图6-27 典型的汽车冲压件生产及质量控制流程

汽车制造是一个复杂化大批量的生产过程，对这个过程必须进行监控。冲压是汽车制造的前道工序，是决定车身制造质量的重要环节，需要进行有效的控制。为此，首先应对冲压件几何尺寸进行测量控制，以便在零件尺寸质量发生变化时，及时分析和纠正冲压过程中出现的质量问题。

1.汽车冲压件几何尺寸质量监控的要点

（1）冲压件回弹 在板料成形的最终阶段，随着变形力的消失，成形过程中存储的弹性变形能释放出来，引发内应力的重组，进而导致零件整体形状的改变，这就是回弹。近些年随着高强度板和铝合金板在汽车上的大量应用，汽车冲压件的回弹控制显得越来越重要。常用的回弹控制方法可以归结为两类：一是制定合理工艺，改变应力状态，或者使板料充分塑性变形，来抑制回弹变形的发生；二是基于回弹规律，通过修正型面或模具结构使回弹形状与期望形状相符或相近。

汽车冲压件的回弹控制一直是重点和难点。由于影响因素很多并难以控制，回弹成为影响冲压件几何尺寸质量的主要原因。人们从设备、工艺和材料及润滑等多方面对冲压件回弹进行了研究，也开发了大量的计算机模拟软件来进行理论计算，以降低和消除回弹影响。即使如此，回弹影响因素仍是客观存在的，无法完全消除。在现实生产中，质量监控的目标是尽量稳定回弹程度，在后继工序中充分考虑消除这些回弹对车身质量的影响。

目前，实际生产中回弹测量方法主要有两种。

第一种是常用的标准检具测量法。这种方法是先制作一个刚性标准检具，根据零件数模的轮廓，将检具的轮廓偏置一个固定距离，通常为5MM，然后测量零件与检具的间隙，间隙值减去偏置距离即为回弹量。由于标准检具与零件只在有限的点位接触，且检具为刚性体，因此测量结果易受重力、夹紧点数及夹紧力均匀性的影响，并且影响程度较难量化。所以，在设计制造这类检具时，要充分考虑冲压件在检具上的放置方向，以尽可能减少重力对被测件的影响；同时，应考虑夹紧点的数量和分布，尽可能模拟后序装车的夹持状况。

第二种是基于凹模的测量方法。零件拉深成形后直接留在模具内，不需任何夹紧措施，选取若干个特征点，采用激光扫描或白光照相测量法，获得这些特征点的几何信息，然后将这些信息与标准冲压件的数值模型进行比较，从而获得回弹量。与第一种测量法相比，第二种方法的优点是：由于模具的支撑作用减小了重力对零件的影响，同时由于无需夹紧零件，又消除了由夹紧力不均匀导致间隙不均匀所产生的影响。但第二种方法涉及激光扫描、照相和逆向工程技术，对操作人员的技能要求较高，且不易进行现场测量。

（2）冲压设备生产参数的调整 对冲压件几何尺寸的质量监控，应该从生产源头开始抓起，而不是仅对最终生产出的零件进行测量。在冲压生产过程中，冲压设备生产参数的调整对冲压件几何尺寸影响很大。这主要体现在以下三个方面：①闭合高度的变化；②冲压力的调整；③压力机速度（次数）的调整。对生产开始时冲压设备的状态参数，生产部门都会进行记录，当生产零件出现问题需要临时调整设备参数，生产部门对此往往疏于记录，这样一来，如果后续测量冲压件几何尺寸发现问题，将难以追溯冲压件几何尺寸的波动成因。

（3）其他容易忽视的因素 影响零件尺寸的因素，除了设备因素（如滑块与工作台的平行度，调整压边力等）和工艺参数及材质因素等以外，压力机间零件的输送，零件料架及堆垛等其他物流因素也值得注意。

在一般的手工生产线上，压力机间零件输送靠人工完成，这不可避免地会对零件的几何尺寸造成一定影响。

冲压自动化提高了冲压质量和效率。在车身冲压生产中，采用工业机器人构成冲压自动化输送系统，由机器人代替人工单调、重复的体力劳动，极大地提高了车身覆盖件冲压生产的自动化水平、降低了成本、提高生产效率，同时使零件的变形稳定下来。

