R33焊裝夾具的設(shè)計及應(yīng)用

李楠

(1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.神龍汽車有限公司,湖北 武漢 430056)

R33焊裝夾具的設(shè)計及應(yīng)用

李楠1,2

(1.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068；2.神龍汽車有限公司,湖北 武漢 430056)

以神龍公司R 33焊裝夾具的設(shè)計及應(yīng)用為例，在以往焊裝夾具相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上進行了總結(jié)，通過現(xiàn)實生產(chǎn)實踐，對焊裝夾具設(shè)計規(guī)律做了探討，闡述了在設(shè)計及應(yīng)用中所應(yīng)遵循的基礎(chǔ)條件。

汽車；焊裝夾具；設(shè)計；應(yīng)用

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車焊裝夾具的研究成為一個熱點，夾具直接影響著車身品質(zhì)、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性。汽車焊裝夾具的設(shè)計應(yīng)用是一門經(jīng)驗性很強的綜合性學(xué)科，必須要熟悉產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，了解材料變形特點，掌握制件及裝配精度，通曉工藝要求，才能對焊接夾具進行優(yōu)化應(yīng)用[1]。R33（新愛麗舍）是神龍公司自主研發(fā)的一款經(jīng)濟型轎車，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，R33的焊裝夾具完全采用國產(chǎn)設(shè)備，在其設(shè)計和應(yīng)用上達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。在汽車白車身裝配焊接生產(chǎn)過程中，焊裝夾具的設(shè)計應(yīng)用充滿了特殊性，因此，工藝設(shè)計人員必須見多識廣，具體問題須具體對待。

汽車焊接的基本特征，就是組件到部件再到總成的一個組合再組合的過程。從組件到車身焊接總成的每一個過程，既相互獨立，又承前啟后，因此組件的焊接精度，決定著部件總成的焊接精度，最后影響和決定著車身焊接總成的焊接精度與品質(zhì)。而零件焊接的品質(zhì)是由焊裝夾具的精度保證的，因此，對于焊裝夾具的設(shè)計及應(yīng)用方面的研究，是控制焊接車身幾何尺寸的關(guān)鍵[2]。

1 生產(chǎn)規(guī)劃及總體布局

目前，在汽車行業(yè)中，大部分的車身焊接過程以流水線生產(chǎn)為主，所以夾具設(shè)計應(yīng)有利于流水線的布置和設(shè)計，同時也考慮給生產(chǎn)管理提供方便[3]。

在實際生產(chǎn)中,生產(chǎn)節(jié)拍決定了焊接夾具的自動化水平及焊接工位的配置。生產(chǎn)節(jié)拍由夾具動作時間、裝配時間、焊接時間、搬運時間等組成。

夾具動作時間主要取決于夾具的自動化程度；裝配時間主要取決于沖壓件精度、工序件精度、操作者的熟練程度；焊接時間主要取決于焊接工藝方案、焊接設(shè)備的自動化程度、焊鉗選型的合理化程度等；搬運時間主要取決于搬運設(shè)備的自動化程度、物流的合理化程度等。

只要把握住以上幾點，就能合理地解決焊接夾具的自動化水平及制造成本這對矛盾[4]。

2 焊裝夾具的設(shè)計應(yīng)用及優(yōu)化

在焊接過程中，合理的夾具結(jié)構(gòu)，有利于合理安排流水線生產(chǎn)，便于平衡工位時間，降低非生產(chǎn)用時。對具有多種車型的企業(yè)，如能科學(xué)地考慮共用或混型夾具，還有利于建造混型流水線，提高生產(chǎn)效率。設(shè)計夾具的要點可以歸納為一句話：定位準，限位穩(wěn)，夾緊牢，取放易，加工少，結(jié)構(gòu)巧。

在設(shè)計和選用夾具時，要注意以下方面的內(nèi)容：

2.1 六點定則在車身焊裝夾具上的應(yīng)用

在設(shè)計車身焊裝夾具時，常有兩種誤解，一是認為六點定則對薄板焊裝夾具不適用；二是看到薄板焊裝夾具上有超定位現(xiàn)象就以為不符合六點定則。產(chǎn)生這種誤解的原因是：把限制6個方向運動的自由度片面的理解為限制6個方向定位點。焊接夾具設(shè)計的宗旨，是限制6個方向運動的自由度。

