白車身定位質(zhì)量因素分析

楊柳青

摘 要：近年來，科學(xué)技術(shù)不斷進步，汽車工業(yè)隨之快速發(fā)展，已經(jīng)成為一國工業(yè)發(fā)展程度的象征。在國內(nèi)的經(jīng)濟發(fā)展中，汽車工業(yè)作為一項主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，也是龍頭產(chǎn)業(yè)，作用重大，其不僅促進了產(chǎn)業(yè)群的形成，而且在一定程度上刺激了鋼鐵和建材等中間投資產(chǎn)品的發(fā)展。然而，汽車的質(zhì)量并不盡如人意，由于質(zhì)量問題而召回汽車產(chǎn)品的事件時有發(fā)生，引起了社會的普遍關(guān)注。其中，白車身的焊裝質(zhì)量在汽車的整體質(zhì)量中占據(jù)重要的地位，而焊裝夾具定位銷更是決定白車身焊裝質(zhì)量的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞：白車身；焊裝夾具；定位銷；質(zhì)量管理

1 概述

整車廠核心四大工藝一一沖壓、車身、涂裝、總裝，其中前三大工藝都是用來制造車身的。簡單說，白車身焊裝是根據(jù)工藝順序，通過焊接和裝配等工藝順序，把單個沖壓件組成白車身總成。其中，白車身焊裝質(zhì)量在很大程度上影響著汽車車身的綜合質(zhì)量，因此，有必要加強對白車身焊裝定位銷的質(zhì)量管理，以確保汽車車身的總體質(zhì)量。

國內(nèi)外廣大學(xué)者關(guān)于白車身焊裝進行了廣泛的研究，并形成了豐富的成果，然而，針對白車身焊裝夾具定位銷質(zhì)量管理的研究相對較少，因此，本研究具有一定的理論意義。

1.1 研究背景

近年來，整車的發(fā)動機和底盤日趨成熟，汽車換型在大公司實現(xiàn)“平臺戰(zhàn)略”的情況下，實現(xiàn)在同一個平臺上開發(fā)出不同類型、不同形狀的汽車，最主要是在改變車身；為了盡可能的擴大市場份額，縮短車身更換的周期也是大多數(shù)公司的戰(zhàn)略。白車身制造的質(zhì)量穩(wěn)定性直接關(guān)系到汽車的市場競爭力，并在很大程度上代表了一個國家的制造業(yè)技術(shù)水平[1]。

1.2 研究意義

目前，很多整車制造公司，并不具備較為穩(wěn)定的過程質(zhì)量控制方法、缺陷預(yù)防手段以及快速響應(yīng)解決現(xiàn)場問題的效率，在這種情況下，多少會對汽車的質(zhì)量穩(wěn)定性造成不利影響。往往汽車制造企業(yè)在產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)問題時，缺陷已經(jīng)產(chǎn)生，質(zhì)量技術(shù)人員要對產(chǎn)品進行分析，對車輛進行及時追溯、組織返工甚至召回，如此一來，非但增加了生產(chǎn)成本，也給汽車品牌留下了不良的口碑，影響銷售。從根本上來說，汽車制造企業(yè)在質(zhì)量管理過程中，存在的主要問題就是缺乏對細節(jié)的重視程度，因此，應(yīng)該首先加強定位銷的質(zhì)量管理，以此來確保車身焊裝的質(zhì)量，從而避免質(zhì)量問題的頻繁發(fā)生。如何提高車身的焊裝質(zhì)量對提高整車全面質(zhì)量具有很大的意義，而焊裝夾具定位銷的質(zhì)量又對整車車身的焊裝質(zhì)量有著舉足輕重的作用，因此，本研究還具有較強的現(xiàn)實意義。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外學(xué)者關(guān)于汽車質(zhì)量管理的研究開展較早，形成了豐富的研究成果。在20世紀(jì)90年代，主要關(guān)注的是白車身夾具定位及裝配誤差，針對誤差分析，國外學(xué)者們提出了各種方法，最具代表性的是蒙特卡羅模擬法與極限公差法，然而，這些方法在剛體中非常適用，針對柔性的薄板件則不太適用。

