车身制造尺寸质量的控制方法

2013-06-26叶德昭

装备制造技术 2013年6期

叶德昭

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

车身是汽车的重要组成部分，是整个汽车零部件的基本载体，其重量和制造成本约占整车的40%~60%。典型车身通常由300~500多个有复杂空间曲面的薄板冲压零件在55~100个装配站的生产线上大批量、快节奏的焊接而成，装夹、定位点达到1 700~2 500个，焊点多达3 000~5 000个[1]。车身的制造具有较复杂的工艺流程，中间环节众多，车身的质量控制是整车质量控制的重点，同时也是整车质量的基石，反映了汽车企业的整体制造水平及能力，国内外的生产厂家都在努力提高车身制造技术水平，只有这样才能使自己的产品在市场上有较强的竞争力。

车身质量的控制很大程度上反映在对车身尺寸的控制。车身尺寸控制的好坏不仅能反映在整车外观及装配性的优劣，影响到顾客对产品的评价及汽车产品的市场前景，而且车身尺寸偏差还与整车性能息息相关，影响到产品的密封、噪音、寿命、动力性等性能。根据1997年J.D.Power全世界汽车产品质量关键问题调查评估（Initial Quality Survey）的报告显示：有41%的汽车产品质量问题由车身制造尺寸偏差所造成。因此，对车身制造尺寸偏差的研究及控制尤为重要。

1 车身制造尺寸偏差的影响因素分析及控制措施

从车身制造工艺角度出发，车身尺寸偏差主要源于以下几个方面（如图1中所示）：冲压件/零部件尺寸偏差、焊接夹具定位不稳定、焊接变形及操作影响[2~3]。正是这些因素的变化波动引起的车身尺寸的波动，每项因素都会不可避免的存在波动，所以车身尺寸的偏差是不可避免的。要提高车身制造尺寸质量，必须要对上面4个方面的因素进行分析及采取控制措施。

图1 车身制造尺寸偏差影响因素

1.1 冲压件尺寸偏差[4]

车身是由成百上千的冲压件互相连接、组焊形成的，在各件之间都会有贴合面或焊接面，这些面被称为搭接面，工件的尺寸精度通过这些搭接面传递形成车身的尺寸精度。假设夹具定位、夹紧的数量充足、位置布置在合理且精确的情况下，在某一工序中的冲压件尺寸发生了偏差，导致在装配时工件搭接面之间间隙或干涉，过渡不协调，在夹具上用较大的压紧力强行把工件搭接在一起，使其可以点焊，但由于夹具的压紧力使工件之间产生了强制变形，必然会造成装焊误差，影响车身尺寸的精度及稳定性。因此，必须采用以下方法和途径提高冲压件尺寸的精度和稳定性。

（1）产品结构的控制。产品结构控制需从以下几点着手：

一是，简化产品结构，降低冲压工艺难度，提高工件的成型性和稳定性。

二是，采用整体冲压工艺，如“整体门框”、“整体侧围”等，减少车身的相关尺寸。

三是，为工件定位设置专用的定位孔和定位面，提高工件在夹具定位时的重复定位的精度。

四是，为工件增加拉伸筋，用于收料和提高工件的强度，提高工件在大批量生产时的一致性。

（2）模具的保证。模具的精度要高，模具的材质必须为耐磨的，保证模具在大批量生产时的耐用性和制件稳定性；在批量生产时要定期进行模具维护，并且在模具维护后进行冲压件的检测，以保证冲压件的一致性。

（3）冲压机床的保证。各模具在制件时，尽量使用相同的机床；其模具在冲压机床中的摆放位置、摆放的方向尽量一致，以使模具的平行度尽量一致。

（4）板材。钢板在使用前，应先检测其性能，根据不同的性能用于不同的工件。

1.2 焊接夹具

焊接夹具在车身生产中的作用是：通过夹具上的定位销、基准面、夹紧臂等组件的协调作用，将工件（冲压件或总成件）安装到工艺设定的位置上并夹紧，不让工件活动位移，保证车身焊接尺寸精度的一致性和稳定性。夹具定位不可靠、夹具磨损、定位松动、夹紧失效等问题必定会造成工件焊接位置偏差，而导致分总成尺寸偏差，影响到车身总成的尺寸偏差。美国2 mm工程报告指出，有75%的制造缺陷和夹具失效有关。因此，必须从焊接夹具设计、制造精度、调整、使用和维护等几方面进行控制。