在投资允许的情况下，可以购置自动堆垛系统，这样可以比较彻底地消除人为搬运可能对零件尺寸造成的影响。

现实生产中，为了节约成本，往往将较多零件叠放在通用料箱内，这对一般零件是可行的，但对翼子板、机罩外板、行李箱外板等一些尺寸比较敏感的零件，则需要设计专用料箱，并严格控制零件放置数量，以防止零件过度变形对后继序尺寸造成影响。

2.汽车冲压件常用的几何尺寸监控方法

监控冲压件尺寸需要考虑检测成本。在当今冲压生产中，冲压件是大量成批生产的，我们不可能对每个零件都进行检查。虽然每个零件互有差异，但我们假定同一批零件的尺寸偏离状态是稳定的，只需对一批零件进行抽样检查即可。根据统计学原理，从一批零件中抽取大样本进行检验，就可以反映整个批量的尺寸状况信息。但即如此，每批抽查约30个大样本零件，对汽车冲压生产来说数量太大，难以完成。所以通常采用的方法是：在生产初始稳定后，先抽取一个零件进行检查，并与封样零件进行对比；在生产过程中，再抽取1～3个零件进行检查；在生产结束时，还要抽取一个零件再次检查。在整批次生产中，一共抽取3～5个零件进行检查。（具体的抽样数量，可以根据每一生产批次的零件总数来确定。）

检测成本还表现在检测所需的工具成本上。采用传统的工具检具（检测样架）与三坐标测量机检测成本相差很大。这些检测设备和工具的使用维护成本，也需要在规划时考虑在内。

图6-28 游标卡尺

1—外量爪 2—锁紧螺钉 3—游标 4—主尺 5—测深杆 6—尺框 7—副尺

（1）传统工具检测 传统工具检测一般包括游标卡尺（见图6-28）、螺旋测微器（见图6-29）、直尺、角度尺、量块等，可测量冲压件的孔径、孔中心距、长度、板件厚度、翻边高度、深度等。在生产过程中，生产线旁边的检查人员可根据工艺部门预先编制的监控文件要求，通过这些工具，

图6-29 螺旋测微器

快速地判断出冲压件几何尺寸的一些问题，并迅速反馈给生产线，以免发生批量质量事故。传统工具检测的优点是采购成本和维护成本低廉，对使用人员要求不高，缺点是不能提供精确的偏差数据，对于较复杂的零件型面测量无能为力。

图6-30 检验夹具

（2）检验夹具检测 检验夹具简称检具（见图6-30），主要由检测结构、定位结构、夹紧结构、支撑结构、检具底座以及其他辅助部分构成。具有结构简单，使用方便，自制成本较低等特点，一直得到广泛应用，尤其对于汽车产品中零部件公差相对较大、加工过程中产生随机误差较多的情况，检验夹具更有其独特的优越性。在汽车生产现场，检验夹具一直被大量使用。判断冲压件是否合格不是使用检验夹具的唯一目的，更多地是通过对测量数据的分析，找到出现质量问题的原因，为加工或工艺的进一步改进提供可靠的科学依据，最终达到保证和提高产品质量的目的。检验夹具用来检验冲压件的生产误差，如果它的精度不高，测量冲压件就失去意义，因而保证检验夹具的高精度是非常必要的。检验夹具经一定使用周期后，要进行标定，以保证检验夹具的精度满足使用要求。

使用检验夹具，除了把冲压件置于其上进行目测观察外，一般还和百分表、检测销、间隙尺等结合起来使用。检验夹具的优点是直观简单、成本较低，只需要对操作工人进行简单培训，适合放置在冲压生产线旁边，在以前的冲压生产中被大量采用。但是，随着现代化冲压生产和汽车冲压检测技术的发展，检验夹具检测方式已越来越不能满足现代化冲压生产的需求。总结起来，使用检验夹具存在如下问题。

