汽車車身沖壓件檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)

楊國策

摘要：闡述了檢具的基本構(gòu)成及其檢測(cè)原理，結(jié)合應(yīng)用實(shí)例提出了汽車車身沖壓件檢具設(shè)計(jì)開發(fā)的一般方案及各功能部件的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)要求，為檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了參考依據(jù)，對(duì)于其它零部件檢具的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車;沖壓件;檢具;設(shè)計(jì)開發(fā)

引言

汽車結(jié)構(gòu)大體可分為三大汽車總成：發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤以及車身總成，而車身總成是由車身內(nèi)外覆蓋件以及一些加強(qiáng)件、連接板等金屬?zèng)_壓件通過焊接或鉚接組成[1]。車身沖壓件的制造成本和重量大約占整車的40%～60%，其制造質(zhì)量不僅很大程度上決定著汽車的整體性能，而且還影響著汽車的外觀，因此對(duì)車身沖壓件質(zhì)量的控制顯得非常重要。目前，車身沖壓件的檢測(cè)已成為汽車制造廠商必不可少的工作。美國、德國和日本等汽車工業(yè)高度自動(dòng)化的國家，已開始使用在線檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)沖壓件檢測(cè)的自動(dòng)化和數(shù)字化，高效快速地反映產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題[2]。在線檢測(cè)設(shè)備的成本和技術(shù)要求很高，在我國很難普遍地應(yīng)用于車身沖壓件的檢測(cè)，因此國內(nèi)對(duì)于重要的沖壓件一般都采用專用的檢驗(yàn)夾具（簡稱檢具）作為主要的檢測(cè)手段，以控制工序間的產(chǎn)品質(zhì)量[2]。近年來隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，檢具的使用已成為汽車企業(yè)及其零部件供應(yīng)商生產(chǎn)資質(zhì)的一種體現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)和制造出操作方便、檢測(cè)精度高的檢具，成為了許多汽車生產(chǎn)廠商亟待解決的問題。

1.檢具的定義及其檢測(cè)原理

檢具是一種用來評(píng)價(jià)零件尺寸質(zhì)量的專用檢驗(yàn)設(shè)備，能夠迅速、準(zhǔn)確、直觀、方便地對(duì)零件實(shí)施檢測(cè)，尤其適合大批量生產(chǎn)的需要[3]。在零件生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通過檢具對(duì)車身沖壓件進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，為此需要將零件準(zhǔn)確的固定在檢具上，通過檢測(cè)銷、通止規(guī)、卡尺、間隙尺、目測(cè)等對(duì)零件上不同形狀的孔、型面、周邊尺寸及零件與零件之間的連接位置進(jìn)行檢測(cè)，從而保證零件在試生產(chǎn)或起步生產(chǎn)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)零件質(zhì)量狀態(tài)的快速判斷。

汽車車身沖壓件檢具主要由底板總成、檢具體、斷面檢測(cè)樣板、定位銷、檢測(cè)銷和夾緊裝置等組成，如圖1所示。

2.檢具的方案設(shè)計(jì)

一套好的檢具，在設(shè)計(jì)開發(fā)初期，就應(yīng)該考慮到其完整性、人機(jī)工程、穩(wěn)定性、成本等主要問題[3]。

（1）完整性。在著手設(shè)計(jì)開發(fā)檢具前，首先應(yīng)該仔細(xì)閱讀客戶提供的幾何尺寸和公差圖紙（GD&T）、數(shù)模以及檢具技術(shù)要求，了解產(chǎn)品的所有定位、檢測(cè)信息，以開發(fā)出符號(hào)客戶要求的檢具。

（2）人機(jī)工程。根據(jù)定位及檢測(cè)的要求，再結(jié)合生產(chǎn)要素（人、機(jī)、料、法、環(huán)）特點(diǎn)，選擇合適的檢具擺放位置（被檢零件放置于檢具上的位置，原則上必須與其在車身坐標(biāo)系中的位置相一致，必要時(shí)可按90°的增量倍數(shù)旋轉(zhuǎn)放置;為了便于檢具的使用和管理，對(duì)稱件、左右件只要外形尺寸允許，應(yīng)盡可能將其布置在一個(gè)底板上），以滿足操作方便的要求。

