劉慶上

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心）

汽車內(nèi)外飾中的多數(shù)部件（主副儀表板、門板、頂棚、立柱及保險(xiǎn)杠等）幾乎都采用塑料件，傳統(tǒng)的金屬零件有被替代為塑料件的趨勢(shì)。然而塑料件和金屬件相比變形更大，產(chǎn)品上需要更多的約束及定位。但并不是過(guò)多和隨意使用定位就是合理的過(guò)定位。在工程開發(fā)中，如果經(jīng)驗(yàn)不足很容易出現(xiàn)定位不合理的問(wèn)題：一方面定位不足，而另一方面不合理過(guò)定位卻同時(shí)存在。只明白了經(jīng)典的定位原則[1]，對(duì)于塑料件的產(chǎn)品開發(fā)來(lái)講遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，有必要對(duì)過(guò)定位的規(guī)律進(jìn)行探討和總結(jié)。

1 定位基本原則

定位的基本原則就是要限制裝配零件的6個(gè)自由度，設(shè)計(jì)中有3-2-1原則。這方面可參考文獻(xiàn)[1-3]。文章從過(guò)定位的必要性入手進(jìn)行研究。

2 過(guò)定位必要性

在剛體中，只要有清晰的六自由度概念，很容易區(qū)別定位不足與過(guò)定位問(wèn)題。定位不足無(wú)論是在接近剛體的模型中還是在塑料件這種容易變形的非剛體模型中，都是不允許的。然而塑料材料雖然比剛度高，但絕對(duì)剛度卻比金屬材料相差很多，所以在塑料件設(shè)計(jì)中需過(guò)定位的地方比比皆是。如果過(guò)定位是合理的，就意味著只用傳統(tǒng)的經(jīng)典定位理論來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)必然會(huì)帶來(lái)定位不足的問(wèn)題。文章著重從結(jié)構(gòu)及工藝方面來(lái)說(shuō)明過(guò)定位的必要性。

2.1 結(jié)構(gòu)需要

在汽車飾件中，剛度是一項(xiàng)基本要求。剛度不足，一是影響產(chǎn)品的使用壽命和性能指標(biāo)；二是影響客戶的舒適度，過(guò)軟的內(nèi)外飾產(chǎn)品常會(huì)給人以次品的感覺(jué)。塑料件剛度主要是由所選擇的材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的。在內(nèi)飾標(biāo)準(zhǔn)中，剛度要求在幾十牛頓力的作用下只允許1 mm左右的變形。需要注意的是，在滿足強(qiáng)度和剛度標(biāo)準(zhǔn)的前提下，并不是剛度越高越好，比如還要考慮人體保護(hù)的吸能結(jié)構(gòu)。

圖1示出1 N力作用下塑料件受力剛度CAE分析模型。一塊150 mm×150 mm（這是飾件中較為普通零件的尺寸級(jí)別）的厚3 mm的塑料板，如圖1a所示，采用ABS材料，楊氏模量 2.2×109Pa；在 A4點(diǎn)（2 mm×10 mm）施加1 N的力，運(yùn)用殼單元計(jì)算，其變形達(dá)0.516 mm（其他3個(gè)同尺寸的點(diǎn)相當(dāng)于3個(gè)局部基準(zhǔn)點(diǎn)，為固定約束），如圖1b所示。1 N的力所模擬的干擾在內(nèi)飾中代表的因素很多，這樣的變形量對(duì)于乘用車來(lái)說(shuō)是絕對(duì)不允許的。以上面標(biāo)準(zhǔn)衡量，該ABS零件強(qiáng)度遠(yuǎn)不符合要求。

2.2 工藝需要

工藝加工是另一個(gè)引起尺寸誤差的重要因素。據(jù)文獻(xiàn)[4]，注塑成型條件波動(dòng)所造成的誤差占塑件公差的1/3。乘用車內(nèi)飾件匹配要求非常精細(xì)，造型特征線以及零件之間的間隙與面差要求多在0～2 mm范圍內(nèi)變化，誤差常在0.5 mm左右，小尺寸零件要求更高。

圖2示出某車門板內(nèi)飾的一個(gè)細(xì)長(zhǎng)塑料零件（長(zhǎng)約700 mm，厚約2.5 mm，PC/ABS材料）的MoldFlow分析模型。從圖2可見(jiàn)，兩端的注塑變形達(dá)4 mm，這和實(shí)際變形相當(dāng)吻合。如果任由其自身變形不加控制，造型的效果與精細(xì)化設(shè)計(jì)就無(wú)法保證。

