龍曲波 唐大慶

（東風(fēng)實(shí)業(yè)有限公司，武漢 430056）

1 前言

組成轎車車身殼體的薄板沖壓件具有復(fù)雜的空間曲面，曲面上的每一處點(diǎn)都有與之對(duì)應(yīng)的空間三維坐標(biāo)值，此曲面在電腦軟件中呈現(xiàn)的是一個(gè)沒(méi)有厚度的理想曲面，也稱之為數(shù)字化定義面。薄板沖壓件有厚度，對(duì)其進(jìn)行測(cè)量或加工前要根據(jù)實(shí)際情況在程序中對(duì)數(shù)字化定義面進(jìn)行厚度補(bǔ)償，只有經(jīng)過(guò)厚度補(bǔ)償?shù)牟僮鞑拍艿玫秸_的結(jié)果。如果補(bǔ)償失誤會(huì)導(dǎo)致車身幾何尺寸超差，車身制造中把這種人為失誤導(dǎo)致的缺陷叫做人為尺寸缺陷。

2 車身沖壓件的厚度補(bǔ)償

2.1 厚度補(bǔ)償方向

厚度補(bǔ)償方向規(guī)定從數(shù)字化定義面指向非數(shù)字化定義面，并由設(shè)計(jì)師標(biāo)注在圖紙上，其標(biāo)注方式為坐標(biāo)標(biāo)識(shí)加正號(hào)或負(fù)號(hào)，外覆蓋件從外向內(nèi)補(bǔ)償，車身內(nèi)部件由內(nèi)向外補(bǔ)償。這種規(guī)定方便掃描模型制作數(shù)字化定義面。如：發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、頂蓋、行李箱外板標(biāo)記為Z-，前圍擋板為X+，尾門(mén)外板為X-。關(guān)于對(duì)稱件的厚度補(bǔ)償方向，規(guī)定被對(duì)稱側(cè)（鏡像件）與對(duì)稱側(cè)（鏡像件原型）厚度補(bǔ)償方向相反，即如果圖紙規(guī)定右側(cè)圍外板厚度補(bǔ)償方向?yàn)閅-，則鏡像件左側(cè)圍外板厚度補(bǔ)償方向應(yīng)為Y+。厚度補(bǔ)償?shù)恼?fù)值以汽車坐標(biāo)系方向?yàn)榛鶞?zhǔn)（圖1），且一旦確定了厚度補(bǔ)償方向也就確定了數(shù)字化定義表面，即厚度補(bǔ)償起點(diǎn)表面為零件數(shù)字化定義面。

圖1 汽車坐標(biāo)系

2.2 厚度補(bǔ)償?shù)囊?guī)則

沖壓鈑金件實(shí)體零件有2 個(gè)面，1 個(gè)是數(shù)字化定義面，另1 個(gè)是非數(shù)字化定義面。厚度補(bǔ)償與非數(shù)字化定義面有關(guān)，只有涉及到非數(shù)字化定義面的測(cè)量或加工才會(huì)做厚度補(bǔ)償。厚度補(bǔ)償視具體情況分為正、零、負(fù)3 種補(bǔ)償狀態(tài)[1]。

2.2.1 厚度補(bǔ)償為正補(bǔ)償

以頂蓋3D 測(cè)量為例，當(dāng)被測(cè)零件表面是頂蓋內(nèi)表面非數(shù)字化定義面時(shí)，規(guī)定測(cè)頭測(cè)量的前進(jìn)方向與數(shù)字化定義方向相反為正補(bǔ)償（圖2）。例如設(shè)頂蓋理論厚度1 mm，頂蓋測(cè)量點(diǎn)外表面坐標(biāo)值為Z1100（為簡(jiǎn)化敘述略去XY的坐標(biāo)值），則內(nèi)表面為Z1099，數(shù)字化定義方向?yàn)閆-，假設(shè)頂蓋厚度實(shí)際為1 mm，頂蓋面實(shí)際測(cè)量點(diǎn)比坐標(biāo)理論值低0.4 mm。測(cè)頭測(cè)量頂蓋內(nèi)表面，測(cè)得值為Z1098.6，如果沒(méi)有厚度補(bǔ)償，程序會(huì)用這個(gè)測(cè)量結(jié)果與理論值Z1100 比較，誤認(rèn)為頂蓋低1.4 mm，給出此測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)值比理論值低1.4 mm 的結(jié)論，實(shí)際頂蓋僅低了0.4 mm。有了厚度補(bǔ)償，測(cè)量的值雖然是Z1098.6，但軟件計(jì)算該點(diǎn)的值時(shí)會(huì)在數(shù)字化定義面與被測(cè)量面之間自動(dòng)加一個(gè)厚度1 mm（正補(bǔ)償），幫助測(cè)頭虛擬前進(jìn)1 mm 到數(shù)字化定義面，用這個(gè)補(bǔ)償后的測(cè)量值與Z1100 比較，從而認(rèn)為該數(shù)字化定義面的測(cè)量值是Z1099.6，確定頂蓋測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于理論值低0.4 mm。

