肖榮光 李鑫

摘 要：文章以國外某高端電動汽車鋁合金電池包下蓋的制造工藝為例，運(yùn)用三維公差分析軟件，實現(xiàn)計算機(jī)輔助的虛擬制造，針對DTS某一測點(diǎn)精度要求，通過對夾具設(shè)計方案和裝配工藝流程的調(diào)整，有效降低了裝配偏差的超差率，制定滿足要求的精度控制方案。

關(guān)鍵詞：虛擬制造;公差分析;GD&T

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）19-15-04

Tolerance Analysis of Virtual Manufacturing of Aluminum Alloy Battery Cover

Xiao Rongguang1， Li Xin2

（ 1.Liaoning Zhongwang Group Co.， Ltd.， Liaoning Liaoyang 111003;

2.Chongqing University of Technology， Chongqing 400054 ）

Abstract： This paper takes the manufacturing process of the aluminum alloy battery cover of a luxury EV as an example， using tolerance analysis software to realize computer-aided virtual manufacturing. According to the accuracy requirement of a measuring point in DTS， through adjusting the fixture design scheme and assembly process， the OVER-TOLERANCE rate of assembly deviation is effectively reduced， and the precision control scheme that meets the customer's requirements is confirmed.

Keywords： Virtual manufacturing; Tolerance analysis; Aluminum alloy battery

CLC NO.： U469.7 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）19-15-04

1 前言

電池包作為新能源汽車的核心部件，它的結(jié)構(gòu)、性能、制造等方面越來越受到工程師的關(guān)注。零件公差設(shè)計是電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要組成部分，若零件公差設(shè)計不合理，對電池包的生產(chǎn)制造有很大影響。電池包殼體裝配是電池包裝配過程中比較重要的一個步驟。一般汽車上的電池包體積較大，且密封性要求高（增加橡膠密封墊，IP=67），由于上下殼體裝配孔數(shù)量有幾十上百個，這在一定程度上增加了殼體上孔的設(shè)計、加工、裝配難度。多孔裝配對公差設(shè)計要求較為嚴(yán)格，如果零件尺寸公差設(shè)計不合理，可能出現(xiàn)以下問題：

（1）上下殼體裝配成功率較低;

（2）廢品率增加;

（3）生產(chǎn)成本提高。

為了解決這些問題，本文以以國外某高端電動汽車鋁合金電池包下蓋的制造工藝為例，運(yùn)用公差分析軟件以虛擬制造的方式檢驗零件公差設(shè)計的合理性，如果公差設(shè)計不合理，尺寸工程師將以此為依據(jù)及時對加工工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計給出優(yōu)化方案。傳統(tǒng)殼體類焊接總成制造，往往依靠經(jīng)驗來確定公差，在生產(chǎn)過程中不斷進(jìn)行方案修改和夾具調(diào)試，這種方式不能從根源上解決偏差問題，并且制造精度的提高有可能帶來制造成本的上升，最終產(chǎn)品處于競爭劣勢，因此運(yùn)用先進(jìn)的尺寸工程技術(shù)及開發(fā)流程勢在必行。

擠壓鋁合金型材由于模具開發(fā)成本低，輕量化效果顯著，因此在目前電池包殼體的材料應(yīng)用中，用量較大，成為主流。但擠壓鋁合金材料變形在實際生產(chǎn)過程中十分常見，導(dǎo)致鋁合金材料變形的原因是多樣化的，不僅有加工因素還有環(huán)境因素[2]。因此鋁合金電池包制造精度控制難度大，在前期尺寸分析需要引入新的分析方法并結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗共同制定精度控制策略。

虛擬制造技術(shù)是以模擬現(xiàn)實和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，對目標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)過程統(tǒng)一的進(jìn)行建模，通過計算機(jī)實現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品從設(shè)計、加工和裝配、檢驗和使用整個生命周期的模擬和仿真。因此，可以在產(chǎn)品生產(chǎn)前模擬將要進(jìn)行生產(chǎn)的產(chǎn)品的性能和制造過程，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中可能面臨的問題，以此來優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和制造過程，加強(qiáng)生產(chǎn)管理和科學(xué)規(guī)劃資源的分配，提高終生質(zhì)量和生產(chǎn)效率，達(dá)到縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本的目的，從而提升企業(yè)在市場中的競爭優(yōu)勢[1]。

2 虛擬制造公差分析案例

2.1 分析流程

2.2 仿真分析

該產(chǎn)品由鋁合金擠壓型材、鋁合金鑄件、鋁合金鍛件，經(jīng)攪拌摩擦焊，MIG焊，鉚接，螺接，等多種連接工藝組合而成，制作工藝較為復(fù)雜，總成精度控制難度大。在電池包下殼體的制造過程中，每一單體零件的裝配過程都會對總成精度造成影響，夾具定位，零件公差，裝配順序是偏差產(chǎn)生的主要三個因素。首先需求根據(jù)產(chǎn)品DTS要求，進(jìn)行焊接層級的分析，確定工藝流程，初步確定的工藝流程如下圖所示。