（3）穩(wěn)定性。檢具作為大批量生產(chǎn)零件的檢測(cè)工具，一定要考慮自身的重力、使用環(huán)境、變形、磨損等因素影響，從材料和結(jié)構(gòu)上保證其精度、性能穩(wěn)定性及使用壽命。

（4）成本。根據(jù)車型特點(diǎn)、產(chǎn)量多少等因素，在保證精度及穩(wěn)定性的情況下，使用材料盡量少，結(jié)構(gòu)盡量簡單，以節(jié)約成本。

另外，在方案設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)該與客戶溝通重要零件的材料選用、外購件的選型、檢具的制造及驗(yàn)收等內(nèi)容，以提高設(shè)計(jì)開發(fā)效率，增加客戶滿意度。

3.檢具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于車身沖壓件，由于檢測(cè)要素為零件的外形（輪廓和曲面形狀等）以及孔、凸緣等為特征的位置，尤其以曲面形狀為主，所以檢具體是檢具結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。檢具體設(shè)計(jì)完成后，再根據(jù)檢具體確定底板總成的大小和位置，再配以定位銷、夾緊裝置、檢測(cè)銷、斷面檢測(cè)樣板等其它輔助部分。

3.1?檢具體的設(shè)計(jì)

在檢具設(shè)計(jì)中，檢具體的設(shè)計(jì)建模是關(guān)鍵，它將直接影響到檢具能否精確地檢測(cè)零件的質(zhì)量[4]。檢具體的型面有的作為零件的定位基準(zhǔn)，有的作為零件的檢測(cè)基準(zhǔn)，這就要求檢具體的型面與零件的型面之間有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其分布主要有五種情況，如圖2所示：

圖2（a）中，檢具基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm，其間安裝定位塊使得零件表面①與定位塊表面③貼合;圖2（b）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm;圖2（c）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm，檢測(cè)基準(zhǔn)面④與零件邊緣線③相對(duì)于零件表面①的法向?qū)R;圖2（d）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①對(duì)齊，檢測(cè)基準(zhǔn)面④與零件邊緣線③相對(duì)于零件表面①的切向偏移距離3mm;圖2（e）中，檢具檢測(cè)基準(zhǔn)面②與零件表面①之間的偏移距離3mm，檢測(cè)基準(zhǔn)面④與零件表面③對(duì)齊。

從圖2可以看出，檢具體型面除了用于承受面或定位的型面與零件表面相貼合以外（見圖2（a）），其它檢測(cè)用的檢具型面一般是零件表面的法向偏移面、法向或切向延長面，以實(shí)現(xiàn)檢具對(duì)零件自由曲面或外輪廓（或者兩者結(jié)合）的檢測(cè)。為實(shí)現(xiàn)檢具對(duì)零件自由曲面的檢測(cè)，一般使檢具體表面與零件內(nèi)表面保持3mm（或者5mm，見客戶提供的技術(shù)要求，圖2中以3mm為例）的常數(shù)間隙，數(shù)控加工機(jī)床能按所設(shè)計(jì)的型面數(shù)模進(jìn)行加工達(dá)到較高精度的要求，在實(shí)際檢測(cè)時(shí)通過檢具型面配合專用的量具（通止規(guī)、楔形尺、塞尺等）往復(fù)移動(dòng)即可檢測(cè)出零件自由曲面的偏差，設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的檢具體時(shí)：先選擇所需的零件表面（可根據(jù)需要同時(shí)選擇多個(gè)連續(xù)的曲面），然后通過偏置曲面的方法得到檢具體的型面。零件外輪廓的檢測(cè)方式主要有兩種，如圖2（c）和圖2（d）所示，設(shè)計(jì)相應(yīng)的檢具時(shí)有兩種方法：①檢具體型面的邊緣線沿零件外輪廓切向延伸35mm左右;②沿零件外輪廓的法向方向向下延伸35mm左右。在通用的三維建模軟件（如UG）中，首先將所需零件表面向內(nèi)偏置3mm（或5mm）的距離，接著把生成曲面的外緣線沿零件外輪廓切向或法向延伸一定距離，得到檢具體的檢測(cè)基準(zhǔn)面，再向零件基準(zhǔn)面拉伸一定距離即得到檢具體的模型。由于汽車沖壓件大多具有復(fù)雜的空間曲面和較多局部特征，在設(shè)計(jì)檢具體檢測(cè)表面時(shí)大多需要上述兩種方法的結(jié)合，而對(duì)于一些特殊的空間型面，上述方法仍然難以滿足要求，需要根據(jù)情況綜合考慮。

