Design gap在汽車設(shè)計制造過程的應用

劉亞軍 蘇世棟 梁志勇 張義東

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著近年來國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車的制造水平也不斷提升，對于汽車各項技術(shù)要求，提出的各項標準也越來越高。從客戶角度考慮，最直觀的外觀要求，也就是我們所說的包括 DTS（Dimension Technology Standard）在內(nèi)的感知質(zhì)量，客戶要求的提升，也就驅(qū)使我們對整車尺寸控制要求的提高。

數(shù)字化設(shè)計制造方式是現(xiàn)代汽車研制的基礎(chǔ)和先決條件之一[1]。數(shù)字化實現(xiàn)了設(shè)計、制造、管理和經(jīng)營的一體化、信息化和現(xiàn)代化，大幅度降低新產(chǎn)品的研制周期、研制成本和廢品率[2]。產(chǎn)品零部件通過三維建模精確表達每一處細節(jié)，但是在零部件制造的過程中，想要達到三維模型的精度是困難重重。

白車身通常是由數(shù)百個形狀各異的薄板沖壓件，在不同的工位上用數(shù)百個工裝夾具完成。小零件焊接成分總成，分總成焊接成總成，整車就是通過這樣一層層裝配起來，在整個裝配過程中，不同供應商生產(chǎn)能力水平不同，零件本身會有偏差，零部件會干涉，工裝會有波動，焊接會有變形，從而會產(chǎn)生尺寸偏差，對生產(chǎn)制造產(chǎn)生影響。所以針對目前狀態(tài)，我們所采取的方案也就是根據(jù)實際情況分析在設(shè)計GD&T（Geometric Dimention and Tolerance）圖紙時采用偏公差，但是在數(shù)控加工的過程中，偏公差比較難以直接實現(xiàn)，所以提出在汽車制造過程中采用有Design gap（設(shè)計間隙）的三維模型。

2 偏移公差的應用現(xiàn)狀及弊端

2.1 偏移公差的應用現(xiàn)狀

生產(chǎn)實踐的經(jīng)驗表明：在正常條件下加工一批零件，其產(chǎn)品的質(zhì)量特征一般都服從正態(tài)分布規(guī)律[3]。所以在單個零件加工的過程中公差帶的分布在數(shù)模理論位置是左右對稱的，但是在車身車間裝配的過程中，兩個零件雖然都處于要求的公差帶范圍內(nèi)，仍然會出現(xiàn)部分零件公差帶處于交叉范圍，也就造成了零件干涉、裝配困難等問題，從而影響整車尺寸精度。如下圖1，雖然兩個零件都處于公差帶范圍內(nèi)，但是依然會出現(xiàn)干涉區(qū)域。

針對以上情況，在前期設(shè)計GD&T時，會適當考慮偏移公差，如圖2、圖3，某車型前中大梁搭接區(qū)域由于沖壓件回彈特性，經(jīng)常會干涉，無法完全裝配到位，所以通過偏移公差來消除這一現(xiàn)象，提升整車尺寸精度。

圖1 零件1和零件2公差帶干涉區(qū)域示意圖

圖2 前中大梁搭接截面圖

圖3 中大梁偏移公差設(shè)計

2.2 偏移公差的弊端

雖然目前偏移公差能一定程度解決零件裝配干涉等問題，但是也存在諸多如下弊端有待解決：

（1） 供應商在數(shù)控加工過程中，依據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型來開發(fā)模具和檢具，對于GD&T圖紙上的偏移公差的要求無法實現(xiàn)直接數(shù)控加工；

（2）在數(shù)控加工后，才能根據(jù)零件狀態(tài)考慮GD&T圖紙偏移公差的修整方案，造成整個模具調(diào)試周期增加；

（3）由于受加工工藝以及加工精度等影響，相鄰匹配零件間公差走向不一致則會引發(fā)的零件適配，造成需要額外的模具調(diào)試時間；

（4）不同區(qū)域包括供應商的工程師需要充分理解偏移公差設(shè)計理念，否則就不能很好的按照GD&T圖上偏移公差的要求整改零件；

3 Design gap 應用

3.1 Design gap 簡介

Design gap也就是設(shè)計間隙，是在偏移公差的基礎(chǔ)上演變而來。偏移公差是在產(chǎn)品三維數(shù)模鎖定后根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來對GD&T圖紙的設(shè)計。在模具、檢具數(shù)控制造過程中，依然是根據(jù)產(chǎn)品三維數(shù)模加工而成，后續(xù)再通過休整模具來達到滿足GD&T圖紙偏移公差的要求。而Design gap是在產(chǎn)品三維數(shù)模未鎖定之前，將偏移公差直接體現(xiàn)在三維數(shù)模的一種設(shè)計思路。這樣在后期的制造過程中，可以直接通過產(chǎn)品三維數(shù)模進行精確數(shù)模加工，從而達到設(shè)計所需求的狀態(tài)，提升整車零件匹配穩(wěn)定性，提升整車尺寸精度，對整車尺寸合格率、外觀DTS以及感知質(zhì)量的提升都有很大的幫助，進而提升整車品質(zhì)。

3.2 Design gap 案例及優(yōu)勢

3.2.1 Design gap案例

以應用Design gap的某車型為例進行分析具體的應用，如下圖4為某車型的門檻內(nèi)板的搭接。門檻內(nèi)板兩側(cè)分別與下車體焊接總成和側(cè)圍焊接總成裝配搭接，對于總拼的影響至關(guān)重要，其中C/C（左右）方向的影響關(guān)乎整車尺寸質(zhì)量的提升。