1）检测结果不可靠。用检验夹具检测，只能通过人工目测将被检样件与检具上的孔位对齐，观察是否错边，检测结果十分粗糙，且完全取决于人的因素。

2）检测效率低下。对于结构稍复杂的汽车覆盖件，用检验夹具检测，要占用很长时间才能得出检测结果，为了适应冲压产能要求，只能减少检测的项目与要求。

3）没有质量跟踪。夹具检测的结论只有合格与不合格，无从做到冲压生产质量跟踪，更做不到对模具质量的检测。

4）无法做到数字化集成。现代冲压生产要求汽车覆盖件进行在线质量检测与监测，检验夹具方式已无能为之。

（3）三坐标测量机检测 三坐标测量机可对冲压件进行测量和尺寸监控。过去此类设备价格比较昂贵，往往仅用于验收和认可过程。随着测量机技术的进步，大型自动化三坐标测量设备价格大为降低，而今许多汽车制造厂已陆续配备和使用三坐标测量机来监控冲压件的尺寸精度。

三坐标测量机按其工作方式，可分为点位测量和连续扫描测量。点位测量方式由测量机采集零件表面上一系列有意义的空间点，通过数学处理，求出这些点所组成的特定几何元素的形状和位置。连续扫描测量方式则是对曲线、曲面轮廓进行连续测量，多为大、中型测量机。点位测量机与连续扫描测量机相比，价格便宜，测量效率要低。

三坐标测量机按其结构分类可分为悬臂式（见图6-31）、台式（见图6-32）、桥式（见图6-33）、龙门式（见图6-34）、关节臂式（见图6-35）等。

图6-31 悬臂式三坐标测量机

图6-32 台式三坐标测量机

图6-33 桥式三坐标测量机

图6-34 龙门式三坐标测量机

上述的几种测量机，对于冲压件测量来讲，桥式及龙门式测量机用得比较多。一般的中小型零件，使用桥式测量机进行测量，大型的冲压汽车覆盖件，使用龙门式测量机进行测量。而悬臂式测量机一般用于焊装白车身测量，台式测量机由于台面较小、精度高，一般用于检测发动机缸体等零件。关节臂式测量机一般用于移动较多且精度要求不太高的场合。

三坐标测量机的测量不确定度D用下式表示

D＝E＋C×L／1000（6-1）式中E、C——制造厂家给定的常数（MM）；

L——测量长度（MM）。

图6-36所示为测量不确定度示意图。

图6-35 关节臂式三坐标测量机

例如某三坐标测量机的测量不确定度D＝0.01＋0.2L／1000，则表示使用该设备测量1M长度的距离，测量的不确定度是0.21MM。

三坐标测量机是一种精密量仪。精密级的三坐标测量机测量空间任何一点的坐标精度可达到微米级。在一般的冲压生产中要求三坐标测量机的测量不确定度小于冲压件公差带的1／4到1／8即可，这个规则可以用于生产企业对于测量机的选型。

三坐标测量机一般配合测量支架（见图6-37）一起使用，将冲压件放置在测量支架上，定位后放置在三坐标测量平台上进行测量。测量支架和传统检验夹具的区别在于：检验夹具包含部分（或全部）间隙和面差加工面，并包含检测断面样板，一般采用传统检测工具进行检测；而测量支架没有间隙和面差加工面，零件仅通过支撑点支撑，配合三坐标测量机使用。

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图6-36 测量不确定度示意图

图6-37 测量支架

随着现代冲压生产流程步伐的加快，将三坐标测量机安置在计量室而远离冲压生产现场已越来越不合实际。因为被测冲压件需要先送到计量室，经过温度平衡，然后进行测量，输出测量报告信息，这些都需要一定时间。最新的发展趋势是将三坐标测量机移到生产现场，实现冲压生产过程的实时控制，这种方式称为三坐标测量机在线测量技术。这时三坐标测量机更多地被视为生产设备。还应看到，尽管检测技术对提高产品质量至关重要，但产品质量的提高从根本上讲是通过制造过程来实现的，而不是依靠最终检验。因此，对生产过程的质量水平进行实时监控显得十分必要。