在此基礎(chǔ)上，Liu 等專門從薄板件出發(fā)，將統(tǒng)計方法與工程結(jié)構(gòu)模型結(jié)合在一起，分析了其裝配誤差，并應(yīng)用 FEM 方法，構(gòu)建了裝配前后的誤差關(guān)系模型，同時，將影響系數(shù)矩陣方法引入其中，模擬分析了其裝配誤差[2]。然而，在研究中用到的均是一維彈性模型，使得焊裝誤差分析結(jié)果存在片面性。

W. Cai 等針對薄板件夾具的設(shè)計，提出了著名的“N-2-1”法則[3]，并用有限元和非線性規(guī)劃相結(jié)合的方法，提出最小化裝配誤差的夾具定位設(shè)計方法，但分析時未能把握誤差的主要來源，把誤差歸結(jié)為裝配前工件在定位夾緊狀態(tài)的變形，忽略了焊接裝配過程和裝配后板件回彈的影響，與現(xiàn)實中相差較大。

Jaime A. Camelio [4]等把薄板件裝配誤差歸結(jié)為三種，零件誤差，夾具誤差和焊槍誤差，針對每種誤差分析產(chǎn)生原理及減小誤差的方法。Wu 在 Monte Carlo 方法的基礎(chǔ)上，提出有限元和隨機數(shù)的方法，對薄板件裝配誤差進行分析。

對零件定位方式的研究，首先始于對剛性件的研究，主要有形閉合與力閉合理論，和螺旋理論等 。這些理論廣泛地應(yīng)用于夾具的定位設(shè)計中，但主要局限于剛性工件。大量的文獻集中論述了剛性件的夾具設(shè)計和定位，但關(guān)于薄板柔性件的定位理論研究較少。因為車身板件的柔性易變性特點，傳統(tǒng)的針對剛體的夾具設(shè)計和定位理論已經(jīng)不再適應(yīng)，這就促使了對薄板件定位的研究。Youcef-Toumi等 [5]在1988年提出一種針對薄板件定位設(shè)計的方法，研究用于平板和殼體的夾具定位系統(tǒng)，但對薄板變形問題缺乏深入的研究。Menassa和Devies利用有限元建立模型，設(shè)計定位基準(zhǔn)，使得工件在基準(zhǔn)面法向的變形最??；Remick 等 于 1993 年提出一種綜合非線性優(yōu)化和有限元分析的薄板件夾具設(shè)計方法，并通過價值函數(shù)分析來確定最優(yōu)夾具定位單元數(shù)；W.Cai 等于1996年提出了用于薄板夾具設(shè)計的“N-2-1”定位原理，并尋找最優(yōu)的定位數(shù)量，使得薄板件變形總量最小。

1991 年，Menassa和 Devies[6]考慮零件裝夾變形和應(yīng)力對夾緊點的要求，提出了通過夾緊點的優(yōu)化布置來降低零件變形的方法，建立了夾具與裝配件之間的偏差關(guān)系；1998 年 DeMeter提出了一種基于有限元的夾具定位優(yōu)化方法，采用非線性優(yōu)化算法搜索夾具定位布局的最優(yōu)解，但沒有把夾具定位和夾緊進行綜合考慮。夾具定位基準(zhǔn)的設(shè)計及優(yōu)化是一個較為復(fù)雜的工程問題，涉及較多的優(yōu)化變量及非線性約束。

國外汽車發(fā)展較早，對車身定位系統(tǒng)的研究也相對較成熟，各大汽車公司都提出有關(guān)車身定位系統(tǒng)的設(shè)計方法，其中，比較完整的是北美汽車工業(yè)普遍采用的 GD&T 系統(tǒng)和大眾公司的 RPS 系統(tǒng)。RPS 是德語單詞 REFERENZ PUCKT SYSTEM 的縮寫，叫做定位基準(zhǔn)系統(tǒng)，在基準(zhǔn)系統(tǒng)中，每個定位點叫做 RPS 點。RPS 系統(tǒng)就是規(guī)定從開發(fā)到制造、檢測直至批量裝車各環(huán)節(jié)共同遵循的定位點及公差要求。各環(huán)節(jié)工作人員在確定定位點時必須遵循定位點系統(tǒng)的規(guī)則和要求。

2 影響白車身定位質(zhì)量的因素

在現(xiàn)代轎車白車身產(chǎn)品設(shè)計的要求下，影響白車身定位質(zhì)量的因素主要包括人員、焊裝工藝、焊裝夾具和定位銷等方面，具體來說，各個質(zhì)量因素對白車身定位質(zhì)量的影響如下：

