輪廓度公差控制車身裝配間隙的圖樣標注研究*

徐旭松 孫志英 吳德輝 華 武

(①江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001；②浙江省先進制造技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310027；③杭州海顧信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052；④比亞迪汽車工業(yè)有限公司，廣東 深圳 518116)

輪廓度公差常用來控制空間曲面的形狀或位置誤差[1]，單獨使用面輪廓度來控制曲面裝配間隙(縫隙)的大小和間隙(縫隙)的均勻性往往顯得“力不從心”或者偏于嚴格。因此，在汽車車身圖樣中，“復合輪廓度公差”被廣泛應用和標注。復合輪廓度公差除了能對被測輪廓的位置偏差進行控制外，還可對被測輪廓的方向和形狀偏差進行加嚴控制，特別是在需加嚴控制被測要素的方向偏差而對被測要素位置要求相對較松的場合，應用復合輪廓度能體現(xiàn)出較好的經(jīng)濟性。

復合輪廓度公差屬于復合公差，復合公差(composite tolerance)是美國ASME Y14.5公差標準中的專有概念[2]，國標GB/T 13319-2003[1](即ISO 5458:1998[3])中雖然也有“復合位置度公差”的標注圖例，但國標(GB)中的“復合公差”來自ISO 5458:1998中的英文原文“Tolerance combination”。嚴格而言，“Tolerance combination”和美標ASME Y14.5中的復合公差是兩個不同的概念。雖然在ISO 1101和ISO 1660等[4-6]GPS系列標準(我國國標等同)中并無“復合輪廓度”的概念，但也可借助于最新推出的附加“OZ”修飾符的組合輪廓度來表達復合輪廓度的功能。本文就采用復合和組合輪廓度公差控制車身裝配間隙(縫隙)的大小及其均勻性時如何標注圖樣進行分析，并對ASME Y14.5中的復合輪廓度和最新的ISO 1101標準中帶“OZ”符號組合輪廓度的差異性進行研究。

1 復合輪廓度公差控制車身裝配間隙

圖1為某型號汽車左前車門和左后車門之間的縫隙的外觀尺寸技術(shù)規(guī)范[7](dimensional technical specifications，DTS)要求：控制面差(Flush)、間隙大小Gap=4.0±1.0 mm和間隙平行度(最大間隙和最小間隙之差)Gap_Pal≤1.0 mm。針對此DTS要求，在汽車開發(fā)設計階段就須對相關(guān)零件采用合適的幾何公差進行控制。

如圖2所示，對左前車門邊緣采用了復合輪廓度公差控制，其中基準A/B/C為前車門與裝配工裝之間的定位特征。該項復合輪廓度公差的公差帶如圖3所示，復合輪廓度的第1行寬度為1 mm的公差帶為固定公差帶，該公差帶的6個自由度均被基準A/B/C約束，它控制了實際被測輪廓相對于基準系的位置；第2行寬度為0.5 mm的公差帶為浮動公差帶(可平移，不能旋轉(zhuǎn))，它控制實際輪廓相對于基準系的方向和形狀。雖然第2行寬度為0.5 mm的公差帶可作左右/上下平移，但其移動范圍卻受到第1行固定公差帶的約束，即第1行公差帶和第2行公差帶必須有公共區(qū)域。

汽車車身飾件的輪廓檢測通常采用功能檢具或車身主檢具(cubing)。圖4為左前車門采用車身主檢具檢測的示圖，零件以基準A/B/C作為定位特征在車身主檢具上定位、模擬裝配，檢測左前車門被測輪廓和仿形左后車門邊緣之間的間隙。由于車身主檢具的輪廓精度達到檢具精度，可認為是理想輪廓，則測得的間隙值即為除去左后車門邊緣輪廓誤差及裝配誤差后的

DTS值。圖4中的實際輪廓向左或向右變動不得超出第1行固定公差帶的邊界，而第2行公差帶隨著實際輪廓的位置變化而平移浮動(不能旋轉(zhuǎn))，它只控制實際輪廓的方向和形狀。

合格的左前車門實際輪廓必須同時落在第1行和第2行公差帶內(nèi)。

(1)復合輪廓度第1行控制間隙(或稱為縫隙)的大小。用“間隙尺”測量實際輪廓各點的間隙，找出實際輪廓與仿形邊輪廓的Gap_max和Gap_min，若滿足：

(1)

則被測實際輪廓滿足復合輪廓度的第1行。

(2)被測輪廓之間的最大裝配間隙與最小裝配間隙之差稱之為間隙平行度(或間隙差)Gap_Pal，即

Gap_Pal=Gap_max-Gap_min

(2)

被測輪廓與車身主檢具仿形邊的輪廓之間間隙的最大差值Gap_Pal≤0.5 mm，則被測輪廓一定控制在第2行寬度為0.5 mm的浮動公差帶內(nèi)，實際被測輪廓滿足復合輪廓度的第2行要求。Gap_Pal反映了相裝配輪廓之間間隙大小的差異程度，Gap_Pal較小，說明間隙的均勻性較好。即復合輪廓度第2行公差主要控制間隙的均勻性。