圖2 頂蓋倒置測(cè)量

2.2.2 厚度補(bǔ)償為零補(bǔ)償

當(dāng)測(cè)頭直接測(cè)量頂蓋上表面數(shù)字化定義面時(shí)（圖3），不需要補(bǔ)償厚度。

圖3 頂蓋正置測(cè)量

2.2.3 厚度補(bǔ)償為負(fù)補(bǔ)償

同樣是零件非數(shù)字化定義面的測(cè)量（一般指測(cè)量定位塊而不是測(cè)量沖壓零件），規(guī)定測(cè)頭測(cè)量的前進(jìn)方向與數(shù)字化定義方向相同為負(fù)補(bǔ)償（圖4）。例如，設(shè)頂蓋厚度為1 mm，頂蓋測(cè)量點(diǎn)上表面坐標(biāo)值為Z1100，則下表面坐標(biāo)值為Z1099，假設(shè)定位塊比理論值低0.2 mm，測(cè)頭從上向下穿越數(shù)字化定義面（測(cè)定位塊時(shí)沒(méi)有頂蓋零件）測(cè)量頂蓋內(nèi)表面的定位塊時(shí)，得到Z1098.8，如果沒(méi)有厚度補(bǔ)償，程序會(huì)用測(cè)量結(jié)果與理論值Z1100 比較，誤認(rèn)為定位塊低1.2 mm，給出此測(cè)量點(diǎn)實(shí)測(cè)值比理論值低1.2 mm 的結(jié)論，實(shí)際定位塊僅低0.2 mm，有了厚度補(bǔ)償1 mm，實(shí)測(cè)值雖然是Z1098.8，但軟件計(jì)算該點(diǎn)的值時(shí)會(huì)在數(shù)字化定義面與被測(cè)量面之間自動(dòng)去除一個(gè)厚度1 mm（負(fù)補(bǔ)償），幫助測(cè)頭虛擬后退1 mm 到數(shù)字化定義面，從而認(rèn)為該數(shù)字化定義面的測(cè)量值是Z1099.8，用這個(gè)補(bǔ)償后的測(cè)量值與Z1100 比較，確定該定位塊表面僅比理論值低0.2 mm。

圖4 頂蓋正置測(cè)量

一般情況下，零件非數(shù)字化定義面的測(cè)量需要補(bǔ)償厚度，測(cè)量沖壓零件時(shí)需要做正補(bǔ)償，測(cè)量夾具、檢具定位塊時(shí)需要做負(fù)補(bǔ)償。

3 與厚度補(bǔ)償相關(guān)的車身幾何尺寸缺陷的分析及改進(jìn)

常見(jiàn)的導(dǎo)致沖壓件幾何尺寸缺陷的原因有模具磨損、材料回彈、運(yùn)輸磕碰變形，此外，還存在因厚度補(bǔ)償失誤導(dǎo)致的幾何尺寸缺陷，它是人為尺寸缺陷。通過(guò)分析3D 測(cè)量報(bào)告能夠發(fā)現(xiàn)這些缺陷與常見(jiàn)的沖壓件幾何尺寸缺陷之間的不同，其缺陷符合厚度補(bǔ)償失誤而出現(xiàn)的以厚度倍數(shù)為誤差的特征。

用數(shù)字化定義進(jìn)行3D 測(cè)量的對(duì)象分為2 類，一類是汽車零件，即覆蓋件、內(nèi)板件、骨架件等，另一類是夾具、檢具、樣架、檢驗(yàn)樣架等工裝。

厚度補(bǔ)償分為3 種狀情況：沖壓件測(cè)量補(bǔ)償、車身工裝測(cè)量補(bǔ)償、CNC 加工補(bǔ)償。

a.沖壓件的測(cè)量：對(duì)于數(shù)字化定義面是零補(bǔ)償，非數(shù)字化定義面是正補(bǔ)償；

b.工裝測(cè)量：如果數(shù)字化定義面與定位面重合是零補(bǔ)償，如果定位面是非數(shù)字化定義面則是負(fù)補(bǔ)償；

c.車身工裝加工：如果加工面是數(shù)字化定義面不需要補(bǔ)償，如果是非數(shù)字化定義面就需要補(bǔ)償厚度，由數(shù)控加工編程員沿厚度補(bǔ)償方向（一般為進(jìn)刀方向）增加一個(gè)厚度。要注意鏡像件厚度補(bǔ)償?shù)姆较蚺c鏡像原型相反，CNC 編程員要牢記左右對(duì)稱件存在補(bǔ)償方向相反的這一特性。

