前縱梁補(bǔ)焊夾具的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

孫鵬堯　李欣疏　潘美霖

摘 要：隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，焊接夾具向著標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)穩(wěn)步發(fā)展。本文對(duì)汽車前縱梁焊接夾具設(shè)計(jì)要求以及相關(guān)夾具性能特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析，著重分析焊裝夾具的設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)原則以及各零部件選擇方法。

關(guān)鍵詞：前縱梁;焊裝;夾具

中圖分類號(hào)：TH123.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）31-0048-03

Situation Analysis of Desgin Welding Fixture for Front Longitudinal Beam

SUN Pengyao1 LI Xinshu2 PAN Meilin3

（1.Jilin Special Equipment Inspection Center，Jilin Jilin 132022;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin Jilin 132022;3.CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110000）

Abstract： As the industrialization process continues to accelerate， welding fixtures are moving steadily toward standardized production. In this paper， the design requirements of the front longitudinal beam welding fixture and the relevant fixture performance characteristics was analyzed in detail. The design process of the welding fixture， the design principle and the selection method of each component were analyzed.

Keywords： front longitudinal beam;welding;welding;fixture

1 夾具的發(fā)展現(xiàn)狀

夾具作為機(jī)電產(chǎn)品加工制造過(guò)程中不可或缺的一部分，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造過(guò)程中，如切削加工、焊接、裝配、熱處理以及檢測(cè)等工藝過(guò)程。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)水平的飛速發(fā)展，夾具在諸多工藝裝備制造中占有重要位置，其設(shè)計(jì)是否合理性，與加工成本、加工精度以及生產(chǎn)效率息息相關(guān)，特別是專用夾具，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用。

由于夾具在機(jī)械生產(chǎn)加工中占有重要位置，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)逐漸形成了一個(gè)比較系統(tǒng)的夾具研究系統(tǒng)。例如，本文所研究的汽車行業(yè)，在汽車車身焊裝生產(chǎn)線中，要通過(guò)夾具來(lái)確保汽車零件間的相互位置具有較高準(zhǔn)確度，并保證車體結(jié)構(gòu)完整性?？梢?jiàn)，夾具在車身焊裝生產(chǎn)線上占據(jù)核心位置，性能優(yōu)異的夾具是保證車身焊接質(zhì)量完好的前提，進(jìn)而影響整個(gè)汽車制造精度和生產(chǎn)周期。目前，我國(guó)焊裝夾具仍沒(méi)有統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，其加工過(guò)程還需結(jié)合具體機(jī)械結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件以及實(shí)際要求來(lái)自行設(shè)計(jì)制造[1]。

2 前縱梁焊接夾具

2.1 前縱梁性能要求

在汽車車身結(jié)構(gòu)中，縱向梁作為車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，起承載作用，決定了汽車車身正面抗碰撞性能以及彎曲剛度水平[2-4]。根據(jù)車身框架結(jié)構(gòu)，可將前縱梁分為非貫通前縱梁與前后貫通縱梁。汽車前縱梁主要有以下幾點(diǎn)性能要求。

①碰撞過(guò)程中吸收能量的核心結(jié)構(gòu)，在車長(zhǎng)方向?yàn)榱Φ闹饕獋鬏斖ǖ馈?/p>

②抵抗變形的主要結(jié)構(gòu)，保障汽車乘坐人員人身安全。

③與底盤連接，并安裝前后懸架，承擔(dān)底盤向車身傳遞的載荷。

④與動(dòng)力總成連接，固定動(dòng)力總成，承擔(dān)動(dòng)力系統(tǒng)向車身傳遞的載荷。

2.2 焊裝夾具設(shè)計(jì)特點(diǎn)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)企業(yè)對(duì)相應(yīng)夾具供應(yīng)商都提出詳細(xì)完善的技術(shù)要求，包含各零件尺寸、公差、材料以及表面處理方式等，使焊裝夾具設(shè)計(jì)制造規(guī)范以及質(zhì)量得到充分保證[5]。汽車零件焊接夾具在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有以下特點(diǎn)。