圖1所示是零件空間坐標位置，限制其6個方向運動的自由度，不僅依靠夾具的定位夾緊裝置，而且依靠制件之間的相互制約關(guān)系。只有正確認識了薄板沖壓件焊裝生產(chǎn)的特點，同時又正確理解了六點定則，才能正確應(yīng)用這個原則。

圖1 零件的空間坐標

從定位原則看，支承對薄板來說是必不可少的，可消除由于件受夾緊力作用而引起的變形。在汽車焊接夾具的設(shè)計中，經(jīng)常有超定位的方式定位，過定位使接觸點不穩(wěn)定，產(chǎn)生裝配位置上的干涉，但在調(diào)整夾具時，只要認真修磨支承面，其超定位引起的不良后果，是可以控制在允許范圍內(nèi)的。

2.2 夾具定位部件的優(yōu)化

R33車身焊接夾具使用的大量定位塊，其型式是從沖壓模具的定位面截切而來，即在車身沖壓零件的型腔上定位，其定位面積大，一般投影面積在50mm×100mm以上。定位塊是加工件，其余支撐部分為鑄鐵件，定位塊在裝配調(diào)整后，再配作定位銷。

在外觀上有兩種式樣：大面積的定位塊，小面積的氣動或手動壓頭；大面積的定位塊，大面積的氣動或手動壓頭。前者的缺點是造成定位塊加工復(fù)雜，產(chǎn)生車身零件壓緊力不夠，后者的缺點是干涉焊鉗的點焊操作及裝件困難。

在生產(chǎn)中使用的夾具，其精度必須保證產(chǎn)品總成的要求；其選擇定位面的數(shù)量也是比較保守的，寧多勿少。另外，每個定位塊的裝配全部是用4個螺釘在沉孔中固定在焊接支承底板上，因焊渣飛濺的填充，造成維修更換的困難。因此這種整體為鑄件的定位塊式夾具，是耗能耗材的，其設(shè)計、制造周期和成本都比較高。

針對以上缺陷，為了優(yōu)化車身焊接夾具的定位，將整體為鑄件的定位塊轉(zhuǎn)化為組合定位板定位，板的厚度在 16mm、18mm、22mm、25mm幾檔中選用，整個夾具本體改為焊接合件，在制造、裝配上都縮短了周期，相對降低了成本。定位板與角支座、角支座與底板各定位銷孔均采用鏜孔，孔間距偏差為±0.02mm。這種在加工上采用此方式，在調(diào)試中若車身產(chǎn)品尺寸略有變化（如沖壓件常有的尺寸誤差），機加中保證的尺寸精度就浪費掉了。要想使車身幾何精度在夾具上一次裝調(diào)成功，沖壓件就不能有較大的尺寸偏差，而且定位點的數(shù)量也比較多。用直角塊可調(diào)定位方式與上相同，只是定位塊、壓頭用直角塊加墊片過渡。圖2是R33夾具中常用的定位方式，其優(yōu)點是支撐板、壓頭用損后修復(fù)、裝調(diào)比較方便；也比較容易形成標準化設(shè)計、制造（除定位面、壓頭上壓塊外，其余零件均可制成標準件）。

圖2 零件的定位部件

2.3 車身分塊和定位基準的選擇

基準統(tǒng)一是機械加工工藝設(shè)計的基本思想之一，在焊接汽車車身時，各個相互關(guān)聯(lián)的組件、部件及車身焊接總成夾具的定位基準，應(yīng)具有統(tǒng)一性和繼承性，只有這樣才能保證最終產(chǎn)品品質(zhì)，即使出現(xiàn)品質(zhì)問題也易于分析原因，便于糾正和控制。焊接夾具設(shè)計定位基準統(tǒng)一要求保證兩點：

一是保證焊接夾具設(shè)計基準與車身設(shè)計基準、沖壓基準、檢測基準的統(tǒng)一；

二是保證焊接夾具設(shè)計基準在分總成、總成、車身焊接總成的各總成之間保持前后統(tǒng)一。

基準統(tǒng)一保證了車身焊接精度，便于查找質(zhì)量問題原因，提高管理水平。

R33車身焊接總成由前后地板、前倉、側(cè)圍、開啟件、車身這幾大部分組成，不同的車型盡管分塊方式不同，但在選擇定位基準時，一般都應(yīng)做到：

（1）保證門洞的裝配尺寸。當裝配開啟件時，門洞必須作為主要的定位基準，在分裝夾具中，凡與前后立柱有關(guān)的分總成裝焊，都必須直接用前后立柱定位，而且從分裝到總成定位基準應(yīng)統(tǒng)一；車門總成裝配時，以門洞及工藝孔定位，且從焊裝到總裝定位基準也應(yīng)統(tǒng)一。