现代化企业，特别是以批量生产为特点的汽车厂，其质量保证体系均以生产现场为重点，通过对动态工序的监控，既反映（产品）零部件生产中的波动状况，又能预测工序、指导工序，特别是通过采取及时的调整措施，把质量隐患解决在未形成产品之前。在某个车间生产的产品最好就地检测，这样可以节省运输和存放费用，同时可及时修正加工中的误差和错误。钣金件有各种不同尺寸，一般要求夹具和测量机都应该适应不同尺寸的变化，以满足柔性加工和检测的需要。在加工过程中某些尺寸的加工可能会超差，通过测量机的在线检测可在加工过程中及时修正。配置在生产现场的在线检测设备，正是对制造过程实施质量控制的主要手段。现在，三坐标测量机纷纷进入生产现场，直接监控制造工序质量和产品质量。有效的在线监控可以及时修正生产过程偏差。

同时应该注意到，在线应用也向三坐标测量机提出了挑战，因为冲压生产环境比经过严格环境温控的计量室要恶劣，而传统的测量机应用是面向环境良好的计量室。现在，适应生产现场环境的三坐标测量机已经问世，它能适应生产现场环境下特有的温度变化、空气污染和振动，配合先进的多测头温度补偿技术，补偿了由于温度变化而引起的变形，保证了温度变化环境下的测量精度。

3.常用的几何尺寸质量监控指标及数据处理方法

冲压件几何尺寸质量评价对保证整个白车身的质量水平具有非常重要的指导作用。在汽车生产制造过程中，人们对冲压件制造几何尺寸质量的评价进行了大量研究，并总结出一系列质量评价方法，以此来评价和提高汽车冲压件的制造几何尺寸质量。目前常用的方法有几何尺寸质量指标（IQG）、调整能力指标（ICM）、6SIGMA（6σ）、工序能力指数（CP／CPK）等。下面分别介绍这些几何尺寸质量评价方法。

（1）几何尺寸质量指标IQG IQG是反映冲压零件几何尺寸水平的指标。每个冲压批次可抽取至少一个零件进行IQG统计计算。它的计算公式为

IQG＝总扣分值／总测量点数

对于每个测量点的偏差值，按以下标准（见表6-1）扣分。

表6-1 IQG扣分标准

按照该指标进行计算，可以看到IQG值越小越好。可以在冲压项目的每个阶段设立目标值，通过对每个阶段批次零件的测量及IQG统计，达到监控冲压件几何尺寸质量的目的。

（2）调试能力指标ICM ICM是反映冲压零件每个生产批次内零件几何尺寸精密性和准确性的指标。每个冲压批次至少抽取4个零件进行ICM统计计算。它对应的是一份带横坐标及纵坐标的图表。具体计算公式如下

ICM准确性（横坐标）＝2×（偏差平均值－理论值）／IT

ICM精密性（纵坐标）＝（偏差最大值－偏差最小值）／IT

一个实际的冲压件测量ICM统计图表例子可见图6-38。行微量调整。区域Ⅲ为横坐标落在－0.66或＋0.66外，纵坐标落在＋0.66外，该区域表示该批次冲压零件的准确性或精密性很不好，需要立刻进行修正处理。

（3）6SIGMA（6σ）实践证明，汽车冲压件制造尺寸的检测数据服从某一正态分布N（μ，σ²）。理想状态下，冲压件尺寸的每一次检测数据都在其理论设计值附近作随机波动。对于正态分布，有一个事实是质量管理和质量评价中经常用到的，即不论μ与σ取值如何，产品质量特性值落在［μ－3σ，μ＋3σ］范围内的概率为99.73％，这是数学计算的精确值，如图6-39所示。于是，产品质量特性值落在［μ－3σ，μ＋3σ］范围外的概率仅为1－99.73％＝0.27％。正是基于正态分布的这一特性，人们常用6SIGMA（即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

图6-38 ICM统计图表

把ICM统计图表划分为三个区域：区域Ⅰ为坐标落在－0.33～＋0.33，纵坐标落在0～＋0.33区域，该区域表示该批次冲压零件的准确性及精密性很好。区域Ⅱ为横坐标落在－0.66～－0.33或＋0.33～＋0.66，纵坐标落在＋0.33～＋0.66区域，该区域表示该批次冲压零件的准确性或精密性不是很理想，需要进较大，说明产品的质量特性比较差，质量波动大；如果6σ较小，说明产品的质量特性比较好，质量波动小。