2.2.1 強(qiáng)度和剛度。焊裝夾具要具有良好的剛度和強(qiáng)度，以保證夾具在投入使用過(guò)程中可承受多種力的作用。

2.2.2 靈活性。為保證操作人員視野開(kāi)闊以及操作設(shè)備的靈活度，應(yīng)使夾具生產(chǎn)過(guò)程中焊裝空間足夠合理，保證焊接生產(chǎn)工作狀態(tài)穩(wěn)定。

2.2.3 可靠性。夾具在夾緊時(shí)要確保工件定位位置不能隨意變更，同時(shí)還要保證產(chǎn)品尺寸、外觀符合設(shè)計(jì)要求。夾緊過(guò)程中要既要防止工件滑移松動(dòng)，又要控制夾緊力，避免工件產(chǎn)生較大的約束應(yīng)力。

2.2.4 工藝性。設(shè)計(jì)夾具應(yīng)滿足制造、安裝和操作要求，同時(shí)要方便檢驗(yàn)和維修?？紤]車間現(xiàn)有動(dòng)力源以及吊裝能力環(huán)境，使夾具成本降至最低。

2.2.5 便于裝卸。夾具在使用過(guò)程中需要經(jīng)常裝卸工件，所以要考慮工件的裝配定位要求以及焊接結(jié)束后能夠快速地從夾具中取出，同時(shí)要保證工件在吊裝翻時(shí)不受損。

2.3 汽車焊裝夾具定位基準(zhǔn)理論

汽車車身零部件外形通常比較復(fù)雜，多為3D薄板曲面，且結(jié)構(gòu)尺寸較大，零部件一般通過(guò)定位方式定位，即“N-2-1”定位原理[6，7]。對(duì)于剛度較低的板殼工件，需要在第一基準(zhǔn)面布置N個(gè)（N>3）定位點(diǎn)，在第二基準(zhǔn)面上布置2個(gè)定位點(diǎn)，在第三基準(zhǔn)面布置1個(gè)定位點(diǎn);對(duì)于表面積比較大的薄板焊件，由于工件本身重量分布不均，且受焊接產(chǎn)生的熱應(yīng)力影響，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生表面法向變形。

研究表明，對(duì)于較大尺寸的薄板工件，若采用“3-2-1”原理定位會(huì)產(chǎn)生較大法向變形量;若采用“N-2-1”原理，在第一基準(zhǔn)面放置3個(gè)以上定位點(diǎn)，即可降低變形量，從而保證定位準(zhǔn)確。

3 焊裝夾具設(shè)計(jì)的過(guò)程

3.1 焊裝夾具方案設(shè)計(jì)原則

夾具方案設(shè)計(jì)總體分為四個(gè)階段：定位方案設(shè)計(jì)、夾緊方案設(shè)計(jì)、輔助元件選擇和夾具空間布置設(shè)計(jì)。其中定位方案設(shè)計(jì)和夾緊方案設(shè)計(jì)占主導(dǎo)地位。使用面定位、孔定位等方式需要結(jié)合限制工件6個(gè)自由度，使零件保持在固定位置。在設(shè)計(jì)夾具過(guò)程中要參考以下幾點(diǎn)定位原則。

①通過(guò)限制工件定位面法向移動(dòng)自由度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)面定位，將工件的外形輪廓或表面作為基準(zhǔn)進(jìn)行定位時(shí)，應(yīng)用定位塊和支柱進(jìn)行定位。

②通過(guò)限制垂直于孔軸線截面的兩個(gè)移動(dòng)方向的自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)孔定位，通常情況下可以采用定位銷定位方式來(lái)定位工件圓孔內(nèi)表面。

③與孔定位原理相同，工程上常采用V形鐵來(lái)定位工件圓柱外表面。

3.2 焊裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常情況下，定位元件和夾緊元件構(gòu)成了焊裝夾具的基本結(jié)構(gòu)。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，焊裝多以孔定位和面定位的方式來(lái)定位，故定位板和定位銷為兩種常用定位元件。而夾緊機(jī)構(gòu)則采用手動(dòng)夾緊和氣動(dòng)夾緊兩類夾緊方式，具體選擇方式還要考慮企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度[8]。