3.2?底板總成的設(shè)計(jì)

在檢具體上表面沿基準(zhǔn)面方向拉伸一定距離，使其最低點(diǎn)超過120mm的厚度，以保證

檢具體有足夠的強(qiáng)度，同時(shí)盡量讓檢具體底面，即底板總成的上表面（base面），在車身坐標(biāo)系的整數(shù)位置上。檢具的底板總成一般由底板、支架、基準(zhǔn)塊、吊耳、叉車槽、腳輪、可調(diào)支腳等組成，如圖3所示。其中，底板總成作為承載其它檢具結(jié)構(gòu)的載體，對(duì)整個(gè)檢具的穩(wěn)定性起著十分重要的作用，設(shè)計(jì)時(shí)可考慮以下幾個(gè)方面：①成本允許的情況下，優(yōu)先選用鋁質(zhì)底板（小型檢具可選用鋼板）;②選用鋼板和槽鋼進(jìn)行焊接，目前常采用十字和米字兩種結(jié)構(gòu);③底板的大小，以檢具的每個(gè)部件在其任何活動(dòng)位置上，均不超出底板為宜;④底板上必須考慮安裝墊塊、基準(zhǔn)塊、吊耳及叉車槽（凈質(zhì)量小于22kg的小型檢具需配置把手）;⑤底板上表面需刻100mm間隔的百位線及相應(yīng)坐標(biāo)值。當(dāng)?shù)装逵蓹z具體固定好后，其它部件可根據(jù)實(shí)際情況選用相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)。

3.3?定位與夾緊裝置的設(shè)計(jì)

零件正確合理的定位，是準(zhǔn)確測(cè)量的基礎(chǔ)。沖壓件在檢具上的定位主要有以下兩種方式：

（1）將面定位塊與零件的自由曲面貼合，再以零件上的兩個(gè)孔作為主、副定位孔，共同完成定位。其中，主定位孔能在兩個(gè)方向限位，可采用錐形定位銷（用于圓孔）或菱形定位銷（用于腰孔）定位;副定位孔則只能限定一個(gè)方向的自由度，可采用菱形銷、圓銷（用于圓孔）或削邊銷（用于腰孔）定位，定位銷設(shè)計(jì)時(shí)要注意考慮零件的公差與孔位相干性[4]。

（2）將面定位塊與零件自由曲面貼合，再在零件輪廓邊緣上設(shè)置擋塊，共同完成定位。輪廓邊緣定位點(diǎn)通常設(shè)置三點(diǎn)，即在一個(gè)方向上設(shè)置兩點(diǎn)，另一方向上設(shè)置一點(diǎn)。