图6-39 正态分布N（μ，σ²）

6σ是衡量冲压件尺寸质量（波动水平）的一个重要指标。6σ的计算公式为

式中，X_I为冲压件尺寸在某一段时间内的检测数据系列；为冲压件尺寸检测数据在该时间段内的平均值。

冲压件几何尺寸的波动对后续的车身装配有着很大的影响。在车身制造过程中，常常会由于冲压件尺寸波动的影响导致装配时缝隙过大，型面不平整，有的甚至需要进行强力装配或者根本就装配不上。6σ则从数学的角度对冲压件制造尺寸的波动水平做出了精确描述。生产线上的质量控制人员可根据计算得到的6σ值，对那些波动较大的部分进行有效的调整与控制，从而避免后续的车身装配受到不利的影响。

用6σ的评价方法能够对冲压零件上单个尺寸（测点或功能尺寸）的波动水平进行准确的描述，但是由于冲压零件质量评价是一个多元的评价过程，一般分布有200～400个测点，150～300个功能尺寸，整个冲压零件制造几何尺寸质量的评价，是由所有这些尺寸的检测数据综合反映得到的。而6σ一般只能描述单个尺寸的波动水平，而不能直接对冲压件的总体几何尺寸制造质量水平进行准确的描述。

（4）工序能力指数 在质量管理科学中，所谓工序（PROCESS）是指生产与检验原材料与产品的具体阶段。也就是指人员、机器设备、材料、方法、环境条件、测量手段等六大质量因素（通常简称5M1E），对产品质量发挥综合影响的过程。

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。它的测定一般是在成批生产条件下进行，主要表现在两个方面：产品质量是否稳定；产品质量精度是否足够。在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，冲压件质量特征值的波动就越小；工序能力越低，冲压件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C_P的计算公式为

式中，T为公差范围；T_U和T_L分别为公差带上限和下限；S为抽取样本的实测值计算出的样本标准偏差。

但在生产实际的工序控制应用中，产品质量的标准中心与其分布中心往往并不重合，因此需要对工序能力指数的计算进行修正。我们定义M为质量标准中心，U为质量分布中心。分别有

修正系数K为

因此，修正工序能力指数为

C_PK＝C_P（1－K） （6-7）

当分布中心U与标准中心M重合时，M－U＝0，则K＝0，此时为理想状态，C_PK与C_P相同。

当分布中心U位于标准的上限或下限时，即U＝T_U或者U＝T_L，则K＝1，此时C_PK＝0。

当分布中心U位于标准的上下界限之间时，即M－U＜T／2，则K＜1。

当分布中心U位于标准界限之外时，即M－U＞T／2，则K＞1。

在利用工序能力指数进行工序质量评价时，人们总结了一些通用的判断基准，见表6-2。

表6-2 工序质量评价判断基准

工序能力指数的计算基于以下假设条件：①工序处于统计稳定状态。②每个测量单值遵循正态分布。③规格的上、下限是基于客户的要求。④测量系统能力充分。

在汽车冲压件生产过程中，冲压件几何尺寸检测为一个统计稳定过程，每个尺寸的测量值都遵循正态分布，目前广泛采用的检测手段为三坐标测量机离线检测和光学检测系统在线检测，测量精度很高，测量系统能力充分，因此完全符合工序能力指数计算的假设条件。工序能力指数的评价方法在轿车制造行业得到了广泛应用。

进行工序能力的分析有着重要的意义：①工序能力的测定与分析是保证产品质量的基础工作，是现场质量管理的基础。②工序能力的分析测试是提高工序能力的有效手段。③工序能力的测试分析为质量改进找出方向。

然而，在冲压件生产过程中，有很多道生产工序，如何捕捉到每道工序的质量信息呢？

通常采取的是空间上的小样本检测，即在经过该道工序的冲压零部件上，选取若干具有代表性的尺寸进行测量，通过计算各检测尺寸的C_P／C_PK值来评价该工序的能力。因此，用C_P／C_PK来评价冲压件生产工序的能力，实际上是其工序能力在特征点上的反映。