3.2.1 定位元件的設(shè)計(jì)。常用的定位銷有固定式和移動(dòng)式，具體選擇定位銷時(shí)，要考慮焊裝時(shí)裝卸零件順序、沖壓形狀以及定位孔布置位置等因素。在車身焊裝過(guò)程中，若銷的固定位置妨礙了工件裝卸，就必須將定位銷設(shè)計(jì)成移動(dòng)式結(jié)構(gòu)。工件上孔的直徑要稍大于定位銷直徑，形成間隙配合，尺寸公差0.1mm，控制位置精度為±0.1mm，從而保證工件定位精度。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，定位面要求具有較高的尺寸精度和形位精度。為方便元件制造和調(diào)整，工程上常設(shè)計(jì)定位板和底座，使整體加工變得更加便捷，同時(shí)也縮減了定位板尺寸。使用孔定位方式來(lái)連接定位板與底座也是很常見(jiàn)的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了方便夾具安裝、調(diào)試和測(cè)定，定位板定位精度要靠銷的形位精度來(lái)保障。

3.2.2 夾緊元件的設(shè)計(jì)。為保證零件不受其他外力因素影響，并克服自身彈性變形，最終保證汽車各零部件定位基準(zhǔn)面和定位塊配合緊密，在車身焊裝過(guò)程中，可使用夾緊機(jī)構(gòu)夾緊零件，通過(guò)夾緊力確保零件裝配位置的準(zhǔn)確性和裝配進(jìn)度。依據(jù)車身零部件的具體需求，可以使用手動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)兩種方式進(jìn)行夾緊。

車身零部件與夾具夾緊件之間的局部接觸形狀需要由相應(yīng)位置零件的具體模型數(shù)據(jù)決定。在夾緊件設(shè)計(jì)過(guò)程中，為確保操作人員具有較好的視野，要保證夾緊件在非夾緊狀態(tài)時(shí)空間足夠大。不同夾緊件由于設(shè)計(jì)形式存在差別，導(dǎo)致夾緊件運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)有所區(qū)別，在能保證夾緊件正常使用的前提下，要盡可能使夾緊件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化。

3.2.3 調(diào)整墊片。調(diào)整墊片一般分為圓形墊片、方形墊片、彈簧墊圈以及當(dāng)連接件產(chǎn)生誤差或需緊固時(shí)進(jìn)行調(diào)整的墊片。在夾具中，調(diào)整墊片主要有兩方面的作用：一是用作定位調(diào)整;二是用作夾緊調(diào)整。定位調(diào)整墊片可以確保調(diào)整毛坯各加工面定位準(zhǔn)確，同時(shí)使各加工面的加工余量均勻。夾緊調(diào)整墊片通過(guò)改善夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力，提升夾緊件可靠性。

彈簧墊圈具有制造成本低廉、使用便捷等優(yōu)點(diǎn)，所以彈簧墊圈常用在一般機(jī)械產(chǎn)品拆除工作中。彈簧墊圈屬于螺栓摩擦防松的一種防松方式，在夾具中的使用范圍也極其廣泛。但彈簧墊圈不具備較高的防松能力，導(dǎo)致其在制造要求較高的產(chǎn)品中使用率比較低，在一些重要的承載結(jié)構(gòu)中更不會(huì)被使用。有些學(xué)者認(rèn)為，鋼制彈簧墊圈存在漲圈和易脆裂等不安全因素，使用時(shí)需要對(duì)其材料進(jìn)行優(yōu)化。我國(guó)軍工方面某些領(lǐng)域依然會(huì)通過(guò)改善彈簧墊圈材料的方法加以利用。

3.2.4 夾具底板設(shè)計(jì)。夾具底板作為焊裝夾具的工作平臺(tái)，需要承受工件以及夾具本身的重量，一般采用Q235 A板材，并與槽鋼或方鋼焊接后投入使用。使用時(shí)，在上表面要加工出坐標(biāo)刻度線，方便檢測(cè)夾具使用狀況。在設(shè)計(jì)工藝方面，Base板要防止傾斜，安裝到基座上時(shí)要保持水平狀態(tài)，待安裝完畢后，可在Base板上部安裝焊裝夾具。夾具底板設(shè)計(jì)要滿足以下原則：①以基座為基準(zhǔn)，確?；cBase板安全緊密結(jié)合;②在滿足承載的前提下，設(shè)計(jì)要輕量化。

