尺寸偏差控制技術(shù)在汽車塑料尾門中應(yīng)用研究

喻大偉，蔡浩華，孫曉明，陳普

(東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北武漢 430058)

0 引言

隨著“十三五”節(jié)能減排規(guī)劃的發(fā)布，作為國家支柱產(chǎn)業(yè)的汽車行業(yè)已將節(jié)能減排作為未來發(fā)展的趨勢。而其中，輕量化技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的關(guān)鍵技術(shù)之一。汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降6%～8%，排放減少4%～6%[1]?，F(xiàn)有汽車背門大部分為鈑金沖壓焊接成形，零部件數(shù)量多，質(zhì)量大，受金屬沖壓成形工藝限制，其造型也因此受限。塑料復(fù)合材料因其密度低，比剛度、比強(qiáng)度高，造型自由等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于汽車中實(shí)現(xiàn)輕量化，近年來出現(xiàn)了眾多輕量化的塑料尾門[2-3]。由于塑料尾門本身的材料特性、制造工藝與傳統(tǒng)鈑金尾門有很大差異，導(dǎo)致目前針對鈑金尾門的尺寸偏差控制標(biāo)準(zhǔn)不能簡單地移植到塑料尾門的設(shè)計(jì)與制造中。因此研究與塑料尾門相匹配的尺寸偏差設(shè)計(jì)與調(diào)試標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。

1 尺寸偏差控制技術(shù)

尺寸偏差控制技術(shù)主要分為前期設(shè)計(jì)階段的尺寸偏差設(shè)計(jì)和后期工業(yè)化階段的尺寸偏差調(diào)試。

尺寸偏差設(shè)計(jì)是以既定或預(yù)期的制造能力為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)合理的定位、合理地分配和制定公差及設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)募庸?、裝配工藝以使產(chǎn)品達(dá)到既定的匹配和功能要求，并且通過應(yīng)用尺寸鏈分析或虛擬仿真技術(shù)對上述尺寸設(shè)計(jì)和尺寸要求進(jìn)行風(fēng)險評估和預(yù)防的一系列活動。尺寸偏差調(diào)試是運(yùn)用科學(xué)有效的驗(yàn)證技術(shù)以及監(jiān)控手段對尺寸偏差進(jìn)行有效的診斷、預(yù)測以及調(diào)試補(bǔ)償?shù)囊幌盗谢顒?。在汽車塑料尾門開發(fā)過程中，無論是前期設(shè)計(jì)階段還是后期工業(yè)化階段，都運(yùn)用了多種尺寸分析、控制手段使整個背門尺寸達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。圖1為汽車塑料尾門在尺寸開發(fā)過程中涉及的主要內(nèi)容以及重要應(yīng)用技術(shù)。

圖1 涉及塑料尾門尺寸開發(fā)的主要內(nèi)容和技術(shù)

2 面向汽車塑料尾門的尺寸偏差設(shè)計(jì)

2.1 公差分析技術(shù)

公差分析也叫作公差的驗(yàn)證，就是指已知各零件的尺寸和公差，確定最終裝配后需保證的封閉環(huán)的公差。傳統(tǒng)鈑金尾門是將沖壓成形鈑金件運(yùn)用焊接工藝焊接成內(nèi)、外板分總成，然后使用包邊工藝使內(nèi)板和外板包合而成。而新型的塑料尾門則是將注塑成形的內(nèi)、外板運(yùn)用粘接工藝連接成形。由于傳統(tǒng)鈑金背門在汽車制造中廣泛使用，因此其尺寸公差控制標(biāo)準(zhǔn)已非常成熟，所以針對新研發(fā)的鈑金背門的公差分析，各大主機(jī)廠往往直接沿用已量產(chǎn)車型的尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)。而針對塑料尾門的尺寸公差分析，由于缺乏成熟的可借鑒的量產(chǎn)車型的尺寸公差標(biāo)準(zhǔn)，因此對塑料尾門的尺寸公差分析技術(shù)的研究與運(yùn)用勢在必行。