（1）夹具设计。夹具设计从以下几个方面考虑：

一是，汽车焊接夹具的设计中，方式定位采用“N-2-1”定位原理（N一般选取4~6）。其中，定位孔设计要求：在同一序加工，定位孔间距取制件最大全长的2/3以上，最少要确保1/2以上。定位面设计要求：使用平面，不使用曲面及二次成形部位。

二是，焊接夹具设计定位基准统一，要求焊接夹具设计基准与车身设计基准、冲压基准、检测基准的统一；焊接夹具设计基准在分总成、总成、车身焊接总成的各总成之间保持前后统一。

三是，夹具设计时要求夹具定位结构规范化，便于调试及维护。

（2）夹具制造精度。除了对定位元件的加工误差进行合理控制外，还必须对夹具的装配基准和测量基准的加工误差进行合理控制。

（3）夹具调整。对夹具调整一定要慎重，夹具调整前要分析是否会造成其他影响，调整时要进行试验，验证合格后方能进行调整，调整后要时下工序做好跟踪验证，如出现其他问题时需要马上恢复夹具，夹具调整需要做好更改及验证记录。原则上，如果零件尺寸有问题，不能对夹具进行调整，而是先对零件进行整改，然后再整改焊接夹具。如果由于零件修整周期过长或者返修成本过大时，只要零件状态保持稳定，可以对夹具进行适当的调整，也仅仅是应急，在零件合格后还要还原。

（4）夹具使用和维护。操作者要按照标准化操作正确使用夹具，定期对夹具进行点检和维护；定期使用检测设备对夹具进行测量，以确定夹具是否需要维修和精度恢复。

1.3 焊接变形

焊接变形引起的焊装误差一般比较难于定量计算。焊接变形量的确定应通过理论分析与实际测量相结合，对不同的部位、不同的焊接方法、焊接规范和不同的焊接顺序等都要具体分析。因此，必须从以下几方面控制焊接变形量。

一是，汽车车身焊装所采用的焊接方法以电阻点焊为主，其次是CO2保护焊。对于有些板厚相差较大的接头处和角接、对接及强度和密封要求较高的连接处，一般都采用CO2保护焊来进行焊接或补充焊接。

二是，采用先进焊接设备，如机械手、自动焊、引出焊等，这些设备不仅能使车身焊接时焊点均匀，点焊顺序稳定，而且能提高焊接速度，最大限度减少车身焊接变形量。

（2）焊接工艺。在定位夹具夹紧的状态下设定定位焊点，在补焊台实现补焊。这要求在工艺文件上对焊点位置、数量、间距和点焊顺序都应明确规定，并且要求操作者严格执行。

（3）焊接规范。汽车点焊采用强规范，即用大电流和短时间焊接，使薄板件的焊接变形较小。合理设置焊接参数，调试焊接压紧力，减少焊接变形。

1.4 零部件尺寸及操作影响

（1）零部件尺寸

零部件尺寸不合格会造成焊接误差，从而影响车身尺寸偏差，所谓零件尺寸不合格是指零件实物尺寸和产品设计图纸不一致。在整车所包含的零部件中，有很多是由不同的供应商提供的，因存在技术水平上的差异，提供的零部件质量也存在一定的差异，这些差异在整车制造过程中产生累积误差，影响车身尺寸精度及整车品质。因此，必须要严格控制零部件尺寸精度，所有焊接零件必须检验合格才能投入使用，特别是车身上一些主要的装配孔、工艺孔的位置尺寸和搭接面尺寸是必须控制的。