2 組合輪廓度控制車身裝配間隙

圖1中的前后車門之間縫隙的DTS要求若采用ISO標準中帶“OZ”的組合輪廓度公差標注如圖5所示。

圖5的組合輪廓度第1行的公差帶是理論輪廓向材料內(nèi)/外各偏置0.5 mm形成，該寬度為1 mm的公差帶和基準系A/B/C保持理想的方位關(guān)系。而第2行寬度為0.5 mm的公差帶和基準系A/B/C保持理想的方向關(guān)系，與基準A/B/C位置關(guān)系不定(因偏置量不定)，為浮動公差帶。左前車門的被測輪廓若能同時落在組合輪廓度的2行公差帶范圍內(nèi)，被測輪廓合格，如圖6所示。

分析比較圖6和圖3所示的公差帶，兩者第1行公差值為1的公差帶相對于理論輪廓的位置固定、形狀一致，而它們的第2行公差帶卻有所不同：圖3中的第2行浮動公差帶中心是由理論輪廓平移而來，因此其形狀與理論輪廓完全一樣；而圖6中的第2行浮動公差帶中心是由理論輪廓偏置(offset)而來，曲面輪廓偏置后曲率會發(fā)生變化，因此，其形狀和理論輪廓的形狀不同。那么，圖5與圖2兩種不同標注所表達公差帶的“細微”差別對圖1的DTS要求有何影響？經(jīng)過分析，就圖1的實例而言，因其理論輪廓的曲率半徑很大，理論輪廓分別經(jīng)平移或經(jīng)偏置而形成輪廓的曲率差異很小，對間隙大小和間隙平行度(均勻性)的影響非常小，故可以忽略。但在有些情況下，這種差異性則不能被忽略。

3 復合輪廓度和帶OZ的組合輪廓度控制裝配間隙的差異

如圖7所示，被測要素為平面要素，浮動公差帶的中心不論是由理論輪廓經(jīng)平移獲得，還是由理論輪廓經(jīng)偏置獲得，均為平面，因而圖7a中的兩種標注所表達的公差帶及其含義完全一樣。而如果被測要素的理論輪廓是曲面，如圖7b，隨著曲面的曲率增大，兩種標注所表達的公差帶形狀的差異也愈加明顯，從而對零件實際輪廓約束和控制效果也就不同。

3.1 復合輪廓度控制半封閉輪廓

圖8是汽車內(nèi)飾面板和按鈕裝配示圖，面板和按鈕之間的間隙Gap不僅有大小要求，還有間隙差(平行度Gap_Pal)要求。若用ASME的復合輪廓度公差控制，圖樣標注如圖9所示。

圖9采用了復合輪廓度控制M到N之間圓弧面的輪廓誤差，圖10為其公差帶示圖。第1行寬度為1.8的公差帶為兩段半徑分別為33.1 mm和34.9 mm的圓弧段之間的區(qū)域，該公差帶的方向和位置相對于基準A/B/C理想，其6個自由度均被基準所約束，為固定公差帶。第2行寬度為0.8 mm的公差帶，它是兩段半徑分別為33.6 mm和34.4 mm的圓弧之間的區(qū)域，其旋轉(zhuǎn)自由度被基準A/B所約束，但基準A/B不能約束該公差帶的平動自由度，故第2行的公差帶與基準A/B保持理想的方向關(guān)系、同時可以任意平移。被測輪廓合格條件為實際輪廓須落在第1行公差帶和第2行公差帶之間的公共區(qū)域內(nèi)(圖10中的陰影部分)。

按鈕實際輪廓和面板裝配(假定面板輪廓形狀和方位理想)如圖11所示。圖中，復合輪廓度第2行公差帶在保持與第1行公差帶有公共區(qū)域的情形下，被測輪廓和第2行公差帶隨機平移，按鈕輪廓和面板輪廓之間的間隙差也隨之變動。仔細分析圖11，按鈕輪廓在滿足復合輪廓度要求的前提下，若沿水平方向向左移動，間隙的最大差值(間隙的平行差)可達到1.8 mm即間隙差的變動量等于第1行公差值的大小。這表明：復合輪廓度的第2行公差對控制輪廓間隙的均勻性(間隙平行度Gap_Pal)不起任何作用。

經(jīng)過反復分析和研究，可以得出：對于類似如圖8的相對封閉或者半封閉的輪廓而言，采用復合輪廓度并不能控制間隙的均勻性，第2行輪廓公差的作用僅僅是對第1行的輪廓度公差要求進行加嚴。而在有些場合，DTS對間隙Gap要求相對寬松，而對間隙的均勻性(Gap_Pal)要求相對嚴格，若采用復合輪廓度公差來控制輪廓，必須加嚴第1行公差要求才能滿足要求，即只能將縫隙的大小和縫隙的均勻性“一把抓”，這種設計顯然不夠經(jīng)濟。

