汽車檢具輕量化應用探討

溫培康

摘 要：本文從檢具常用典型結構材料對比分析，得出不同使用條件和需求下，如何選擇檢具材料來實現檢具輕量化;并且從檢具檢測型塊、支撐柱和底座這三大塊著手，通過結構設計優化分析，從而實現檢具輕量化。最后，結合現實情況，總結出檢具輕量化應用的建議方案。

關鍵詞：檢具;輕量化;材料;結構優化

1 引言

目前，中國汽車產銷量已經連續十年蟬聯全球第一，屬于全球汽車產銷大國。國內家庭基本都擁有一輛或以上汽車，連農村的小巷都停滿汽車。隨著居民生活質量的提高，對于汽車，除了作為交通工具，品質也有更高的要求。在汽車開發和生產中，汽車檢具就是一種高效的品質管控專用工具。汽車由成千上萬個零件組成，分別由汽車廠和零部件供應商組成的產業鏈生產，開發和生產過程中必然會出現品質問題。當出現品質問題，檢具就是一種很好的品質判斷標準，以幫助問題的分析。這可能會導致零部件供應商需要把檢具運輸到汽車廠檢證。檢具也需要定期到三坐標測量儀復測精度。產品開發初期，需要把產品裝到檢具，搬到三坐標測量儀進行全尺寸測量。這些都會導致檢具在汽車廠或者零部件供應商內部移動，搬運。故品質人員非常關注檢具的重量，要求輕量化，搬運便利性。本文針對檢具輕量化需求和發展趨勢，從檢具材料和結構工藝兩方面進行探討分析。

2 檢具基本介紹

檢具是用以檢查復雜形狀零件的孔位、外周形狀、段差、出入量等尺寸的專用治具。汽車檢具按照被檢測零件材質主要分為金屬件檢具和塑料件檢具。檢具按照結構主要分為夾緊機構、定位銷、檢測銷、檢測型塊、底座、滑動或者翻轉式檢測機構、手持檢規、校準機構以及支撐柱。檢具底座主要有框架式底座和板式底座兩種。圖1為簡單檢具的示意圖。

3 檢具材料輕量化

傳統檢具一般使用45號鋼作為主要材質，雖然其強度高，耐用，但是伴隨而來就是笨重，移動性差。隨著輕量化概念的普及和輕量化技術的不斷進步，許多新型材料被研發并投入到檢具制造中，例如，鋁合金、合成樹脂、電木和碳纖維等。表1列出了檢具常用典型結構材料的密度和強度。從表中的材料密度可以看出，新型材料比結構鋼的密度低很多，能實現檢具的輕量化。

從檢具的結構分類看，檢測型塊、支撐柱和底座占據檢具的大部分重量，故檢具輕量化主要從這三塊著手。檢測型塊只是檢測產品的尺寸，產品在檢具上裝夾好時，產品和檢測型塊是有間隙的（通常為3mm間隙），而且檢測型塊不需要承受其他零件的重量，所以檢測型塊強度要求不高，不需要做得太大。但是產品在檢具裝拆過程中可能會碰到檢測型塊，故針對不同類型產品和工廠環境條件，檢測型塊強度和硬度要求不一樣，主要有以下兩種情況：第一，對于金屬類產品，工廠環境較差，產品在裝拆過程中容易碰到檢具，建議檢測型塊選擇結構鋼，保證強度和耐磨性。如果有輕量化要求，工廠環境條件較好的，檢測型塊可以選擇鋁合金減重。如果對檢測型塊耐磨性有要求，鋁合金可以做陽極硬化處理。如果對輕量化要求很高，工廠配有專門的檢具測量房，可以選擇代木材料。常用代木材料牌號有460和5166，460代木比較輕，硬度不高，適合臨時檢具使用;量產正式檢具建議選擇密度較高，硬度較高的5166代木。第二，對于塑料類產品，由于其本身較軟，檢測型塊可以選擇鋁合金或者代木來實現輕量化。同理，工廠環境較差，建議檢測型塊選擇鋁合金;如果輕量化要求較高，工廠環境條件較好的，檢測型塊可以選擇代木進一步減重。