2.1 人員

在整車白車身定位質(zhì)量控制過程中，人員因素涉及方方面面，處在關(guān)鍵位置上。在整車的質(zhì)量管理體系下，要想取得實效，始終離不開人員的積極參與，而白車身產(chǎn)品的質(zhì)量也是由這些人員制造出來的。因此，相關(guān)企業(yè)一定要加強人員管理，特別是質(zhì)量檢查員和焊裝操作工等人員，在上崗之前，必須要進行多層次的質(zhì)量意識培養(yǎng)與崗位技能培訓(xùn)，從而使相關(guān)操作人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)有所提高，做到持證上崗，這樣一來，就能夠有效降低人為因素對白車身定位質(zhì)量的影響。

2.2 焊裝工藝

焊裝工藝對白車身定位質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在焊點參數(shù)及工藝方案設(shè)計，焊點質(zhì)量優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)兩大方面。

在焊點參數(shù)方面，工藝方案設(shè)計主要決定了要采用哪些焊裝設(shè)備、定位元件，也關(guān)系著質(zhì)量成本和焊點的質(zhì)量，可以說，焊裝工藝是白車身定位質(zhì)量的重要影響因素，也是整個白車身質(zhì)量的基礎(chǔ)。

2.3 焊裝夾具

通常情況下，對夾具進行檢驗和測量的設(shè)備和手段主要有：焊裝工裝夾具、樣架檢驗夾具，設(shè)備驗收、檢測以及陪伴試生產(chǎn)；按照TPM規(guī)定要求對夾具、檢具以及測量設(shè)備進行相應(yīng)的維護與管理。

2.4 定位銷

在工裝上進行焊接作業(yè)時，為了提高白車身的定位質(zhì)量，使焊接總成滿足相關(guān)的尺寸、位置公差等要求，焊接前通常會對零件進行定位，以使其處在工裝上的正確位置。而一般來說，定位是否正確有效可以從以下幾方面進行檢查：

第一，定位銷是否完全進入到定位孔當(dāng)中；

第二，零件的定位面和夾具定位銷是否完全接觸；

第三，夾緊狀態(tài)時的定位是否有損壞或者被破壞，一旦定位銷出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，定位必然會失效。另外，通過對定位失效的模式進行了解，也可以對保養(yǎng)焊裝夾具的工作有所幫助。

2.5 沖壓件質(zhì)量

沖壓件質(zhì)量主要體現(xiàn)在單件表面清潔度與零件裝配要求兩方面，一般在生產(chǎn)過程中經(jīng)常發(fā)生的問題只要是沖壓單件清潔度不到位、沖壓件單件尺寸變形，導(dǎo)致車身最終的匹配缺陷。

2.6 焊接設(shè)備和質(zhì)量檢驗

整車制造公司普遍采用國外先進焊接設(shè)備，并建立完整的焊接設(shè)備測試流程，包括：批量生產(chǎn)前的設(shè)備調(diào)試和日常生產(chǎn)的TPM設(shè)備維護。

作業(yè)人員做到三不原則：不接受、不制造、不傳遞。QRK質(zhì)量檢驗人員負(fù)責(zé)檢查焊接質(zhì)量及車身零件匹配狀態(tài)。

2.7 焊接工藝參數(shù)設(shè)置

在焊接設(shè)備進行調(diào)試階段，技術(shù)人員需針對不同的焊接板材材料，普通鋼板或鍍鋅鋼板，應(yīng)采用設(shè)計不同的焊接工藝參數(shù)及階梯參數(shù)設(shè)置。

2.8 焊接質(zhì)量監(jiān)控

通過金相實驗室，負(fù)責(zé)對焊接質(zhì)量缺陷進行技術(shù)性分析，并及時組織相關(guān)職能部門采取有效措施，盡早消除質(zhì)量缺陷，避免批量缺陷的發(fā)生。

2.9 缺陷處理

為了確保白車身的定位質(zhì)量，還需要加強對不合格品進行缺陷處理，這是因為不合格品的缺陷，如果不經(jīng)過處理，而應(yīng)用到焊裝過程當(dāng)中，那么，勢必會影響到定位的質(zhì)量，甚至是整個白車身焊裝的質(zhì)量。例如，如果定位銷出現(xiàn)了嚴(yán)重的磨損，那么，很有可能會造成定位稍晃動，從而影響到定位的精準(zhǔn)。