3）很多施工单位没有对施工设备的升级工作引起重视。要对设备进行提升，首先要对施工设备做好升级优化工作，尽量减少机械设备的损坏。一旦设备被闲置，会产生折旧费，施工成本会随之增加，进而影响工程的总成本。另外，如果设备出现问题后没有得到及时的解决，会增加等待时间，从而增加人力和物力消耗。因此，施工单位要具有一定的配件储备量。

（2）物流包装影响

零部件不同的包装方式及运输方式会对零部件尺寸和变形产生不同的影响，而零部件定位孔、搭接边变形会影响车身尺寸偏差。因此，必须改善各供应商的零部件包装及物流方式，将物流过程中的零部件状态变化纳入质量管理范畴，防止运输过程中零部件之间的碰撞变形。

（3）操作影响

操作的影响既包括零部件在生产过程中在夹具间的传递，也包括人工操作悬挂式电阻点焊机的方法。因此，必须正确评估分总成的转运工具和吊装工具对尺寸和变形的影响。操作者要严格按照操作规范来操作，操作过程中保证焊钳与工件垂直，减少操作不规范、不正确带来的随机的制造误差。

2 车身尺寸质量的评价方法

要提高车身的制造质量水平就必须对目前制造过程中存在的质量问题进行诊断与改进。质量的准确评价是质量改进的重要前提和有力保证，因为其明确了后续质量改进的方向。另外，质量的评价结果又是人们判断产品质量水平的有力依据，根据产品质量的评价结果，对生产工艺进行必要的调整以满足人们对产品质量水平的期望。目前常用的方法有6sigma、工序能力指数Cp/Cpk、质量持续改进指数CII、合格率、Audit打分等[5~6]。下面简单介绍常用的这些评价方法。

2.1 6sigma

实践已经证明，车身尺寸的检测数据基本服从具有自身特征值的正态分布N（μ，σ2）；理想状态下，车身尺寸的检测数据都在其理论设计值附近做随机波动。对于正态分布，不论μ与σ取值为何，产品质量特性值落在[μ-3σ，μ+3σ]范围内的概率为99.73%，见图2。产品质量特性值落在[μ-3σ，μ+3σ]范围外概率仅为0.27%。基于正态分布的这一特性，常用6σ作为产品质量特性的一个重要评价指标，根据6σ的大小，可以对产品的质量特性做出评价，如果6σ值较大，说明产品的质量特性的稳定性较差，质量波动大；如果6σ较小，说明产品的质量特性的稳定性较好，质量波动小。

图2 正态分布图

6σ的计算公式如式（1）所示：

其中，xi为车身制造尺寸在某一段时间内的检测

在车身制造尺寸质量评价中，6σ是车身尺寸质量（尺寸波动水平）的重要指标。车身制造尺寸波动对后续的车身及总装装配有重要的影响。生产车间的尺寸工程师可以根据6σ值对车身尺寸波动较大的部位进行合理有效的调整与控制，避免后续的车身装配和总装受到影响。

2.2 工序能力指数Cp/Cpk

工序能力是指生产处于稳定状态下能生产出符合产品质量的能力。它的测定一般是在批量生产条件下进行的，测量的结果主要反映产品质量是否稳定、产品质量精度是否满足设计要求。当确定工序能力可以满足精度要求的条件下，工序能力是以该工序产品质量特性值的变异或波动来表示的。实践表明，工序能力越高，产品质量特征值的波动就越小，工序能力越低，产品质量特征值的波动就越大。因此可用产品质量特征值波动的大小来描述工序能力的高低。工序能力指数Cp的计算公式如式（2）所示：

式中，

T为产品质量特性值的质量要求（即公差范围）；

TU上公差界限；

TL下公差界限；

σ为质量特性值总体分布的标准偏差；

S为质量特性值样本分布的标准偏差；

Cp为质量特性值的工序能力指数；

B工序能力。

但实际质量数据分布中心与公差中心并不一定总是重合的，在质量数据分布中心与公差中心不一致时，需要进行修正计算，修正后的工序能力指数的计算公式如式（3）所示：

工序能力指数的判断标准如表1所示。

表1 工序能力指数判断标准

2.3 质量持续改进指数CII[7]

