復合輪廓度在汽車零部件尺寸開發(fā)中的應用探討

張義東 梁武生 梁志勇

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

近年我國汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，現(xiàn)已成為全球最大的汽車產(chǎn)銷市場，汽車的普及率越來越高。隨著社會整體收入水平的提高，客戶對汽車品質(zhì)的要求也越來越高。不僅需要具備良好的性能，還要具有較好的外觀品質(zhì)和較少的故障問題。然而，在產(chǎn)品設計中，最常見的也是最難發(fā)現(xiàn)的問題就是在進入大批量生產(chǎn)組裝后出現(xiàn)的小概率問題，這些問題往往當零件進行裝配時或裝配后才能被發(fā)現(xiàn)，有時候需要調(diào)整零件的制造模具才能解決，這樣就會造成極大的浪費，乃至影響到產(chǎn)品的總體經(jīng)濟利益。而尺寸工程技術(shù)的出現(xiàn)，使得生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的這類問題得以解決，甚至可以在設計階段進行有效規(guī)避。尺寸工程技術(shù)的應用可以更好地提升產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、功能性和裝配性，從而提升整車品質(zhì)。汽車零部件的尺寸開發(fā)作為尺寸工程的重要一環(huán)直接影響最終整車的匹配效果。因此針對產(chǎn)品的不同要求，越來越多的復雜形位公差標注被應用到零部件的尺寸開發(fā)當中。其中對于產(chǎn)品的表面尺寸有特殊要求的控制大多利用復合輪廓度來實現(xiàn)。

2 復合輪廓度概述

復合輪廓度是美國機械工程師協(xié)會制定的形位公差的一種標注形式。復合輪廓度是只有一個輪廓度符號但有多層公差框格的標注。復合輪廓度公差標注可分為兩類，單個特征的復合輪廓度公差標注和多重特征(特征組位置)的復合輪廓度公差標注。它的上層公差框格描述的是單個特征輪廓的位置或特征組作為一個整體的位置。下層公差框格描述的是單個特征輪廓的尺寸、形狀和方向或特征組的相互位置關(guān)系。每一個下格公差值都要比上格公差值小。并且下層公差框格中的基準必須重復上層公差框格中的部分或全部基準，包括基準順序和狀況符號。但是下層公差框格中的基準限制的是旋轉(zhuǎn)自由度，不限制移動自由度，只定向不定位。每層輪廓度要求必須分別檢測且受控特征必須同時滿足每層公差帶的要求。當設計要求允許特征定位公差帶大于控制特征尺寸和形狀的公差帶時或者要加嚴特征尺寸和形狀公差時，可以使用復合輪廓度公差。復合輪廓度的公差層級可以達3-4層，但在一般汽車零部件設計中2層級的復合公差即可達到所需的尺寸控制要求。下面簡單探討下復合輪廓度在汽車零部件尺寸開發(fā)中的應用。

3 復合輪廓度在汽車零部件上的應用

3.1 復合輪廓度在單個特征上的應用

在汽車零部件尺寸開發(fā)設計過程中，當一個特征在一個大的輪廓度定位公差帶內(nèi)又要求加嚴特征外形、方向和尺寸上的公差，這種情況下特征表面可使用復合輪廓度進行控制。復合輪廓度控制框的各層級的水平框格有各種的控制要求同時又構(gòu)成了多重關(guān)聯(lián)控制要求。上層框格被定義為輪廓度定位控制。它為輪廓特征的位置規(guī)定了較大的輪廓度公差。標注的基準應按的先后順序進行規(guī)定，下層框格為輪廓度形狀尺寸控制。如圖1所示前門外板復合公差，復合輪廓度公差應用在前門與后側(cè)門間隙匹配的不規(guī)則外形型面。前門外板零件通過復合公差上層框格規(guī)定的基準順序定位。復合輪廓度上層框格用于前門外板型面定位公差帶相對于規(guī)定基準的定位。下層框格用于前門外板型面對于規(guī)定的基準建立極限尺寸、外形和方向公差帶。公差值規(guī)定了兩個公差帶的大小。前門外板的實際表面必須位于上層輪廓度定位公差帶和下層輪廓度特征公差帶內(nèi)。畫出此復合輪廓的公差帶如圖2所示，上公差框格描述的是前門外板型面的位置公差帶0.8mm，相對于理想輪廓曲線對稱分布。下公差框格描述的是前門外板型面的形狀公差帶0.4mm，其形狀公差帶在位置公差帶中相對于下層框格基準限定的方向平動。前門實際輪廓型面必須同時位于2個公差帶內(nèi)。

圖1 前門外板復合公差標注示意圖

3.2 復合輪廓度在特征組上的應用

當特征組的設計要求在輪廓度組定位公差帶中輪廓度特征相關(guān)公差帶有定位和定向時，使用復合輪廓度公差標注。對于特征組的定位和約束(旋轉(zhuǎn)和平移)以及在組內(nèi)的輪廓特征的相互關(guān)系(位置、尺寸、外形、方向)。通過使用復合特征控制框注明要求，如圖3所示，

