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Designgap在汽车设计制造过程的应用
摘 要：本文介绍了由三维模型到白车身制造过程中的偏移公差的应用现状,叙述了偏移公差应用的原因以及应用实例,介绍了偏移公差在现有制造阶段存在的无法克服的弊端；通过对Design gap(设计间隙)的简单介绍并通过案例对Design gap应用进行叙述,体现出Design gap相较与偏移公差的一些优势,如减少模具修整次数,缩短零件开发周期等；最后对于能够应用Design gap的实际情况进行简单分类.
关键词：偏移公差；Design gap
1引言
随着近年来国内汽车产业的快速发展,汽车的制造水平也不断提升,对于汽车各项技术要求,提出的各项标准也越来越高.从客户角度考虑,最直观的外观要求,也就是我们所说的包括DTS( Dimension Technology Standard)在内的感知质量,客户要求的提升,也就驱使我们对整车尺寸控制要求的提高.
数字化设计制造方式是现代汽车研制的基础和先决条件之一.数字化实现了设计、制造、管理和经营的一体化、信息化和现代化,大幅度降低新产品的研制周期、研制成本和废品率.产品零部件通过三维建模精确表达每一处细节,但是在零部件制造的过程中,想要达到三维模型的精度是困难重重.
白车身通常是由数百个形状各异的薄板冲压件,在不同的工位上用数百个工装夹具完成.小零件焊接成分总成,分总成焊接成总成,整车就是通过这样一层层装配起来,在整个装配过程中,不同供应商生产能力水平不同,零件本身会有偏差,零部件会干涉,工装会有波动,焊接会有变形,从而会产生尺寸偏差,对生产制造产生影响.所以针对目前状态,我们所采取的方案也就是根据实际情况分析在设计GD&T(Geometric Dimention and Tolerance)图纸时采用偏公差,但是在数控加工的过程中,偏公差比较难以直接实现,所以提出在汽车制造过程中采用有Design gap（设计间隙）的三维模型.
2偏移公差的应用现状及弊端
2.1偏移公差的应用现状
生产实践的经验表明：在正常条件下加工一批零件,其产品的质量特征一般都服从正态分布规律.所以在单个零件加工的过程中公差带的分布在数模理论位置是左右对称的,但是在车身车间装配的过程中,两个零件虽然都处于要求的公差带范围内,仍然会出现部分零件公差带处于交叉范围,也就造成了零件干涉、装配困难等问题,从而影响整车尺寸精度.如下图1,虽然两个零件都处于公差带范围内,但是依然会出现干涉区域.
针对以上情况,在前期设计GD&T时,会适当考虑偏移公差,如图2、图3,某车型前中大梁搭接区域由于冲压件回弹特性,经常会干涉,无法完全装配到位,所以通过偏移公差来消除这一现象,提升整车尺寸精度.
2.2偏移公差的弊端
虽然目前偏移公差能一定程度解决零件装配干涉等问题,但是也存在诸多如下弊端有待解决：
(1)供应商在数控加工过程中,依据产品三维数据模型来开发模具和检具,对于GD&T图纸上的偏移公差的要求无法实现直接数控加工；
(2)在数控加工后,才能根据零件状态考虑GD&T图纸偏移公差的修整方案,造成整个模具调试周期增加；
(3)由于受加工工艺以及加工精度等影响,相邻匹配零件间公差走向不一致则会引发的零件适配,造成需要额外的模具调试时间；
(4)不同区域包括供应商的工程师需要充分理解偏移公差设计理念,否则就不能很好的按照GD&T图上偏移公差的要求整改零件；
3 Design gap应用
3.1 Design gap简介
Design gap也就是设计间隙,是在偏移公差的基础上演变而来.偏移公差是在产品三维数模锁定后根据产品结构来对GD&T图纸的设计.在模具、检具数控制造过程中,依然是根据产品三维数模加工而成,后续再通过休整模具来达到满足GD&T图纸偏移公差的要求.而Design gap是在产品三维数模未锁定之前,将偏移公差直接体现在三维数模的—种设计思路.这样在后期的制造过程中,可以直接通过产品三维数模进行精确数模加工,从而达到设计所需求的状态,提升整车零件匹配稳定性,提升整车尺寸精度,对整车尺寸合格率、外观DTS以及感知质量的提升都有很大的帮助,进而提升整车品质.
3.2 Design gap案例及优势
3.2.1 Design gap案例
以应用Design gap的某车型为例进行分析具体的应用,如下图4为某车型的门槛内板的搭接.门槛内板两侧分别与下车体焊接总成和侧围焊接总成装配搭接,对于总拼的影响至关重要,其中c/c（左右）方向的影响关乎整车尺寸质量的提升.