現(xiàn)在被廣泛運(yùn)用的公差分析方法可以分為如下3種:極值法(Worst Case,WS)、方和根法(Root Sum Squared,RSS)以及蒙特卡洛模擬法(Monte Carlo Simulation)。針對塑料尾門的尺寸公差研究，文中主要使用方和根法。圖2為塑料尾門擾流板區(qū)域Y向尺寸鏈計(jì)算實(shí)例。

圖2 塑料尾門擾流板區(qū)域Y向尺寸鏈計(jì)算實(shí)例

對塑料尾門各區(qū)域的尺寸鏈分析計(jì)算，可以得到初版尺寸公差值，如圖3所示。通過對比傳統(tǒng)鈑金尾門與塑料尾門尺寸公差，可以得出：由于材料、工藝的特殊性，塑料背門的尺寸公差值往往比鈑金尾門大。因此為了降低塑料尾門的尺寸公差值需后期制造時加強(qiáng)對工藝參數(shù)(注塑壓力、溫度、時間等)以及裝配穩(wěn)定性的管控。

圖3 塑料尾門與鈑金尾門各區(qū)域公差對比

2.2 有限元尺寸分析技術(shù)

有限元方法是結(jié)構(gòu)分析中的一種數(shù)值計(jì)算方法，也叫“有限單元法”(Finite Element Method，F(xiàn)EM)，這種方法在結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域的分析中引入了矩陣方法，使其在分析計(jì)算中的規(guī)律性很強(qiáng)，因此適用于通過計(jì)算機(jī)運(yùn)算來解決實(shí)際問題[2-3]。目前在尾門設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用有限元方法建立有限元模型完成多種工況下的模態(tài)分析和剛度分析。而在實(shí)際塑料尾門與車身裝配完成后，由于尾門自身的性能以及車身上其他裝配附件(如：尾門氣撐、密封條、尾門玻璃、尾門鎖、尾門鎖扣等)的影響，尾門上局部位置將發(fā)生尺寸變形，最終影響整車的外觀美學(xué)性。因此在塑料尾門前期設(shè)計(jì)階段引入有限元方法對尾門變形進(jìn)行有效分析以及對策優(yōu)化將降低后期整車制造時產(chǎn)生的尺寸缺陷風(fēng)險。

在進(jìn)行整車狀態(tài)下塑料尾門尺寸變形分析時，由于受到生產(chǎn)線工位規(guī)劃布置的影響，目前有兩種裝配方案：方案一：尾門玻璃先與尾門裝配完成后，再與車身裝配；方案二：尾門(未帶玻璃)先與車身裝配，然后裝配氣撐、密封條、鎖、鎖扣，最后裝配玻璃。為了更好地對最終裝配效果做出評價，將對兩種方案分別進(jìn)行有限元尺寸分析。圖4為方案一(先裝尾門玻璃)有限元尺寸分析結(jié)果，圖5為方案二(后裝尾門玻璃)有限元尺寸分析結(jié)果。

圖4 方案一有限元尺寸分析結(jié)果

圖5 方案二有限元尺寸分析結(jié)果

通過對比方案一與方案二的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)車身附件產(chǎn)生的反力對尾門尺寸有較大影響；(2)裝配順序?qū)ψ罱K的尺寸結(jié)果有較大影響；(3)受塑料尾門自身性能以及造型影響，各局部位置變形無規(guī)律，后期工藝調(diào)整困難。因此設(shè)計(jì)階段的有限元分析技術(shù)為工藝反變形尾門數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)以及塑料尾門的特殊檢具設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

3 面向汽車塑料尾門的尺寸偏差調(diào)試

3.1 檢具設(shè)計(jì)技術(shù)