夾緊裝置是配合定位裝置，使沖壓件在檢具和測(cè)量支架上處于確定的位置，并在檢具的使用過程中其位置不會(huì)發(fā)生變動(dòng)的裝置。夾緊方式主要有杠桿式夾頭夾緊和永久磁鐵夾緊兩種，夾緊點(diǎn)必須設(shè)置在“0”間隙面（即支承面）上，且夾緊點(diǎn)數(shù)量應(yīng)盡可能少，夾緊位置應(yīng)選擇在零件剛性較好的部位，夾緊力的方向應(yīng)該垂直于零件的主要定位基準(zhǔn)面（如圖4），以保證精度。隨著檢具在車身制造中的廣泛應(yīng)用，杠桿式活動(dòng)夾頭和永久磁鐵均有系列化的產(chǎn)品以供選購，活動(dòng)夾頭還配有不同型式和尺寸的支架或托架[2]。設(shè)計(jì)檢具時(shí)，根據(jù)GD&T圖紙所提供的定位及夾緊點(diǎn)信息，在檢具體上的定位孔位置打孔（以放入定位銷對(duì)應(yīng)的襯套為準(zhǔn)），在夾緊點(diǎn)的位置布置定位墊片和活動(dòng)夾，以保證零件的牢固定位。

3.4?檢測(cè)銷的設(shè)計(jì)

檢測(cè)銷用于檢測(cè)零件上孔的孔徑及其位置度。對(duì)孔徑的檢測(cè)一般使用直插式的檢測(cè)銷，檢測(cè)銷由導(dǎo)向、檢測(cè)及手柄三部分組成。在檢測(cè)孔內(nèi)，為保證檢測(cè)銷能順利進(jìn)行檢測(cè)，必須安裝導(dǎo)向襯套并與檢具體黏結(jié)，其規(guī)格根據(jù)檢測(cè)孔的孔徑范圍來選取，已有相應(yīng)的參考系列，同時(shí)，軸套的上平面必須低于沖壓件下表面，如圖5所示。檢測(cè)銷檢測(cè)部分尺寸為：公稱尺寸+下偏差-位置度。

位置度的檢測(cè)一般用檢測(cè)銷及劃線銷進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示。檢測(cè)部分尺寸為：公稱尺寸+下偏差-位置度，劃線部分尺寸為：公稱尺寸+4mm，導(dǎo)向部分的設(shè)計(jì)與檢測(cè)銷相同。

3.5?斷面檢測(cè)樣板的設(shè)計(jì)

當(dāng)沖壓件的尺寸和形狀精度要求較高，僅依靠檢具型面及相應(yīng)結(jié)構(gòu)不足以實(shí)現(xiàn)精度控制時(shí)，可以在檢具周圍設(shè)置若干個(gè)斷面檢測(cè)樣板，圖7為斷面檢測(cè)樣板的檢測(cè)示例，其工作部分的型面與沖壓件被測(cè)表面保持3mm（或5mm）的間隙，以便各種專用量具（如?塞規(guī)）的檢測(cè)使用。斷面檢測(cè)樣板采用厚度為6±0.5mm左右的鋁合金或45鋼，結(jié)構(gòu)形式一般為旋轉(zhuǎn)式或固定式。樣板應(yīng)盡量安裝在沖壓件型面法向方向，其位置坐標(biāo)宜取整數(shù)，不得與定位銷、檢測(cè)銷、夾緊裝置等結(jié)構(gòu)相干涉;樣板支架與底板的厚度應(yīng)大于10mm，支架高度大于15mm時(shí)需適當(dāng)增加料厚[4]。總之設(shè)計(jì)時(shí)要保證斷面檢測(cè)結(jié)構(gòu)在檢具上穩(wěn)定牢固、旋轉(zhuǎn)自如、無干涉，且安放位置合適。

4.結(jié)語

本文主要闡述了汽車車身沖壓件檢具的結(jié)構(gòu)及各功能部件的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)要求，為檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了參考依據(jù)，對(duì)于其它零部件檢具的設(shè)計(jì)也有一定的參考價(jià)值。檢具的設(shè)計(jì)開發(fā)，是一個(gè)復(fù)雜的過程，既要能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的定位，又要保證檢測(cè)的精確度和穩(wěn)定性，還要考慮到操作時(shí)的方便和靈活性。因此，檢具設(shè)計(jì)人員必須在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，才能提高檢具的開發(fā)質(zhì)量和效率，減少開發(fā)成本。

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