2.3 其他因素

實(shí)踐中，對(duì)塑料件尺寸精度影響的因素更多，比如材料、模具及使用環(huán)境（溫度、熱和光等）等[4]。這些因素造成的結(jié)果就是尺寸不穩(wěn)定，避免或減緩這些因素的有效手段就是合理的過(guò)定位。這也同時(shí)說(shuō)明，不管是剛體還是柔性體，都要盡量避免定位不足。

3 過(guò)定位使用原則

3.1 基本原則

圖3示出某轎車亮飾條零件與斷面示意圖。圖3b中，零件p與零件q安裝配合，零件p左右最寬處只有35 mm，零件自身因注塑工藝引起的變形非常有限。圖4示出該零件變形分析示意圖。

可以假設(shè)零件中任何一點(diǎn)為變形不動(dòng)點(diǎn)（測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)際分析多取定位基準(zhǔn)點(diǎn)為無(wú)變形點(diǎn)），假設(shè)變形不動(dòng)點(diǎn)位于上方，那么左右兩側(cè)卡腳則可以單獨(dú)左右變形（也有可能受其他因素影響，比如加工誤差帶來(lái)的尺寸誤差）。如果依經(jīng)典定位理論，只把其中1個(gè)點(diǎn)作為四向定位點(diǎn)，另一側(cè)為二向定位。如此一來(lái)，二向定位一側(cè)左右方向上的變形必然失控，因?yàn)樵谶@種帶缺口的形狀中，卡腳點(diǎn)極易繞頂部的變形不動(dòng)點(diǎn)發(fā)生類似轉(zhuǎn)動(dòng)變形。相比而言，如果形狀變成假設(shè)輪廓（見(jiàn)圖4中2條直線和左右卡腳組成新的形狀），那么此轉(zhuǎn)動(dòng)變形則變成輪廓的伸縮變形，由于材料填補(bǔ)了U形缺口，伸縮變形（上下變形不影響左右方向的配合，在此討論中先不予考慮）不容易發(fā)生，這類似彈簧結(jié)構(gòu)多是柔性結(jié)構(gòu)，而不是一個(gè)實(shí)心結(jié)構(gòu)。那么相比于圖4中的假設(shè)輪廓情形，在二處都加四向定位銷則避免了變形失控問(wèn)題，2個(gè)四向定位銷就是過(guò)定位。假設(shè)零件p不變形（絕對(duì)不變形是不存在的，此處的不變形只是變形非常小，可以忽略的方便說(shuō)法，其他同），而其零件q變形較大，2個(gè)四向定位可以使得該亮飾條零件方便地跟隨零件q變形，使得匹配得以保證。如果此處設(shè)計(jì)中仍遵守傳統(tǒng)原則，只設(shè)1個(gè)四向定位，顯然設(shè)計(jì)不夠合理。如果斷面形狀變成假設(shè)輪廓，通常經(jīng)典二四向定位可以滿足定位匹配需求，此時(shí)是不是一定不能用過(guò)定位則需要討論。當(dāng)零件的尺寸在足夠小的情況下，尺寸加工誤差非常穩(wěn)定并且很小，此時(shí)的零件和3D數(shù)模非常接近，在實(shí)際工程中也常用多個(gè)過(guò)定位結(jié)構(gòu)，匹配非常好，這是過(guò)定位使用的另一種原則，需要尺寸鏈計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)積累，需要慎重使用，所以雖同屬于過(guò)定位問(wèn)題，這種情況不在文中展開。

須注意，圖3顯示的都是卡腳（即定位銷）單側(cè)定位（比如右側(cè)的定位銷左側(cè)留有大間隙），這是因?yàn)閿嗝嫖恢盟?，?shí)際上2個(gè)卡腳均是左右方向的二向定位，即設(shè)計(jì)間隙近乎是0[2]。甚至在較高點(diǎn)處也可以布置左右方向定位。此時(shí)U形的斷面特征使得零件變形完全被吸收，不會(huì)引起零件拱起和翹曲等對(duì)匹配不利的變形。

