基于尺寸工程的門檻尺寸問題分析與解決

姚二蒙

摘要：基于某車型門檻與車身的匹配間隙分析，介紹了采用線性尺寸鏈計(jì)算長條狀塑料零件與車身尺寸匹配公差的方法。通過對(duì)門檻尺寸鏈特征的闡述，提出了測(cè)量環(huán)境溫度對(duì)門檻尺寸的影響，提供了一些優(yōu)化尺寸鏈的方案，可為改善門檻制造精度及裝車效果提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：尺寸工程;門檻;車身;匹配間隙

0 ? ?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。通過整車尺寸鏈的分析和計(jì)算，可以在前期開發(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，通過前期的尺寸鏈分析和管理，可以提前發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，既可以縮短開發(fā)周期，又可以降低整車生產(chǎn)成本[1]。

1 ? ?問題描述

某車型門檻為PP+EPDM+T30材料，在試制過程中發(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。現(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)3～5 mm，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)。該車型門檻與車身鈑金的定位結(jié)構(gòu)如圖3所示。門檻通過中間定位銷與鈑金孔實(shí)現(xiàn)X向定位，其他定位銷對(duì)應(yīng)的鈑金腰形孔則為Z向定位，Y向定位通過卡扣與車身鈑金拉緊。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[2]

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)于長條狀零件，與長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。

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：

100+0.2 ?0 ? ?mm→100.1+0.1 ?-0.1 ?mm

此外，要考慮裝配偏移帶來的尺寸影響。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方，即：

通過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±0.7 mm，門檻定位銷與定位孔存在裝配偏移，偏移公差±0.2 mm，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±0.73 mm，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)，其長度的變化和它在0 ℃時(shí)長度之比，叫做“線性膨脹系數(shù)”（Coefficient of Linear Thermal Expansion，CLTE，簡稱“線脹系數(shù)”）。對(duì)于塑料產(chǎn)品來說，是指溫度升高1 ℃時(shí)，每1 cm的塑料伸長的厘米數(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。常見塑料的線性膨脹系數(shù)如表2所示。