CII（Continuous Improvement Index），持续质量改进指数，它是指反映车身制造尺寸稳定性的指数，其基本思想还是6sigma的评价思想。其定义为：假设车身上布置有m个关键测量点P1、P2、……Pm，在一段时间内每一个检测点被检测n次，得到n组CMM检测数据，求出每一个检测点在x、y、z三个不同方向的波动水平6σ值，然后对3m个（每个检测点一般有x、y、z三个检测方向）6σ值进行非递减排序，得到一组新的系列6σ1'≤6σ2'≤…≤6σ3m'，求出6σ系列的长度3m与0.95乘积的舍入整数M，那么6σM'即为所求的CII值。CII指数简单明了的指出了质量改进的方向：波动较大的部位，有待改进的部位。

当确定某一段时间内车身的CII值后，便可判定大于或等于CII值的6σ所对应的车身尺寸所在部位的制造质量不稳定，并将这些部位圈定为下一阶段改进制造质量工作的优先区域。待下一阶段制造质量稳定工作结束后，再次计算车身的CII值，圈定新的制造质量不稳定的区域，进一步针对这些制造质量不稳定区域开展制造质量稳定工作。通过“检测—改善—再检测—再改善”的不断循环，使得车身尺寸的6σ值逐渐得到降低，达到车身制造质量的稳定性不断加强的目的。

CII分析的主要目的是发现车身制造质量的不稳定区域，进行阶段性地改进，在一个质量稳定工作周期内优先解决主要问题。该方法以车身制造尺寸中6σ最大的5%作为解决的目标，目的就是使主要的制造质量波动问题更加突出，并得到最先解决。

2.4 尺寸合格率

这种评价方法是白车身上测点尺寸偏差在公差带范围内的合格率。计算方法是以各点测量数据与设计数模上该点的标准值和公差带进行比较，如果差值落在公差范围内，则该测点合格，否则为不合格。一台白车身上所有测点中合格点数与测点总数的比值即为合格率。在这里可以指一台车的合格率，也可以是指某个测点在一段时间内的合格率。对于某个测点不合格，也就是某测点超差通常有三种可能：第一，尺寸的波动造成频繁超差，第二，尺寸的均值漂移造成在某一方向的一致性超差，第三，尺寸兼有大幅的波动和均值的漂移而超差。因此合格率是一个总体的评价，可以作为质量的一个即时监控，即时报警。

该方法根据白车身上测点尺寸偏差波动情况在一定程度上衡量了一台白车身的质量状况。合格率越高说明车身制造的准确性越高，反之，合格率越低车身制造的准确性越差。

2.5 AUDIT打分

Audit打分不以实际车身制造尺寸的检测数据为基础，是各大汽车企业常采用的质量管理及质量评价方法。不同企业可能采用不同的评分标准对车身制造质量进行检验，发现缺陷，进行预防和改进，对于有严重缺陷的产品，甚至要进行返工操作。通过这种方式，可以有效对车身的制造质量进行监控，进而稳定控制车身的整体制造质量。下面将以国内某型汽车为例，对Audit打分进行简单介绍。

根据检验标准，由专门的工作人员抽取一台白车身通过目视、触摸、测量等方式对车身表面配合、外观及性能状况等方面的缺陷进行定量扣分。在打分之前先把白车身分为4个区域，同时把对缺陷按其严重程度进行分A、B、C和D类，每类缺陷都对应有一个分值和它相对应。由于车身被分成四个不同区域，同一类缺陷在不同的区域其划分等级是不同的，根据每种缺陷所对应的扣分数计算总的缺陷扣分大小。

3 车身尺寸偏差的分析与处理

通过车身尺寸质量评价指标的反馈，对发现的问题要及时分析原因和采取纠正预防措施以保证车身装配质量。在实际生产中改进尺寸偏差影响一般有2种情况：一是把测量点维护在监控范围内以避免质量的持续降低，如工序能力指数、CII指标、合格率指标的维护；二是根据整车所反映出来的质量问题来确定是否纠正或改进偏差，如AUDIT指标的改进。目前，尺寸维护工作更加强调前者预防为主的思想，以消除潜在的质量隐患。如何从3D检测的数据中快速找出现场的变化和异常，继而加以调整，使得车身所有的孔、边与面能不影响装配，符合产品质量标准，满足顾客需求，对车身尺寸工程师来说是十分重要的，下面简单介绍尺寸偏差的分析方法及处理流程。

