成，根据目前一般经济控制水平在±（0.4〜0.8）左右。多个工件之间的焊接随机误差中，前序件的孔位偏差一般可以由焊接夹具的二次定位进行偏差调整（要保证可调整的孔位是夹具的定位点），所以多个工件之间的随机误差可以调整到与两个工件之间的焊接随机性误差相差一样，大约在±（ 0.4〜0.8）左右，但这要求关注孔之间一直是一个基准。如果存在基准转换，则关注孔之间的焊接随机偏差则要放大，一般放大两个件随机误差的N倍，N为基准转换次数。六、对于车身，如何确定最少数量的检测点来进行有效检测控制（一）、检测部位的确定车身上的孔位与形面点很多，如果每一处都要检测，工作量较大。一般而言，车身孔位及形面点的检测按三级控制：1、 冲压件检测：用检具来控制单个冲压件的形面点。2、 分总成检测：只检测冲压件的焊接定位点，保证冲压件焊接后的位置。3、 车身的检测：只检测焊接分总成的焊接定位点及关键形面点，对于在冲压件检测以及分总成检测中已得到控制的形面点不需要再进行检测。注意：车身的检测除了检测焊接的分总成的焊接定位点及关键形面点外， 有要对一些整车装配有重要影响的部位进行二次检测。主要有：1、 重要模块及总成的主辅定位孔。2、 整车上内外饰特性要求的孔面。3、 此外、还有不同冲压件上有配合要求的孔面。注意整车上只起到安装及固定作用的孔面不需检测。如果需定位的孔面在同一冲压件上，而这些定位的孔面与其它孔面无配合要求，则由于单个冲压件以进行检测，所以对这些孔位一般不检测；如果这一组孔与其它孔面有配合要求，则只需检测此成组孔面中可起到定位此冲压件的孔面即可。（二）、检测公差的确定在确定了具体的检测部位