支撐柱主要在定位塊、檢測型塊、夾緊等機構和底板之間起連接作用。支撐柱需要承受其上面連接的定位塊、檢測型塊和夾緊等機構的重量，故對支撐柱強度有一定的要求，需要保證有足夠的強度。如果支撐柱上面的機構較大和較重，那么建議支撐柱選擇結構鋼材料。一般情況下，支撐柱可以選擇鋁合金來減重。

檢具底座是要支撐檢具上所有零件和產品，并且要保證自重下，底板四個角的測量基準的平面度在0.1mm，故對底座的強度有非常高的要求，需要保證足夠的抗拉強度和抗彎強度。底座一般選擇結構鋼、鋁合金、電木和碳纖維這4種強度較高的材料。第一種情況，檢具檢測型塊材質為結構鋼，支撐柱材質為鋼材或者鋁合金時，底座需要承受的重量是很大的，這時檢具底座必須選擇結構鋼。第二種情況，檢具檢測型塊和支撐柱材質均為鋁合金時，底座需要承受的重量不是很大，可以選擇鋁合金材料來進行減重。第三種情況，檢具檢測型塊和支撐柱直接使用代木時，底座承受的重量較輕，可以選擇鋁合金材料。如果檢具為臨時檢具，對輕量化有較高要求，底座可以使用電木材料。第四種情況，對檢具輕量化有極致的要求，可以選擇強度高和密度小的碳纖維材料做框架底座，檢測型塊選用代木材料，通過糊狀樹脂將檢測型塊粘接在碳纖維框架底座上。例如，汽車前風窗框檢具有使用碳纖維材料做成的框架底座，通過糊狀樹脂粘接代木，機加工后成為檢測型塊和支撐座，支撐座可以安裝定位塊等機構。這種方法制作成的汽車前風窗框檢具具有極致的輕量化，并且強度很高，能保證檢具的高精度。碳纖維制作的檢具輕量化固然一流，但是成本也水漲船高。如果對輕量化有一定要求，又要考慮成本，我建議金屬類產品檢具的檢測型塊、支撐柱和底座均選擇鋁合金材料;而塑料類產品檢具的檢測型塊和支撐柱均選擇代木材料，底座選擇鋁合金材料。

4 檢具結構輕量化

檢具除了使用輕量化材料減重外，還可以通過結構優化減重。由于檢測型塊、支撐柱和底座占據檢具的大部分重量，結構優化將從這三大塊進行分析。第一，檢測型塊只是用做測量產品的尺寸參考，主要能承受自身重量即可，故設計上盡量做小。某些情況，檢測型塊直接和底板連接，不需要支撐柱，這時檢測型塊會比較大，可以在檢測型塊中間掏空，如圖2所示。第二，支撐柱需要支撐定位塊、檢測型塊和夾緊等機構的重量，故需要保證自身強度。一個支撐柱支撐的零件較多或者較大時，支撐柱的體積就會很大，如果做成實心的，會非常重。這里介紹兩種結構優化方法：（1）支撐柱用平板焊接而成，在平板搭接處焊接加強筋，保證支撐柱的剛性和強度，如圖3所示; （2）對于用一體支撐柱，體積較大時，可以從支撐柱底部鉆孔減重，如圖4所示。第三，檢具底座是要支撐檢具上所有零件和產品，對底座的強度有非常高的要求。如果底座上的零件不是密布，留有空位，那就可以保證底座強度和剛性前提下，對底座掏空減重，如圖5所示。

以上介紹了如何從檢具材料選擇和檢具結構優化來實現檢具的輕量化，基本可以滿足大部分公司對檢具輕量化的要求。檢具輕量化固然有很多好處，但是選擇強度高、密度小材料的價格更高，結構優化減重也會增加機加工的費用。檢具輕量化越大，對應的成本也會越高，魚與熊掌不可兼得。現實中，汽車行業競爭非常激烈，對成本管控非常嚴，故不能一味追求檢具的最大輕量化，不計成本的去制作檢具，而是應該根據公司自身的情況和需求來綜合選擇檢具的材料，在輕量化和成本之間找到平衡點。

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