公差分配方法分為三種，極值法，概率法和蒙特卡洛模擬法。極值法對零件公差要求較高，經(jīng)濟(jì)性差，因此本文首先依據(jù)總成DTS測點(diǎn)公差要求基于概率法做初步公差分解，獲得單個零件的公差要求，然后采用計算機(jī)仿真，實質(zhì)是蒙特卡洛模擬法，驗證公差設(shè)計的合理性。以測點(diǎn)PM07（B-B剖視位置孔，公差要求）為例，表1是概率法常用公差分配表，闡明公差影響因素，公差大小及計算公差范圍。

依據(jù)公差分配結(jié)果和RPS設(shè)計要求，形成初版的零件GD&T圖紙。

由于一維尺寸鏈分析的局限性及工藝的復(fù)雜性，部分測點(diǎn)按照概率法進(jìn)行公差分解難度較大，此時需要按照工廠加工能力，初步擬定單體零件公差值，完成所有零件公差分配后，借助虛擬制造公差分析軟件，驗證單體零件公差的合理性。

建立仿真模型。將3D數(shù)模導(dǎo)入分析軟件，根據(jù)零件GD&T圖紙中的公差賦予到各單體零件中，根據(jù)前期分析的焊接工藝流程，定義裝配順序，將總成DTS要求的測點(diǎn)位置賦予到總成零件中，由于暫未進(jìn)行夾具詳細(xì)設(shè)計，運(yùn)用虛擬點(diǎn)表征零件裝夾定義位置?？偝纱蟛糠至慵閿D壓型材和鑄件，因此作為剛性件處理，零件裝配類型使用要求較為寬松的階梯型裝配。

公差計算仿真。模擬結(jié)果通常以兩類文件輸出，一類是測點(diǎn)位置的尺寸偏差結(jié)果，由STD、上下偏差、超差率等一系列指標(biāo)反映測點(diǎn)是否是合格，另一類是偏差敏感度分析報告，反映各類偏差對測點(diǎn)公差的貢獻(xiàn)度。根據(jù)貢獻(xiàn)度指數(shù)可以排查導(dǎo)致測點(diǎn)偏差的主要因素。

以測點(diǎn)PM07舉例，查看仿真結(jié)果，驗證前期基于概率法分配到零件的公差是否合理。

如圖所示，測點(diǎn)PM07的Y向位置度公差不能滿足公差要求，主要偏差因素貢獻(xiàn)分析如下表：

2.3 優(yōu)化分析

通過對偏差因素貢獻(xiàn)表的解讀，零件Z向定位面偏差以及焊接位置零件的輪廓度偏差是造成測點(diǎn)Y向偏差的主要因素。究其原因，零件屬于框架邊梁，主定位面設(shè)置在Z方向，定位面積不足，穩(wěn)定性差，同時裝配對象底板零件7L-03擠壓后的扭擰度變形（該處輪廓度公差范圍0.5mm），雙重因素影響被測孔的Y向精度。

應(yīng)對測點(diǎn)PM07 的Y向偏差問題，優(yōu)化方案如下：一、更改夾具設(shè)計，零件3主定位面設(shè)置在Y方向的大平面，修改零件GD&T信息如下圖;二、由于成本因素，暫不考慮提高底板零件7L-03扭擰度，利用現(xiàn)有資源由原先的3-2-1定位方式調(diào)整為適合柔性零件的N-2-1定位方式，實際生產(chǎn)中依靠夾具夾緊力對抗變形，重新調(diào)整仿真模型，做試探分析。

仿真結(jié)果如下，主要偏差來源為被測孔自身Y向位置度偏差，在不考慮焊接變形及測量偏差的前提下，零件公差100%滿足總成公差要求。

3 結(jié)束語

本文以國外某高端電動汽車鋁合金電池包下蓋的制造工

藝為例，以測點(diǎn)PM07為研究對象，首先采用概率法對零件公差進(jìn)行分配，然后運(yùn)用計算機(jī)輔助的公差設(shè)計，驗證公差的合理性，結(jié)合分析結(jié)論，提出了控制精度更好夾具設(shè)計方案和裝配工藝流程，最終滿足DTS的要求。但本文分析中提到的，依靠夾具夾緊力對抗變形，實際焊接過程中，夾緊力釋放后會產(chǎn)生部分的變形回彈，該部分回彈偏差暫不能在仿真結(jié)果中體現(xiàn)的，需要后續(xù)生產(chǎn)中持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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