（2）保證前后主定位孔的位置準確度。車身底盤上的主定位孔，一般沖壓在地板縱梁上，裝焊時要保證懸置孔的相對位置，以便使車身順利地下落到夾具或轉(zhuǎn)運小車的定位銷上。

（3）保證前后風(fēng)窗口的裝配尺寸。前后風(fēng)窗口一般由外覆蓋件和內(nèi)覆蓋件組成，一般是在前后圍總成和側(cè)圍總成上形成的，在分裝夾具上要注意控制其定位精度，還有的在總裝夾具上形成，用專門的窗口定位裝置對窗口精確定位，以保證風(fēng)窗玻璃的裝配。

3 R33焊接夾具的結(jié)構(gòu)及定位夾緊特點

3.1 車身焊裝夾具的結(jié)構(gòu)特點

R33車身焊裝夾具體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了便于裝配、檢測和維修，必須對夾具結(jié)構(gòu)進行測量。在現(xiàn)場調(diào)試時，一般采用折疊式三坐標測量儀進行測量。較大的夾具一般有2個以上的測量支座，每個測量支座對應(yīng)有3個測量基準點，通過如圖3所示的3個基準點建立汽車坐標系進行測量。

圖3 夾具底座上的測量基準點

另外，每臺夾具在其底板上一般都有加工基準槽和坐標線，定位夾緊組合單元按各自的基準進行裝配、檢測，最后組合起來，成為一套完整的夾具。

3.2 車身焊裝夾具的定位特點

車身焊裝夾具，大都以沖壓件的曲面外型、在曲面上經(jīng)過整形的平臺、拉延和壓彎成型的臺階、經(jīng)過修邊的窗口和外部邊緣、裝配用孔和工藝孔定位，這就在很大程度上決定了其定位元件形狀比較特殊，很少能用標準元件。焊接夾具上要分別對各被焊工件進行定位，并使其不互相干涉，在設(shè)計定位工裝時，要充分利用工件裝配的相互依賴關(guān)系，作為自然的定位支承。車身焊裝夾具上，板狀定位較多，定位塊間距既要保證定位精度，又要保證焊鉗伸入的方便性(如圖4所示)。

圖4 留出焊鉗操作空間的夾具定位

3.3 車身焊裝夾具的夾緊特點

車身沖壓件裝配后，多使用電阻焊接，工件不受扭轉(zhuǎn)力矩，當工件的重力與點焊時加壓方向一致，焊接壓力足以克服工件的彈性變形，并仍能保持準確的裝配位置與定位基準貼合，此時可以省去夾緊機構(gòu)。焊接通常在兩個工件間進行，夾緊點一般都比較多，電阻焊是一種高效焊接工藝，為減少裝卸工人的輔助時間，夾緊應(yīng)采用高效快速裝置和多點聯(lián)動機構(gòu)。

對于薄板沖壓件，夾緊力作用點應(yīng)作用在支承點上，只有對剛性很好的工件，才允許作用在幾個支承點所組成的平面內(nèi)，以免夾緊力使工件變形或脫離定位基準。夾緊力主要用于保持工件裝配的相對位置，克服工件的彈性變形，使其與定位支承或接地電極貼合，對于1.2mm厚度以下的鋼板，貼合間隙不大于0.8mm，每個夾緊點的夾緊力一般在300～750N范圍內(nèi)；對于1.5～2.5mm之間的沖壓件，貼合間隙不大于1.5mm，每個夾緊點的夾緊力在500～3000N范圍內(nèi)[5]。

夾緊部件大體上都具備如圖5所示的結(jié)構(gòu)，按照夾緊方向有平面、垂直、45°夾緊器；按照操作方式有螺栓夾緊、快速夾緊、手柄螺旋夾緊；按照驅(qū)動方式有手工、氣動或液壓夾緊。夾緊壓塊一般由碳素鋼、不銹鋼、尼龍材料制成，以適合不同的工件要求。如果配備兩點、三點夾緊橋，可以同時夾緊不同高度的兩個位置的工件。另外，也可以按照夾緊的型面加工特殊的夾緊頭。