下面舉2 個(gè)運(yùn)用厚度補(bǔ)償知識(shí)分析測(cè)量報(bào)告并根據(jù)異常數(shù)據(jù)找到缺陷源頭的例子。

3.1 測(cè)量基準(zhǔn)的錯(cuò)誤補(bǔ)償導(dǎo)致人為尺寸超差

某車型車身焊接總成3D 測(cè)量報(bào)告顯示，車身后部部分Z向尺寸普遍偏低，側(cè)圍、頂蓋后部Z向?qū)崪y(cè)值與理論值相比均偏低約1.5 mm，分析是地板后部相對(duì)于側(cè)圍、頂蓋升高1.5 mm 所致。

地板后橫梁（槽型件）既是測(cè)量基準(zhǔn)也是定位基準(zhǔn)（圖5），從車身測(cè)量基準(zhǔn)可知，當(dāng)2 個(gè)測(cè)量基準(zhǔn)Z3、Z4 偏高則會(huì)導(dǎo)致上述側(cè)圍后部整體Z向偏低。經(jīng)查后橫梁的厚度補(bǔ)償方向設(shè)計(jì)為Z+，即槽型件底面的下表面是數(shù)字化定義面，定義值為Z=273 mm，厚度1.5 mm，后橫梁上表面為Z=274.5 mm，地板后橫梁左右定位塊Z向設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)為Z=273 mm，但定位塊的定位面實(shí)際尺寸為Z=274.5 mm，即定位塊比正確位置高一個(gè)厚度。原因是數(shù)控加工定位塊定位面時(shí)編程員沒(méi)有仔細(xì)分析是否需要進(jìn)行厚度補(bǔ)償，看圖紙Z+就盲目增加厚度補(bǔ)償1.5 mm，實(shí)際應(yīng)該是0 補(bǔ)償，因此地板后部被向上抬高了1.5 mm。改進(jìn)措施：將定位塊銑去1.5 mm，地板恢復(fù)正確位置，車身測(cè)量結(jié)果顯示消除側(cè)圍、頂蓋后部Z向值偏低1.5 mm 的缺陷。如果僅僅根據(jù)3D 測(cè)量報(bào)告去逐點(diǎn)整改超差點(diǎn)，將會(huì)誤入歧途并導(dǎo)致更大的錯(cuò)誤。

圖5 車身地板測(cè)量基準(zhǔn)

3.2 側(cè)圍鎖扣加強(qiáng)板相對(duì)于側(cè)圍外板錯(cuò)孔

某車型投產(chǎn)后左側(cè)圍鎖扣加強(qiáng)板緊固螺釘孔與側(cè)圍外板裝配孔發(fā)生錯(cuò)位（圖6），外板堵住加強(qiáng)板鎖扣螺母孔，導(dǎo)致螺釘無(wú)法穿孔裝配鎖扣。右側(cè)圍沒(méi)有堵孔，僅左側(cè)圍有該缺陷。沖壓、檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)、焊裝等部門(mén)經(jīng)過(guò)自查均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致零件超差的問(wèn)題，但合裝后的每臺(tái)側(cè)圍總成均有堵孔缺陷，需要返修才能裝配鎖扣。

圖6 左右側(cè)圍門(mén)柱水平剖面示意

首先從“人機(jī)料法環(huán)”5 方面入手分析缺陷成因：人，操作規(guī)范，遵守工藝規(guī)程；機(jī)，模具、夾具、檢具均合格并附有檢測(cè)報(bào)告；料，材料檢驗(yàn)合格，零件幾何尺寸檢查合格；法，工藝成熟，右側(cè)沒(méi)有堵孔缺陷，僅左側(cè)有堵孔缺陷，若工藝有問(wèn)題右側(cè)也應(yīng)堵孔；環(huán)，環(huán)境正常，未見(jiàn)導(dǎo)致堵孔缺陷的因素。

上述5 項(xiàng)常規(guī)檢查并未找到堵孔要因，導(dǎo)致長(zhǎng)期存在堵孔缺陷。

采用排除法再次分析左側(cè)堵孔缺陷：人的因素可以排除，因?yàn)橛覀?cè)沒(méi)有該缺陷；機(jī)的因素不能排除，因?yàn)樽髠?cè)工裝是按右側(cè)拷貝的，不排除拷貝失真；料的因素不能排除，因?yàn)樽髠?cè)零件是按右側(cè)拷貝的，不排除拷貝失真；法的因素可以排除，因?yàn)橛覀?cè)沒(méi)有該缺陷；環(huán)的因素可以排除，因?yàn)橛覀?cè)沒(méi)有該缺陷。