3.1 尺寸分析的系统方法

尺寸问题的分析不仅需要理论知识还需要与实践经验相结合，设计前期按照功能分解建立了尺寸链环与实际生产中测量数据的相关性分析相结合，可以迅速查找影响尺寸波动的链环。观察这些不同区域的测点波动之间是否存在一定的数据关联性，相关性强的测点的波动往往是由同一个原因引起的。如图3所示，某微型车前大灯安装孔03-06、03-07、03-08的X向、Y向数据波动，不仅需要关注供应商前侧板大灯安装支架焊接位置偏差情况，还需要在焊装车间查找焊装问题；不仅需要查找下车体拼焊前侧板定位工装问题，还需要查找车架定位工装问题，分析车架与前侧板相对位置。这种系统的尺寸分析方法对偏差的分析和改进是十分重要的。

图3 某微型车前大灯安装点

国内某一汽车企业与某高校开发了一种数据分析软件——尺寸数据分析与诊断系统，该软件可以

实现测量数据的快速比较和分析，分别有测点偏差趋势图与波动分析图、相关性分析图、CII统计、合格率统计、突变点分析、过程能力分析、原始数据浏览等，如下图4所示为相关性分析图，这样可以加快偏差的分析速度。

图4 白车身三坐标测点相关性分析

3.2 尺寸问题的处理流程

当通过上述尺寸质量评价指标发现尺寸质量问题后（低于控制目标，出现连续下降趋势或单台合格率下降超过5%），根据车间尺寸控制流程开展工作，见下图5所示。通常由车间尺寸工程师根据每日或每周的CMM数据进行评价分析，并出具检测点超差的分析报告。在分析过程中，对两种典型的超差原因，即均值漂移与波动过大进行了区分，对于波动大造成超差的情况，纳入2 mm工程进行波动控制，出具2 mm工程报告，召开定期会议，对此进行分析跟踪；对于均值的漂移，进行相应的故障查询，由工装工程师对工装进行调整，并进行调整后的数据跟踪及效果评估。根据总装匹配的原则，其中极少数长期稳定的均值漂移对后续装配没有影响，可进行名义值的经验修正；对于既有波动又有均值漂移的现象，则采取先控制波动，再进行均值控制原则进行处理。

问题解决的过程要遵守PDCA（Plan,Do,Check,Action）循环，当实施改进措施后要注意跟踪改进后的数据是否达到效果，并及时总结反馈以持续改进。

3.3 强化全面质量管理

全面质量管理，即Total Quality Management（简称TQM），菲根堡姆对TQM的定义为：“为了能够在最经济的水平上，并考虑到充分满足顾客要求的条件下进行市场研究、设计、制造和售后服务，把企业内各部门的研制质量，维持质量和提高质量的活动构成为一体的一种有效的体系”[8~9]。其基本内容概括起来就是“四个全面”（即全面的质量管理，全过程的管理，全员参与质量管理，全面综合管理）和“四个一切”（即一切为用户，一切以预防为主，一切依据事实与数据，一切按规范办事）。TQM是一种思想观念，一套方法、手段和技巧，通过全体员工的参与、改进流程、产品、服务和公司文化，达到在百分之百时间内生产百分之百的合格产品，以满足顾客需求。全面质量管理工作的一个重要特征是从根源处控制质量。

车身尺寸质量受到人、机、料、法、环等因素变化的影响，是一个动态变化过程，它必须依靠全体员工的一致努力，按照质量指标及质量要求开展相关工作：从设计阶段到生产阶段，从零部件供应商到整车厂的四大车间，从零件单品品质到车身零件配合精度，从各工序的过程控制到总成件的综合分析，从尺寸维护到尺寸改进，需要全员参与才能达到提高车身尺寸精度的目的。