由于冲压件回弹特性,两段门槛内板开口宽度并不能完全保持偏向一致,所以会造成开口大小不一致导致装件不能完全到位.在以往的经验中,我们往往采取偏公差的形式将一端的开口通过偏移公差来减免此情况.而在此车型中,如图5,我们采取Design gap的方法直接将偏移公差输入到产品三维数模中,两个门槛内板搭接处设计3段Y向、2段Z向0.50mm的设计间隙,这样我们的GD&T图纸中就无需特别标注偏移公差,保留中值公差即可,对后续制造过程也节约了制造周期,对于各区域对于零件尺寸状态的监控也方便许多.
由于门槛内板位置的重要性,通过以上Design gap的输入,能够更好保证门槛的位置精确度,也就是保证其定位的精确度.因此,对于一些定位要求较高,而且受零件状态影响较大的搭接区域,我们可以适当考虑采用Design gap的方法来保证定位精度,提高整车尺寸质量.
3.2.2 Design gap的优势
通常由设计人员设计的产品三维数据模型在制造过程中需要转换为制造模型.制造模型是相对于设计模型而提出的,是产品生产制造周期内,对于工序信息的描述.在制造模型的基础上,技术人员需要特别关注偏公差尺寸.由于数控机床定位存在一定的定位精度等问题,所以在加工过程中,GD&T图纸中的偏公差也要用中间公差来建立模型,后续通过修模来达到尺寸工程师所需求的零件偏公差状态.
在产品设计前期,如果产品工程师能够按照一定的要求来建立三维模型,用Designgap理念将偏公差直接体现在三维模型中,那就实现了有偏公差的零件模型由设计到制造都是一致的.因此Design gap相比较偏公差还是有许多优势的,如下：
(1) GD&T图纸上偏移公差的要求直接通过Design gap在三维数模中体现出来,这样开发模具和检具可以直接通过公差中值进行数控加工达到较好的零件质量；
(2) GD＆T图纸上偏移公差的要求在模具和检具制造过程中就体现出来,模具调试周期短,后期匹配成本低；
(3) GD&T图纸上偏移公差要求在三维数据设计过程中就直接考虑进去,原则上只要零件达到公差要求就可以达到较高的匹配质量,同时减少额外的模具调试时间；
(4)各区域工程师只需要跟踪检具来进行尺寸评估,要求供应商将零件的尺寸做到符合检具要求即可,对各区域工程师的匹配能力没有非常高的要求；
3.3 Designgap设计分类
(1)零件的搭接部位涉及到多个方向表面接触（例如U形搭接）,由于零件尺寸存在偏差和波动,所以多方向表面搭接的零件极易产生干涉现象,零件无法正常到位,所以此情况需针对零件做Design gap来减免此情况出现的概率.
例：大梁之间的搭接是涉及到多个Y向和Z向,在以往各个车型基本都会出现搭接干涉落不到位的情况,造成后续一些列问题,在三维数模设计时,在Y向、Z向加入适量的设计间隙.其他结构如,横梁与车架、大梁内撑板和加强板、侧围内加强板等.
(2)确保零部件重要功能面到位的Design gap.在整个白车身中,许多重要功能面受到零件之间的搭接影响,导致重要功能面的尺寸状态较差.因此,为消除这些因搭接干涉等带来的影响,在前期设计通过搭接部位设计不同方向的Design gap来降低因搭接影响重要功能面尺寸状态的概率.
例：门槛内板的搭接涉及到Y向及Z向,将搭接区两方向在三维数模做设计间隙,可有效避免两门槛内板因搭接不到位,影响整个与侧围焊接总成搭接面的位置精度,从而有效降低了侧围Y向超宽的风险.
(3)影响白车身整体外观尺寸,多个零件大范围搭接或多层板搭接的区域适合在搭接部位采用Design gap.
例：在侧围与下车体拼接的时候,从前到后前侧板、门槛、撑板、轮罩、尾端梁等都需与侧围Y向搭接,如图6,这些零件的面轮廓度一致性很难控制,这些区域Y+最大偏差位置和Y-最大偏差位置最先于侧围搭接,这就导致侧围超宽.因此,需要在前期设计在影响的主要区域进行Design gap设计,来进一步提升整车白车身外观尺寸.
4结语
针对于市场对于整车各方面要求的提升,汽车的更新换代也越来越频繁,这就导致整车开发周期越来越短,整车尺寸开发状态的稳定性对我们的要求也越来越高.偏移公差应用在一定程度上缩减了一定的开发周期,但是相对于市场的需求还不够,Design gap的应用能够进一步减少试模次数,大大缩短了产品开发周期,对于市场产品快速迭代也提供了一定的保障.
参考文献：
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[2]刘普林,管雅娟,蒋亚琴,等．带偏公差的三维模型从设计到制造应用研究[J]航天制造技术．2015 (5)：33．
[3]余魁,王佳,王辉,车身尺寸工程中的偏移公差设置[J]汽车科技,2015(5)：19-22.
[4]李兵,聂利娥,安春永．基于产品三维模型的高效工艺设计方法研究[J]国防制造技术,2010(5)：59-61．
作者简介——
刘亚军：（1992-）,男,本科,现任职于于上汽通用五菱汽车股份有限公司,主要从事汽车尺寸开发与控制方面工作.
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