3 白車身質(zhì)量管理-定位銷

3.1 定位銷有效定位的要求

在工裝上焊接時，為了使焊接總成達到規(guī)定的尺寸和位置公差要求，在焊接前必須使工件在工裝上處于一個正確的位置，通常把確定零件在夾具中占有正確位置的過程稱為定位。

一個有效的定位必須滿足以下三點：

第一，定位銷必須完全進入零件工藝孔；

第二，零件的定位面必須與夾具定位銷完全接觸；

第三，在焊接工藝操作過程中，定位不能被破壞。

如果實際定位中由于定位銷磨損、焊接過程影響等因素不能實現(xiàn)有效定位，那么這樣的定位就是失效的，了解定位失效的模式有助于指導(dǎo)焊裝夾具的保養(yǎng)。

3.2 基準(zhǔn)銷與基準(zhǔn)面的定位要求

基準(zhǔn)面和基準(zhǔn)銷是零件在工裝上定位的基礎(chǔ)，基準(zhǔn)銷除按安裝方式分為固定式和活動式兩類外，按定位方式分為4位銷和2位銷（圖2）。

如果車身零件上的定位孔為圓孔且定位銷也用圓形銷，則此定位銷稱為4位銷，它可以限制零件在平面內(nèi)沿X，Y軸的平移；如定位孔為圓孔，但定位銷為菱銷，或定位孔為長腰孔，而定位銷為圓銷，如此類定位銷稱為2位銷，該銷只能限制零件在單個方向上的位移。

3.3 定位銷失效模式

首先，對于4位銷來說，其發(fā)生定位失效是指工裝上的定位銷與零件上的圓孔不同心，零件會因受力不均勻而發(fā)生平移，使零件偏離設(shè)計的理論位置。造成4位銷定位失效的原因可能是定位銷磨損，松動，定位銷上有飛濺或零件定位孔位置有制造偏差。

其次，對于2位銷來說，發(fā)生定位失效是指工裝上的定位銷與零件上的圓孔（或槽孔）不同心，零件會因受力不均勻而發(fā)生繞4位銷的轉(zhuǎn)動，使零件偏離設(shè)計的理論位置。造成2位銷定位失效的原因可能是定位銷磨損，松動，定位銷上有飛濺或零件定位孔位置有制造偏差，對于菱形2位銷還可能是銷子長軸的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

最后，定位面也存在著定位失效的情況，定位面定位失效是指零件與工裝定位基準(zhǔn)表面存在間隙或干涉，定位加緊后的形面偏離設(shè)計的理論位置。產(chǎn)生這種失效可能的原因是工裝定位基準(zhǔn)存在制造偏差，基準(zhǔn)表面有飛濺，定位基準(zhǔn)磨損，松動或零件形面存在制造偏差。

4 小結(jié)

白車身的質(zhì)量在汽車車身的綜合質(zhì)量中占據(jù)著舉足輕重的地位，而白車身的定位質(zhì)量又是決定白車身質(zhì)量的重要一環(huán)。一般來說，影響白車身定位質(zhì)量的因素主要包括人員、焊裝工藝、焊裝夾具和定位銷，而本章重點討論的是白車身定位質(zhì)量的影響因素、焊裝夾具和定位銷的質(zhì)量管理。其中，對于焊裝夾具的質(zhì)量管理，首先介紹了焊裝夾具的質(zhì)量要求，其次，指出了焊裝夾具質(zhì)量管理要遵循的原則，而對于定位銷的質(zhì)量管理，首先指出了定位銷有效定位的要求、基準(zhǔn)銷與基準(zhǔn)面的定位要求，并對定位銷的幾種實效模式進行了分析。

參考文獻：

[1]胡志星.白車身焊裝夾具及其關(guān)鍵元件的設(shè)計研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

[2]袁正濤，袁勃.車身焊裝夾具的設(shè)計研討[J].汽車科技，2011，04：64-70.

[3]丁濤，劉剛，侯建飛.焊裝夾具對白車身骨骼精度的影響[J].裝備維修技術(shù)，2011，02：58-61.

[4]李孟林.基于案例的焊裝夾具設(shè)計分析[J].專用汽車，2011，11：80-83.

[5]袁慶勇.汽車車身零部件焊裝夾具的特點和裝配工藝[J].現(xiàn)代機械，2011，06：4-6.

[6]李鑫，張勇，葉成濤.基于PLC的車身氣動焊裝夾具設(shè)計[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2011，12：12-18.