傳統(tǒng)的鈑金尾門總成檢具是在尾門開發(fā)及批量生產(chǎn)階段，用來評價尾門尺寸品質(zhì)狀態(tài)的一種檢測設(shè)備，它能模擬尾門裝配狀態(tài)，集中發(fā)現(xiàn)品質(zhì)問題并能對工序變化量、重要功能孔及重要安裝面進(jìn)行品質(zhì)管理，快速解決問題[3]。

圖6為某車型鈑金尾門總成檢具，該檢具可以實(shí)現(xiàn)里板單件、里板總成、尾門板件總成及尾門(帶鉸鏈)總成的外觀間隙面差、密封面以及尾燈、鎖、氣撐安裝孔位置度檢測。

圖6 某車型鈑金尾門總成檢具

塑料尾門總成檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)大致與鈑金尾門一致。但通過前期設(shè)計(jì)階段有限元尺寸分析發(fā)現(xiàn)，車身裝配附件對尾門最終裝配狀態(tài)有很大影響，因此如何在尾門檢具設(shè)計(jì)中增加和模擬實(shí)現(xiàn)與實(shí)車裝配相一致的裝配狀態(tài)則是新型塑料尾門檢具設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。圖7為某車型塑料尾門總成檢具，在檢具中增加車身裝配附件(尾門氣撐、密封條、尾門鎖扣等)的安裝結(jié)構(gòu),可以有效模擬總裝尾門裝配狀態(tài)，確認(rèn)整個系統(tǒng)裝配完成后對尾門尺寸的影響。

圖7 某車型塑料尾門總成檢具

3.2 實(shí)物驗(yàn)證技術(shù)

實(shí)物驗(yàn)證技術(shù)主要是運(yùn)用實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)手段驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合產(chǎn)品的性能要求。在前期設(shè)計(jì)階段，利用公差分析、有限元尺寸分析已經(jīng)對整個塑料尾門總成以及尾門在整車上的裝配狀態(tài)進(jìn)行了理論分析，但實(shí)際尾門裝配時如產(chǎn)生圖5的裝配尺寸變形時，往往首先會通過調(diào)整尾門鎖扣的位置綜合考慮尾門的整體變形狀態(tài)，使其處于最優(yōu)尺寸狀態(tài)下，而整個過程的尺寸變化差異以及優(yōu)化目前很難仿真模擬。因此需要利用總成檢具或整車主模型檢具進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)對尾門的尺寸變化做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)的整體思路：主要對比實(shí)物尾門的初始總成尺寸(尾門的重要尺寸100%合格)與在標(biāo)準(zhǔn)檢具或標(biāo)準(zhǔn)白車身上將尾門相關(guān)裝配附件裝配完成后的變形尺寸。通過對各局部位置的尺寸變形量的分析，既可以有效驗(yàn)證前期仿真分析的準(zhǔn)確性，為后續(xù)新塑料尾門累計(jì)真實(shí)可信的數(shù)據(jù)形成組織記憶，又可以為尾門的最終尺寸改善提供數(shù)據(jù)支持。圖8為通過實(shí)物驗(yàn)證試驗(yàn)，確認(rèn)的尾門各局部位置的變化特點(diǎn)及變化量。

圖8 某車型尾門各局部位置尺寸變化圖

4 結(jié)束語

在汽車塑料尾門的前期設(shè)計(jì)階段引入尺寸偏差控制技術(shù)可以對尾門的尺寸公差及尺寸變形規(guī)律進(jìn)行有效仿真和確認(rèn)，為后續(xù)制造提供理論支撐；在工業(yè)化調(diào)試階段引入尺寸偏差控制技術(shù)可以則可更準(zhǔn)確、更快速，更直觀地分析出質(zhì)量缺陷的根本原因，從而快速地改進(jìn)質(zhì)量。 表1為尺寸偏差控制技術(shù)在新型塑料尾門與傳統(tǒng)鈑金尾門中應(yīng)用的特點(diǎn)與差異。

表1 尺寸偏差控制技術(shù)在鈑金尾門與塑料尾門運(yùn)用中的特點(diǎn)與差異

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