由于沖壓件回彈特性，兩段門檻內(nèi)板開口寬度并不能完全保持偏向一致，所以會造成開口大小不一致導致裝件不能完全到位。在以往的經(jīng)驗中，我們往往采取偏公差的形式將一端的開口通過偏移公差來減免此情況。而在此車型中，如圖5，我們采取Design gap的方法直接將偏移公差輸入到產(chǎn)品三維數(shù)模中，兩個門檻內(nèi)板搭接處設(shè)計3段Y向、2段Z向0.50mm的設(shè)計間隙，這樣我們的GD&T圖紙中就無需特別標注偏移公差，保留中值公差即可，對后續(xù)制造過程也節(jié)約了制造周期，對于各區(qū)域?qū)τ诹慵叽鐮顟B(tài)的監(jiān)控也方便許多。

圖5 某車型門檻搭接剖視圖

圖4 某車型門檻搭接示意圖

由于門檻內(nèi)板位置的重要性，通過以上Design gap的輸入，能夠更好保證門檻的位置精確度，也就是保證其定位的精確度。因此，對于一些定位要求較高，而且受零件狀態(tài)影響較大的搭接區(qū)域，我們可以適當考慮采用Design gap的方法來保證定位精度，提高整車尺寸質(zhì)量。

3.2.2 Design gap的優(yōu)勢

通常由設(shè)計人員設(shè)計的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型在制造過程中需要轉(zhuǎn)換為制造模型。制造模型是相對于設(shè)計模型而提出的，是產(chǎn)品生產(chǎn)制造周期內(nèi)，對于工序信息的描述[4]。在制造模型的基礎(chǔ)上，技術(shù)人員需要特別關(guān)注偏公差尺寸。由于數(shù)控機床定位存在一定的定位精度等問題，所以在加工過程中，GD&T圖紙中的偏公差也要用中間公差來建立模型，后續(xù)通過修模來達到尺寸工程師所需求的零件偏公差狀態(tài)。

在產(chǎn)品設(shè)計前期，如果產(chǎn)品工程師能夠按照一定的要求來建立三維模型，用Design gap理念將偏公差直接體現(xiàn)在三維模型中，那就實現(xiàn)了有偏公差的零件模型由設(shè)計到制造都是一致的。因此Design gap相比較偏公差還是有許多優(yōu)勢的，如下：

（1） GD&T圖紙上偏移公差的要求直接通過Design gap在三維數(shù)模中體現(xiàn)出來，這樣開發(fā)模具和檢具可以直接通過公差中值進行數(shù)控加工達到較好的零件質(zhì)量；

（2） GD&T圖紙上偏移公差的要求在模具和檢具制造過程中就體現(xiàn)出來，模具調(diào)試周期短，后期匹配成本低；

（3）GD&T圖紙上偏移公差要求在三維數(shù)據(jù)設(shè)計過程中就直接考慮進去，原則上只要零件達到公差要求就可以達到較高的匹配質(zhì)量，同時減少額外的模具調(diào)試時間；

（4）各區(qū)域工程師只需要跟蹤檢具來進行尺寸評估，要求供應商將零件的尺寸做到符合檢具要求即可，對各區(qū)域工程師的匹配能力沒有非常高的要求；

3.3 Design gap 設(shè)計分類

（1）零件的搭接部位涉及到多個方向表面接觸（例如U形搭接），由于零件尺寸存在偏差和波動，所以多方向表面搭接的零件極易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，零件無法正常到位，所以此情況需針對零件做Design gap來減免此情況出現(xiàn)的概率。

圖6 下車體與側(cè)圍Y向搭接面

例：大梁之間的搭接是涉及到多個Y向和Z向，在以往各個車型基本都會出現(xiàn)搭接干涉落不到位的情況，造成后續(xù)一些列問題，在三維數(shù)模設(shè)計時，在Y向、Z向加入適量的設(shè)計間隙。其他結(jié)構(gòu)如，橫梁與車架、大梁內(nèi)撐板和加強板、側(cè)圍內(nèi)加強板等。

（2）確保零部件重要功能面到位的Design gap。在整個白車身中，許多重要功能面受到零件之間的搭接影響，導致重要功能面的尺寸狀態(tài)較差。因此，為消除這些因搭接干涉等帶來的影響，在前期設(shè)計通過搭接部位設(shè)計不同方向的Design gap來降低因搭接影響重要功能面尺寸狀態(tài)的概率。

例：門檻內(nèi)板的搭接涉及到Y(jié)向及Z向，將搭接區(qū)兩方向在三維數(shù)模做設(shè)計間隙，可有效避免兩門檻內(nèi)板因搭接不到位，影響整個與側(cè)圍焊接總成搭接面的位置精度，從而有效降低了側(cè)圍Y向超寬的風險。

（3）影響白車身整體外觀尺寸，多個零件大范圍搭接或多層板搭接的區(qū)域適合在搭接部位采用 Design gap。

例：在側(cè)圍與下車體拼接的時候，從前到后前側(cè)板、門檻、撐板、輪罩、尾端梁等都需與側(cè)圍Y向搭接，如圖6，這些零件的面輪廓度一致性很難控制，這些區(qū)域Y+最大偏差位置和Y-最大偏差位置最先于側(cè)圍搭接，這就導致側(cè)圍超寬。因此，需要在前期設(shè)計在影響的主要區(qū)域進行Design gap設(shè)計，來進一步提升整車白車身外觀尺寸。

4 結(jié)語

針對于市場對于整車各方面要求的提升，汽車的更新?lián)Q代也越來越頻繁，這就導致整車開發(fā)周期越來越短，整車尺寸開發(fā)狀態(tài)的穩(wěn)定性對我們的要求也越來越高。偏移公差應用在一定程度上縮減了一定的開發(fā)周期，但是相對于市場的需求還不夠，Design gap的應用能夠進一步減少試模次數(shù)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，對于市場產(chǎn)品快速迭代也提供了一定的保障。