白車身定位質量因素分析

楊柳青

摘 要：近年來，科學技術不斷進步，汽車工業隨之快速發展，已經成為一國工業發展程度的象征。在國內的經濟發展中，汽車工業作為一項主導產業，也是龍頭產業，作用重大，其不僅促進了產業群的形成，而且在一定程度上刺激了鋼鐵和建材等中間投資產品的發展。然而，汽車的質量并不盡如人意，由于質量問題而召回汽車產品的事件時有發生，引起了社會的普遍關注。其中，白車身的焊裝質量在汽車的整體質量中占據重要的地位，而焊裝夾具定位銷更是決定白車身焊裝質量的關鍵所在。

關鍵詞：白車身；焊裝夾具；定位銷；質量管理

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，白車身焊裝質量在很大程度上影響著汽車車身的綜合質量，因此，有必要加強對白車身焊裝定位銷的質量管理，以確保汽車車身的總體質量。

國內外廣大學者關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，整車的發動機和底盤日趨成熟，汽車換型在大公司實現“平臺戰略”的情況下，實現在同一個平臺上開發出不同類型、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公司的戰略。白車身制造的質量穩定性直接關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技術水平[1]。

1.2 研究意義

目前，很多整車制造公司，并不具備較為穩定的過程質量控制方法、缺陷預防手段以及快速響應解決現場問題的效率，在這種情況下，多少會對汽車的質量穩定性造成不利影響。往往汽車制造企業在產品發現問題時，缺陷已經產生，質量技術人員要對產品進行分析，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，汽車制造企業在質量管理過程中，存在的主要問題就是缺乏對細節的重視程度，因此，應該首先加強定位銷的質量管理，以此來確保車身焊裝的質量，從而避免質量問題的頻繁發生。如何提高車身的焊裝質量對提高整車全面質量具有很大的意義，而焊裝夾具定位銷的質量又對整車車身的焊裝質量有著舉足輕重的作用，因此，本研究還具有較強的現實意義。

1.3 國內外研究現狀

國外學者關于汽車質量管理的研究開展較早，形成了豐富的研究成果。在20世紀90年代，主要關注的是白車身夾具定位及裝配誤差，針對誤差分析，國外學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。

在此基礎上，Liu 等專門從薄板件出發，將統計方法與工程結構模型結合在一起，分析了其裝配誤差，并應用 FEM 方法，構建了裝配前后的誤差關系模型，同時，將影響系數矩陣方法引入其中，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果存在片面性。

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

Jaime A. Camelio [4]等把薄板件裝配誤差歸結為三種，零件誤差，夾具誤差和焊槍誤差，針對每種誤差分析產生原理及減小誤差的方法。Wu 在 Monte Carlo 方法的基礎上，提出有限元和隨機數的方法，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 。這些理論廣泛地應用于夾具的定位設計中，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計和定位，但關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，傳統的針對剛體的夾具設計和定位理論已經不再適應，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計的方法，研究用于平板和殼體的夾具定位系統，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，設計定位基準，使得工件在基準面法向的變形最小；Remick 等 于 1993 年提出一種綜合非線性優化和有限元分析的薄板件夾具設計方法，并通過價值函數分析來確定最優夾具定位單元數；W.Cai 等于1996年提出了用于薄板夾具設計的“N-2-1”定位原理，并尋找最優的定位數量，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力對夾緊點的要求，提出了通過夾緊點的優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系；1998 年 DeMeter提出了一種基于有限元的夾具定位優化方法，采用非線性優化算法搜索夾具定位布局的最優解，但沒有把夾具定位和夾緊進行綜合考慮。夾具定位基準的設計及優化是一個較為復雜的工程問題，涉及較多的優化變量及非線性約束。

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

2 影響白車身定位質量的因素

在現代轎車白車身產品設計的要求下，影響白車身定位質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，各個質量因素對白車身定位質量的影響如下：

2.1 人員

在整車白車身定位質量控制過程中，人員因素涉及方方面面，處在關鍵位置上。在整車的質量管理體系下，要想取得實效，始終離不開人員的積極參與，而白車身產品的質量也是由這些人員制造出來的。因此，相關企業一定要加強人員管理，特別是質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量意識培養與崗位技能培訓，從而使相關操作人員的業務素質有所提高，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量的影響。

2.2 焊裝工藝

焊裝工藝對白車身定位質量的影響主要體現在焊點參數及工藝方案設計，焊點質量優化標準兩大方面。

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

2.3 焊裝夾具

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

2.4 定位銷

在工裝上進行焊接作業時，為了提高白車身的定位質量，使焊接總成滿足相關的尺寸、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，夾緊狀態時的定位是否有損壞或者被破壞，一旦定位銷出現磨損現象，定位必然會失效。另外，通過對定位失效的模式進行了解，也可以對保養焊裝夾具的工作有所幫助。

2.5 沖壓件質量

沖壓件質量主要體現在單件表面清潔度與零件裝配要求兩方面，一般在生產過程中經常發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，導致車身最終的匹配缺陷。

2.6 焊接設備和質量檢驗

整車制造公司普遍采用國外先進焊接設備，并建立完整的焊接設備測試流程，包括：批量生產前的設備調試和日常生產的TPM設備維護。

作業人員做到三不原則：不接受、不制造、不傳遞。QRK質量檢驗人員負責檢查焊接質量及車身零件匹配狀態。

2.7 焊接工藝參數設置

在焊接設備進行調試階段，技術人員需針對不同的焊接板材材料，普通鋼板或鍍鋅鋼板，應采用設計不同的焊接工藝參數及階梯參數設置。

2.8 焊接質量監控

通過金相實驗室，負責對焊接質量缺陷進行技術性分析，并及時組織相關職能部門采取有效措施，盡早消除質量缺陷，避免批量缺陷的發生。

2.9 缺陷處理

為了確保白車身的定位質量，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，如果不經過處理，而應用到焊裝過程當中，那么，勢必會影響到定位的質量，甚至是整個白車身焊裝的質量。例如，如果定位銷出現了嚴重的磨損，那么，很有可能會造成定位稍晃動，從而影響到定位的精準。

3 白車身質量管理-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焊裝夾具的保養。

3.2 基準銷與基準面的定位要求

基準面和基準銷是零件在工裝上定位的基礎，基準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生平移，使零件偏離設計的理論位置。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生繞4位銷的轉動，使零件偏離設計的理論位置。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生偏轉。

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表面存在間隙或干涉，定位加緊后的形面偏離設計的理論位置。產生這種失效可能的原因是工裝定位基準存在制造偏差，基準表面有飛濺，定位基準磨損，松動或零件形面存在制造偏差。

4 小結

白車身的質量在汽車車身的綜合質量中占據著舉足輕重的地位，而白車身的定位質量又是決定白車身質量的重要一環。一般來說，影響白車身定位質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量的影響因素、焊裝夾具和定位銷的質量管理。其中，對于焊裝夾具的質量管理，首先介紹了焊裝夾具的質量要求，其次，指出了焊裝夾具質量管理要遵循的原則，而對于定位銷的質量管理，首先指出了定位銷有效定位的要求、基準銷與基準面的定位要求，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鍵元件的設計研究[D].合肥工業大學，2013.

[2]袁正濤，袁勃.車身焊裝夾具的設計研討[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，2011，02：58-61.

[4]李孟林.基于案例的焊裝夾具設計分析[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計[J].重慶理工大學學報（自然科學），2011，12：12-18.