復合輪廓度公差在側(cè)圍外板零件上/下鉸鏈安裝面的應用。輪廓度符號應用于兩層水平框格。兩層水平框格面輪廓度要求可以單獨驗證。上層公差框格用于鉸鏈安裝面公差帶定位控制，上/下鉸鏈安裝面面輪廓度公差帶服從基準體系定位在各自理想輪廓面兩側(cè)對稱分布，公差帶大小為0.8mm。下層公差框格作為上/下鉸鏈安裝面輪廓特征組相關(guān)控制，控制兩個安裝面形狀公差同時又規(guī)定了兩組形狀公差的相對位置公差。兩個安裝面的形狀公差帶大小都是0.4mm，可以在各自位置公差帶0.8mm里面平動同時要求兩個形狀公差帶相對位置的位置公差帶為0.4mm。側(cè)圍外板上前門上/鉸鏈安裝面實際輪廓型面必須同時位于2個公差帶內(nèi)又要滿足相對距離關(guān)系。

4 復合輪廓度的檢測

4.1 利用三坐標測量機測量復合輪廓度

圖2 前門外板復合公差公差帶示意圖

以圖1前門外板復合輪廓度為例，第一步，將前門外板零件3D數(shù)模導入三坐標測量系統(tǒng)，在產(chǎn)品模型上分別提取需要測型面的理論點位數(shù)據(jù)。第二步，將前門外板零件恰當?shù)囟ㄎ辉谌鴺藴y量機的工作臺上。第三步，求上框格輪廓度誤差。以零件A基準建立Z軸方向，用零件B基準建立X軸方向，用零件C基準建立Y軸方向，且定義根據(jù)基準A、B、C建立的三個面的交點X=0，Y=0，Z=0，此坐標系為1#坐標系。對前門外板型面上的理論測量點進行打點測量，對這些測量點的測量數(shù)據(jù)綜合誤差進行評定。分析這些測量點的綜合誤差，每個測點偏差值都在輪廓度上框格所給定的+/-0.4mm誤差范圍內(nèi)，則判定上框格檢測結(jié)果合格，反之，判定為不合格。第四步，求下框格輪廓度誤差。分析這些測量點的綜合誤差，若在輪廓度下框格所給定的+/-0.2mm誤差范圍內(nèi)，則評定實測輪廓度滿足下框格公差要求，如其綜合誤差不在給定的范圍內(nèi)，則將1#坐標系根據(jù)給定的基準控制方向進行相應的平移，直到將這些點的位置達到最佳狀態(tài)為止，如果在最佳狀態(tài)下，這些點的位置均包含在下框格要求的0.4mm公差帶區(qū)域內(nèi)，則判定下框格檢測結(jié)果合格，反之，判定為不合格。

4.2 利用零件檢具測量復合輪廓度

同樣以圖1前門外板復合輪廓度為例闡述復合輪廓度用零件檢具測量的實現(xiàn)方式。將前門外板零件根據(jù)基準體系固定在檢具上。用測量工具測量前門外板型面在檢具上的偏差，記錄測量數(shù)據(jù)錄入零件尺寸檢測表。分析數(shù)據(jù)評判零件是否符合要求，每個測點偏差值都在輪廓度上框格所給定的+/-0.4mm公差范圍內(nèi)，則判定上框格檢測結(jié)果合格，反之，判定為不合格。由于下公差框格公差帶在上層公差帶中平動，0.4mm公差帶寬度區(qū)域要包絡所有測點，可以理解為這些測點在下層公差帶平移方向上的最大跨度要小于等于0.4mm，即這些測量偏差中最大值減去最小值要小于等于0.4，則判定下框格檢測結(jié)果合格，反之，判定為不合格。當兩層公差要求都檢驗合格則該零件判定合格。如表1所示測量數(shù)據(jù)，S1-S12測點數(shù)據(jù)為評判上層公差要求，最后一行為評判下層公差要求。1#、2#零件測量數(shù)據(jù)同時滿足上下層公差要求，零件判定合格。3#-5#零件測量數(shù)據(jù)或不滿足上層公差要求或不滿足下層公差要求，判定這3個零件不合格。

三坐標測量機和檢具雖然都可以用于復合輪廓度檢測但各有利弊。三坐標測量機成本高、操作復雜但精度高，三坐標一般測量精度可達微米級別。檢具相對來說成本低、便利性好但精度一般只能達+/-0.1mm級別且有一定的測量誤差。所以需要不同的需求選著不同的檢測方式。

圖3 側(cè)圍外板復合公差標注示意圖

表1 零件尺寸檢測表

5 結(jié)語

我國汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，用戶對汽車產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，各大汽車廠家之間的競爭也越來越激烈。為了提高產(chǎn)品的市場份額，設計生產(chǎn)出性能好質(zhì)量高的汽車產(chǎn)品尤為重要。因此在汽車設計開發(fā)過程中，對精度要求較高的零件，不僅要控制其尺寸公差。而且還要保證其形狀和位置公差的精度。對于零件上一些重要的裝配面和外觀匹配面要求使用復合輪廓度來控制，提高零件單件的尺寸狀態(tài)，這樣才能滿足整車的裝配和外觀匹配要求，從而提升整車品質(zhì)，為廣大用戶提供更加優(yōu)秀的汽車產(chǎn)品。