3.2 附加“OZ”的組合輪廓度控制半封閉輪廓

圖8的實例用附加“OZ”的組合輪廓度標注圖樣和公差帶示圖如圖12、13所示。第1行寬度為1.8 mm的固定公差帶與圖9中復合輪廓度第1行表達的公差帶完全一樣，而第2行公差值為0.8的公差帶是由兩段半徑分別為R1和R2的兩段圓弧圍成的區(qū)域，公差帶相對于基準系A/B/C的方向和位置理想(半徑為R1、R2圓弧的圓心必定位于理論位置)。半徑R1和R2隨機變動、可為任意值，公差帶的形狀也隨之變化，但必須滿足：

R1-R2=0.8

(3)

按鈕實際輪廓若同時落在第2行公差帶和第1行公差帶內(nèi)(第1行公差帶和第2行公差帶之間須有公共區(qū)域，見圖13中的陰影部分)，則按鈕被測輪廓滿足組合輪廓度公差要求。比較分析圖13和圖10的公差帶：圖13的第1行公差帶和第2行公差帶同心(同軸)，第2行公差帶的浮動是通過R1和R2的“伸縮”實現(xiàn)的；而圖10的第2行公差帶隨機平移浮動，其公差帶并不一定與第1行公差帶同心(同軸)。

圖14為按鈕實際輪廓與面板輪廓配合的示圖(假定面板輪廓為理論輪廓)，從中可以分析出：因被測按鈕輪廓須落在間距為0.8 mm的第2行公差帶內(nèi)，因此，凡合格的按鈕實際輪廓，無論為何形狀，它與面板輪廓的最大間隙Gap_max和最小間隙Gap_min的差值必定滿足：

Gap_max-Gap_min≤0.8

(4)

因此，用帶“OZ”修飾符號的組合輪廓度控制間隙“均勻性”不會出現(xiàn)如復合輪廓度控制那樣的失控情形，它是一種有效控制。

3.3 附加“OZ”的組合輪廓度控制封閉輪廓

汽車油箱加油口蓋與車身裝配是典型的只有采用帶“OZ”組合輪廓度才能對其間隙進行有效控制的實例。如圖15所示，DTS要求油箱蓋與車身之間的間隙Gap=3±1.0 mm，平行度Gap_Pal≤1.0 mm。本例中，考慮到油箱蓋輪廓和車身對應輪廓的制造工藝難度一樣，假設裝配誤差較小，可忽略不計，將DTS要求的間隙Gap公差2 mm和間隙平行度公差1 mm平均分配給油箱蓋和車身(不考慮裝配誤差和統(tǒng)計公差)，則油箱蓋和車身對應輪廓控制的幾何公差標注如圖16、圖17所示。油箱蓋的實際輪廓若同時落在間距為1.0 mm的固定公差帶和間距為0.5 mm的浮動公差帶內(nèi)，則被測輪廓合格。

油箱蓋輪廓可采用如圖18、19所示的專用檢具、配合使用“通/止”規(guī)和“間隙尺”來檢測，專用檢具的仿形輪廓是由理論輪廓向檢具體內(nèi)偏置5 mm而形成。將被測油箱蓋以基準A/B定位、置于檢具腔體內(nèi)，固定后檢測：

(1)組合輪廓度第1行檢測采用通/止規(guī)，其中通規(guī)T名義直徑4.5 mm，止規(guī)Z名義直徑5.5 mm。檢測操作流程：用通規(guī)T“刮”油箱蓋輪廓和檢具仿形輪廓之間的縫隙，若能滿足“通規(guī)-通”，則表示實際輪廓未超出第1行公差帶的外邊界；再用止規(guī)Z“刮”油箱蓋和仿形輪廓之間的縫隙，若在整個被測輪廓上止規(guī)未“漏”入縫隙，說明實際輪廓未超出第1行公差帶的內(nèi)邊界。

(2)組合輪廓度第2行帶OZ的輪廓度誤差采用“間隙尺”測量，找出被測輪廓與仿形輪廓之間的最大間隙Gap_max和最小間隙Gap_min。若滿足：Gap_max-Gap_min≤0.5 mm，則說明被測輪廓滿足第2行公差要求。

車身圖樣中采用了附加“OZ”的組合輪廓度標注替代原復合輪廓度公差標注已在某車型設計與制造中得到應用和驗證，解決了之前裝配間隙平行差(Gap_Pal)合格性判定中的極不合理現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文分析了ASME Y14.5中的復合輪廓度和ISO/GPS中附加“OZ”修飾符的組合輪廓度控制車身裝配間隙時的圖樣標注和控制含義。使用ASME Y14.5中的復合輪廓度公差和使用ISO 1101-2017中帶“OZ”的組合輪廓度公差控制平面之間的間隙或曲率較小的曲面之間的間隙及其均勻性時，兩者區(qū)別較小；當被控輪廓呈半封閉/封閉性或者曲率較大時，復合輪廓度對控制裝配間隙均勻性并不起作用，而附加“OZ”符號的組合輪廓度能很好地解決此類問題，兩者區(qū)別十分明顯。附加“OZ”的組合輪廓度較于復合輪廓度更適用于控制曲面裝配間隙及其均勻性。