3.2.5 螺栓的選用。常用螺栓主要分為內(nèi)六角螺栓和外六角螺栓。內(nèi)六角螺栓具有便于拆裝、便于緊固和不易滑角等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械中被廣泛使用。同時(shí)，可配合內(nèi)六角扳手使用，內(nèi)六角扳手多呈90°彎折狀，手握長(zhǎng)邊力臂較大，便于緊固螺栓，長(zhǎng)邊端部可以根據(jù)螺栓安裝位置對(duì)螺栓進(jìn)行拆裝。外六角螺栓制造成本較低，且螺栓頭較內(nèi)六角螺栓薄一些，在有些結(jié)構(gòu)中經(jīng)常使用，尤其是在制造成本低、動(dòng)力要求不高的場(chǎng)合多采用外六角螺栓。

除內(nèi)、外六角螺栓外，有些結(jié)構(gòu)中也使用化學(xué)螺栓，但化學(xué)螺栓使用范圍局限性較大。在選擇螺栓這類標(biāo)準(zhǔn)件時(shí)，要嚴(yán)格遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，并對(duì)所設(shè)計(jì)的螺栓組進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.3 焊裝夾具的夾緊

焊裝夾具夾緊時(shí)要確保工件裝配相對(duì)位置，避免工件由于自身重力產(chǎn)生彈性變形。另外，作用點(diǎn)應(yīng)與支撐點(diǎn)相吻合，保證工件抗彎曲能力，使之與定位基準(zhǔn)保持緊密貼合。為達(dá)到上述要求，通常夾緊力F≥400N;對(duì)于厚度[δ]<1.2mm的零件，300N≤F≤500N;對(duì)于1.5mm<[δ]<2.5mm的沖壓件，夾緊力F一般控制在500N左右。焊裝夾具的夾緊裝置處于非夾緊狀態(tài)時(shí)，為確保更換工件的便捷性，須預(yù)留足夠的活動(dòng)空間。

個(gè)別情況可以去除夾緊機(jī)構(gòu);當(dāng)車身零件裝配結(jié)束后常使用電阻焊焊接，使工件不受扭轉(zhuǎn)力矩;當(dāng)工件重力同電焊加壓方向保持一致時(shí)，焊接產(chǎn)生的壓力能夠克服工件的彈性變形，確保裝配的準(zhǔn)確性與緊密性。

4 結(jié)論

汽車前縱梁補(bǔ)焊夾具的設(shè)計(jì)要求與其他焊接夾具設(shè)計(jì)具有一定的相似性，同時(shí)還要考慮前縱梁結(jié)構(gòu)的特殊性，在設(shè)計(jì)時(shí)要滿足焊裝夾具各零部件結(jié)構(gòu)要求，標(biāo)準(zhǔn)件需根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。在夾具夾緊和焊接過(guò)程中，要避免工件變形，提高夾具使用效率，降低設(shè)計(jì)成本，最終實(shí)現(xiàn)焊接夾具生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]屠攀.汽車零件柔性焊接夾具設(shè)計(jì)與研究[D].上海：東華大學(xué)，2016.

[2]汪小霞，黃呈麗.汽車焊裝夾具設(shè)計(jì)的步驟與方法[J].汽車零部件，2015（5）：72-75.

[3]楊永輝.汽車焊裝夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].工業(yè)技術(shù)，2015（8）：46.

[4]馮明佳.基于CATIA的汽車車身焊裝夾具設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2016（10）：29-31.

[5]文瑞娟.汽車車身焊接夾具的設(shè)計(jì)規(guī)律[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（2）：125.

[6]文春光.汽車車身的焊接工藝設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（3）：133.

[7]禹化寶.基于案例汽車焊裝夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].煙臺(tái)：煙臺(tái)大學(xué)，2014.

[8]濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京：高等教育出版社，2001.