圖5 夾緊部件

4 夾具調(diào)試的過程及方法

4.1 夾具的調(diào)試過程

一套夾具，從制造完畢到投入使用，要經(jīng)過一個漫長的過程。這中間大部分時間都是在進行調(diào)試工作。一般來說，夾具的調(diào)試過程，大致分為以下9個步驟：

（1）完善夾具的相關(guān)文件；

（2）確認夾具設(shè)備的符合性及重復(fù)性；

（3）確認夾具和產(chǎn)品與工序是否一致；

（4）現(xiàn)場的設(shè)備核對，符合性的確認；

（5）驗證安裝零件到設(shè)備的重復(fù)性，即零件定位的重復(fù)性確認；

（6）工序?qū)缀纬叽绾屯庥^的影響的核對，即檢查焊接過程對幾何精度的影響；

（7）產(chǎn)品幾何尺寸圖表的收集、整理、分析、整改，進行產(chǎn)品、工序的驗收；

（8）產(chǎn)品設(shè)備重新調(diào)整標定，編寫調(diào)整記錄跟蹤表；

（9）進行經(jīng)驗總結(jié)反饋。

4.2 夾具的調(diào)試方法

以上所述（1）～（3）幾個步驟，都是要在夾具到現(xiàn)場之前完成的工作。主要是一些圖紙資料的準備工作，一般都在夾具還沒有出廠時，在夾具制造商處就應(yīng)該完成。從第（4）步以后，就是夾具到焊裝現(xiàn)場以后的工作。其中（5）、（6）步是最為關(guān)鍵的步驟，通常采用在零件上選取適當?shù)目梢苑从吃谄囎鴺讼抵蠿、Y、Z方向變化的點，通過鉆孔或者劃線來檢查重復(fù)精度，每個點的偏差一般控制在0.3mm以內(nèi)。

5 R33夾具的特點

汽車的車身是經(jīng)過沖壓、焊接、涂裝、總裝這4個主要工藝過程生產(chǎn)出來的。相對于汽車的沖壓、涂裝、總裝等生產(chǎn)工藝來說，焊裝生產(chǎn)線的通用性是最差的，增加一種車型往往要增加全新的焊接夾具，汽車廠家需要投入巨額的資金。而降低汽車換型的投資成本的主要措施之一，是提高汽車焊接生產(chǎn)線通用化程度，使其改造量降至最小。

為了降低生產(chǎn)成本，R33夾具的設(shè)計上充分運用了柔性化設(shè)計。夾具的柔性化設(shè)計，是目前國際上流行的一種先進的設(shè)計理念，汽車焊接生產(chǎn)線柔性化，就是在一條焊接生產(chǎn)線上能進行多種車型車身的焊接。R33作為神龍公司自主研發(fā)的一款新車型，是在老款愛麗舍（R23）的基礎(chǔ)上升級改造的。在R33的焊裝生產(chǎn)線上，R33白車身在原有R23白車身基礎(chǔ)上主要進行了前、后臉的改型，夾具和生產(chǎn)線的改造涉及側(cè)圍、地板、前倉、發(fā)動機罩、后行李箱、翼子板、車門共7個大部件。翼子板、骨架、地板、調(diào)整區(qū)域采取局部工位新增、主線共用的模式；車門、前倉、車身、側(cè)圍區(qū)域采用柔性化共線生產(chǎn)。例如在R33側(cè)圍外板與尾燈板成型焊接夾具上，尾部定位部件集成化、模塊化，分別做成兩個不同的模塊。然后通過更換R23/R33的兩個集成定位模塊，來實現(xiàn)兩個車型的交叉共線生產(chǎn)（見圖6）。

圖6 R23/R33夾具轉(zhuǎn)換模塊

對于R33夾具上的定位支撐、壓頭、定位銷，在設(shè)計時就充分考慮了今后調(diào)試和分析幾何尺寸質(zhì)量問題的方便。國內(nèi)一些廠家的夾具，為了簡單省事，往往把定位面設(shè)計成不可調(diào)的，而R33的夾具在各個定位面上，都實現(xiàn)了功能方向的單獨可調(diào)。R33夾具的另外一個特點，就是在每一對支撐和壓頭之間都預(yù)留了鋼板間隙，相對于一些日系汽車廠家的焊接夾具不留鋼板間隙的做法而言，R33夾具的設(shè)計不僅能夠保證零件的固定，還能夠防止零件在裝夾過程中產(chǎn)生的變形。