再次分析“機(jī)與料”的因素，在右側(cè)沒(méi)有缺陷的情況下，只有“機(jī)”錯(cuò)了才會(huì)有“料”的錯(cuò)誤，因此排除“料”的因素，只剩下“機(jī)”的因素。夾具，不存在問(wèn)題，因?yàn)? 個(gè)零件自然狀態(tài)下貼合就錯(cuò)孔；檢具，鎖扣加強(qiáng)板是進(jìn)口檢具，有檢驗(yàn)合格報(bào)告，但國(guó)內(nèi)未復(fù)測(cè)驗(yàn)證。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，左側(cè)圍外板3D 測(cè)量鎖扣孔的位置正確，排除左側(cè)圍外板零件問(wèn)題。左鎖扣加強(qiáng)板在檢具上檢查孔位合格，但加強(qiáng)板與側(cè)圍外板配合時(shí)兩者錯(cuò)孔，判斷加強(qiáng)板孔位符合檢具但不符合理論值，推測(cè)檢具相應(yīng)孔位也不符合理論值，即不合格的檢具生產(chǎn)出符合檢具要求的零件，這個(gè)實(shí)際不合格的零件被貼上合格標(biāo)簽裝在側(cè)圍外板上最終導(dǎo)致錯(cuò)孔。

從以上分析得出結(jié)論：需要復(fù)測(cè)加強(qiáng)板檢具。

經(jīng)過(guò)對(duì)加強(qiáng)板檢具的3D 測(cè)量，發(fā)現(xiàn)檢具上與側(cè)圍板內(nèi)側(cè)Y向貼合的加強(qiáng)板貼合面到鎖扣螺母孔的距離偏大1.3 mm。造成1.3 mm 誤差的原因是加工檢具定位塊的定位面時(shí)（即與左側(cè)圍外板內(nèi)側(cè)Y向的貼合面）做了錯(cuò)誤的厚度補(bǔ)償。右側(cè)圍外板數(shù)字化定義厚度補(bǔ)償方向?yàn)閅-，左側(cè)圍外板鏡像右側(cè)數(shù)字化定義，其厚度補(bǔ)償方向應(yīng)是Y+，即向左補(bǔ)償厚度，但CNC 編程員沿用右側(cè)圍外板圖紙的Y-厚度補(bǔ)償方向，對(duì)左加強(qiáng)板檢具定位面也按Y-的方向向右做了錯(cuò)誤的厚度補(bǔ)償，側(cè)圍外板厚度0.65 mm，反方向向左補(bǔ)償厚度會(huì)導(dǎo)致加強(qiáng)板貼合面產(chǎn)生2 倍厚度的誤差，即1.3 mm，所以錯(cuò)孔1.3 mm。至此，找到堵孔原因，更改檢具，生產(chǎn)真正合格的加強(qiáng)板，消除了堵孔缺陷。

4 結(jié)論

為避免沖壓件厚度補(bǔ)償中出現(xiàn)人為尺寸缺陷，在輸入厚度補(bǔ)償值之前，操作人員要按下列注意事項(xiàng)檢查厚度補(bǔ)償?shù)恼_性。

a.判斷作業(yè)對(duì)象是數(shù)字化定義面還是非數(shù)字化定義面，厚度補(bǔ)償僅涉及非數(shù)字化定義面，不得對(duì)數(shù)字化定義面做厚度補(bǔ)償；

b.厚度補(bǔ)償方向規(guī)定從數(shù)字化定義面指向非數(shù)字化定義面，數(shù)字化定義面是厚度補(bǔ)償方向的起點(diǎn)，厚度補(bǔ)償方向確定后，再根據(jù)汽車坐標(biāo)系的方向來(lái)確定正負(fù)號(hào)，與坐標(biāo)系正方向相同規(guī)定為“+”，與坐標(biāo)系負(fù)方向相同規(guī)定為“-”；

c.沖壓件非數(shù)字化定義面的測(cè)量或加工需要做厚度補(bǔ)償：測(cè)量零件時(shí)用正補(bǔ)償，測(cè)量定位塊時(shí)用負(fù)補(bǔ)償，CNC 加工定位塊時(shí)根據(jù)厚度補(bǔ)償方向增加一個(gè)厚度值；

d.鏡像零件的厚度補(bǔ)償方向與鏡像原型的厚度補(bǔ)償方向相反，鏡像件不得套用鏡像原型的厚度補(bǔ)償方向；

e.分析測(cè)量報(bào)告時(shí)，如果測(cè)量報(bào)告顯示一批測(cè)量點(diǎn)向同一方向偏移同一數(shù)值，要考慮到厚度補(bǔ)償失誤引發(fā)的測(cè)量基準(zhǔn)的偏移。