綜上，過(guò)定位因變形而起，在設(shè)計(jì)中必然要回到變形上去尋求答案：凡是容易變形的地方，盡可能進(jìn)行約束。變形和過(guò)定位是互為因果的。容易變形之處可以設(shè)置過(guò)約束過(guò)定位；反之，過(guò)定位也必然引起變形，只要過(guò)定位引起的變形可被合理吸收，則該處設(shè)置過(guò)定位則有其必要性。因此圖1中A4點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)是沒(méi)有問(wèn)題的，原則同理。是否容易變形，變形是否有空間可以被合理吸收是過(guò)定位判斷的關(guān)鍵。

3.2 常見(jiàn)的需過(guò)定位的零件形狀

對(duì)于第1基準(zhǔn)（A基準(zhǔn)）而言，基準(zhǔn)要能提供足夠多的支撐，同時(shí)以螺釘、焊接及卡接等其他連接進(jìn)行限制，以減少不必要的變形，使結(jié)構(gòu)具有抗變形能力。對(duì)于B，C基準(zhǔn)而言，除了考慮變形因素以外，還要避免因不必要的過(guò)定位及定位不足的問(wèn)題而使零件發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。B，C基準(zhǔn)實(shí)踐中更難以辨認(rèn)，是實(shí)踐中的重點(diǎn)。圖5示出有旋轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)定位方式（去除e）。在圖5 中，如果沒(méi)有 e，每邊腰形孔的過(guò)定位（由 a，b，c，d 多個(gè)二向定位組成）似乎能控制好每邊的變形，但卻存在轉(zhuǎn)動(dòng)可能。這就使得工程人員在設(shè)計(jì)零件定位與連接點(diǎn)時(shí)應(yīng)考慮到盡可能多的干擾因素，比如在設(shè)計(jì)時(shí)可以從各個(gè)角度設(shè)想該零件存在干擾來(lái)檢驗(yàn)零件定位是否不足。

塑料件設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的3種過(guò)定位情形如下：

1）狹窄細(xì)長(zhǎng)類零件。這類零件在內(nèi)飾中通常是有表面處理的飾條類零件，如圖6所示。關(guān)于A基準(zhǔn)使用過(guò)約束上文已經(jīng)說(shuō)過(guò)；對(duì)于B，C基準(zhǔn)，圖6中增加了一個(gè)C2（此時(shí)由C1，C2組成了C基準(zhǔn)系統(tǒng)）基準(zhǔn)。假設(shè)減少C2基準(zhǔn)，減少端C2在垂直縱長(zhǎng)（C1C2連線）形狀方向容易出現(xiàn)不可控的變形。在減少一個(gè)C基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增大B，C基準(zhǔn)間距，在2個(gè)基準(zhǔn)之間容易出現(xiàn)變形，并且沿縱長(zhǎng)方向在C的一端，公差累積變大。

2）有缺口可變形類零件。此類零件很多，如斷面為U形的手套箱框式雜物箱，如圖3所示，或斷面為環(huán)形的換擋飾條等，如圖5所示。此類零件如果能加以合理辯認(rèn)和利用，可以設(shè)計(jì)出很多合理的過(guò)定位，使汽車飾件匹配效果在不增加過(guò)多成本的前提下更加精美與細(xì)膩。

3）系統(tǒng)尺寸級(jí)別較大，需要多個(gè)止位結(jié)構(gòu)或限位結(jié)構(gòu)（即基準(zhǔn)）。如保險(xiǎn)杠及儀表板系統(tǒng)。一個(gè)乘用車的儀表板A基準(zhǔn)會(huì)達(dá)到十幾個(gè)，B基準(zhǔn)1個(gè)，而C腰孔基準(zhǔn)會(huì)至少達(dá)4～6個(gè)。這種情況不止是塑料件，材料剛性較好的其他產(chǎn)品設(shè)計(jì)也是如此（其原因仍是和變形或剛度控制有關(guān)），本質(zhì)上仍是變形的問(wèn)題。

4 結(jié)論

在目前的工藝水平下，塑料件等柔性零件在加工過(guò)程中出現(xiàn)較大的變形是客觀存在的事實(shí)。對(duì)于塑料等柔性非金屬件來(lái)說(shuō)，只運(yùn)用剛性的約束理論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，合理的過(guò)定位是必須的，在塑料件的開發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視過(guò)定位，并在實(shí)踐中給予充分應(yīng)用。判斷過(guò)定位是否合理的原則就是零件是否容易變形，而此變形是否有合理吸收的空間，在此原則下剩下的工作就是大量的實(shí)踐與總結(jié)。