R33作為神龍公司自主開發(fā)的一款車型，從前期產(chǎn)品造型，到工業(yè)化可行性分析，直至最后的工業(yè)化生產(chǎn)準備，整個過程均以神龍公司中方人員為主，焊裝工藝則全部由中方人員自主完成。

在焊裝生產(chǎn)線的調(diào)試過程中，由于新老產(chǎn)品要共線生產(chǎn)，設(shè)備的改造調(diào)試工作受到了相當程度的限制，一切調(diào)試工作都要在不影響現(xiàn)生產(chǎn)的前提下進行，而且要考慮到新夾具與老零件的適配性問題，許多夾具為了適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的條件，都做了因地制宜的修改，其改造難度往往要勝過設(shè)計一臺全新的夾具。

6 結(jié)束語

汽車車身焊接夾具的特點及應(yīng)用優(yōu)化，與沖壓件、工序件結(jié)構(gòu)及精度關(guān)系極為密切，充滿了不確定的特殊性。在改進改善時，除了考慮遵循一般的規(guī)律外，還必須具體問題具體對待，應(yīng)細化工藝，使用高效率夾具，提高生產(chǎn)效率。

為適應(yīng)系列車型需要，應(yīng)發(fā)展快速可調(diào)的混型夾具，提高夾具機具一體化程度，諸如多點焊機、車門包邊機、機器人激光焊夾具等。采用新的設(shè)計方法，如坐標法、模塊化設(shè)計法、計算機輔助設(shè)計等。提高夾具通用化、系列化、標準化水平，是今后焊裝夾具的發(fā)展趨勢[6]。

焊接工藝設(shè)計涉及的知識領(lǐng)域?qū)?，受到制約同樣比較多，比如產(chǎn)品系列、用戶觀念、工藝水平、品質(zhì)精度要求、周邊物流狀況、投資限制、原有廠房及廠區(qū)等，因此要求工藝設(shè)計人員見多識廣。生產(chǎn)線技術(shù)水平和自動化率不是越高越好，也不是生產(chǎn)線投資越低越好，在保證產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，高性價比的焊裝生產(chǎn)線，是工藝設(shè)計永恒的追求目標。

汽車焊接夾具的設(shè)計生產(chǎn)所需的時間周期，是汽車投產(chǎn)周期的重要組成部分，成為汽車生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸之一。因此，對于提高汽車焊接夾具設(shè)計效率和優(yōu)化應(yīng)用的研究，具有非常重要的現(xiàn)實意義。隨著我國汽車行業(yè)自主產(chǎn)權(quán)的不斷增加，焊裝工藝設(shè)計也必將實現(xiàn)由國外設(shè)計多轉(zhuǎn)變成國內(nèi)設(shè)計多，將會有更多的自主開發(fā)的焊裝生產(chǎn)線得到廣泛應(yīng)用。

[1]許瑞媾.中國汽車焊接設(shè)備發(fā)展展望[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]張 政.汽車焊接夾具結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究[J].汽車工藝與材料，1992，(5):32-37.

[3]張鐵柱.汽車原理教程[M].國防工業(yè)出版社，2003.

[4]韓根云.汽車車身焊接夾具的設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝·熱加工技術(shù)，2001，(8):33-34.

[5]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[6]肖永清.汽車的發(fā)展與未來[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

The Welding Fixture Design and Application of R33

LI Nan1，2
（1.Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China；2.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.,Ltd.,Wuhan 430056，China)

According to the R33’s welding fixture design and application in DPCA as an example,To make a summary based on the previous research information of the welding fixture,Through the act,craft,or process of manufacturing products,explore the rules on the design of welding fixture,expounded in the basic conditions should be followed of the welding fixture design and application.

automobile；welding fixture；design；application

TG759

B

1672-545X（2011）08-0180-05

2011-05-16

李 楠(1979—)，男，湖北隨州人，工程師，湖北工業(yè)大學(xué)工程碩士，研究方向：機械設(shè)計及理論、機械制造及自動化，目前在神龍汽車公司從事焊裝工藝工作。