孫鵬堯　李欣疏　潘美霖

摘 要：隨著工業(yè)化進程的不斷加快，焊接夾具向著標準化生產(chǎn)穩(wěn)步發(fā)展。本文對汽車前縱梁焊接夾具設(shè)計要求以及相關(guān)夾具性能特點進行詳細分析，著重分析焊裝夾具的設(shè)計過程、設(shè)計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：TH123.1文獻標識碼：A文章編號：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

夾具作為機電產(chǎn)品加工制造過程中不可或缺的一部分，被廣泛應用于機械制造過程中，如切削加工、焊接、裝配、熱處理以及檢測等工藝過程。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，對產(chǎn)品質(zhì)量起著決定性作用。

由于夾具在機械生產(chǎn)加工中占有重要位置，國內(nèi)外已經(jīng)逐漸形成了一個比較系統(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，要通過夾具來確保汽車零件間的相互位置具有較高準確度，并保證車體結(jié)構(gòu)完整性?？梢姡瑠A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，進而影響整個汽車制造精度和生產(chǎn)周期。目前，我國焊裝夾具仍沒有統(tǒng)一的生產(chǎn)規(guī)格和標準，其加工過程還需結(jié)合具體機械結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)條件以及實際要求來自行設(shè)計制造[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性能要求。

①碰撞過程中吸收能量的核心結(jié)構(gòu)，在車長方向為力的主要傳輸通道。

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，承擔底盤向車身傳遞的載荷。

④與動力總成連接，固定動力總成，承擔動力系統(tǒng)向車身傳遞的載荷。

2.2 焊裝夾具設(shè)計特點

在實際生產(chǎn)過程中，每個企業(yè)對相應夾具供應商都提出詳細完善的技術(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)計過程中具有以下特點。

2.2.1 強度和剛度。焊裝夾具要具有良好的剛度和強度，以保證夾具在投入使用過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闊以及操作設(shè)備的靈活度，應使夾具生產(chǎn)過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。夾具在夾緊時要確保工件定位位置不能隨意變更，同時還要保證產(chǎn)品尺寸、外觀符合設(shè)計要求。夾緊過程中要既要防止工件滑移松動，又要控制夾緊力，避免工件產(chǎn)生較大的約束應力。

2.2.4 工藝性。設(shè)計夾具應滿足制造、安裝和操作要求，同時要方便檢驗和維修?？紤]車間現(xiàn)有動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，同時要保證工件在吊裝翻時不受損。

2.3 汽車焊裝夾具定位基準理論

汽車車身零部件外形通常比較復雜，多為3D薄板曲面，且結(jié)構(gòu)尺寸較大，零部件一般通過定位方式定位，即“N-2-1”定位原理[6，7]。對于剛度較低的板殼工件，需要在第一基準面布置N個（N>3）定位點，在第二基準面上布置2個定位點，在第三基準面布置1個定位點;對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)生的熱應力影響，在焊接過程中產(chǎn)生表面法向變形。

研究表明，對于較大尺寸的薄板工件，若采用“3-2-1”原理定位會產(chǎn)生較大法向變形量;若采用“N-2-1”原理，在第一基準面放置3個以上定位點，即可降低變形量，從而保證定位準確。

3 焊裝夾具設(shè)計的過程

3.1 焊裝夾具方案設(shè)計原則

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

①通過限制工件定位面法向移動自由度的方法來實現(xiàn)面定位，將工件的外形輪廓或表面作為基準進行定位時，應用定位塊和支柱進行定位。

②通過限制垂直于孔軸線截面的兩個移動方向的自由度來實現(xiàn)孔定位，通常情況下可以采用定位銷定位方式來定位工件圓孔內(nèi)表面。

③與孔定位原理相同，工程上常采用V形鐵來定位工件圓柱外表面。

3.2 焊裝夾具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)。實際生產(chǎn)過程中，焊裝多以孔定位和面定位的方式來定位，故定位板和定位銷為兩種常用定位元件。而夾緊機構(gòu)則采用手動夾緊和氣動夾緊兩類夾緊方式，具體選擇方式還要考慮企業(yè)生產(chǎn)自動化程度[8]。

3.2.1 定位元件的設(shè)計。常用的定位銷有固定式和移動式，具體選擇定位銷時，要考慮焊裝時裝卸零件順序、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)計成移動式結(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)計過程中，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)計定位板和底座，使整體加工變得更加便捷，同時也縮減了定位板尺寸。使用孔定位方式來連接定位板與底座也是很常見的。在設(shè)計過程中，為了方便夾具安裝、調(diào)試和測定，定位板定位精度要靠銷的形位精度來保障。

3.2.2 夾緊元件的設(shè)計。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面和定位塊配合緊密，在車身焊裝過程中，可使用夾緊機構(gòu)夾緊零件，通過夾緊力確保零件裝配位置的準確性和裝配進度。依據(jù)車身零部件的具體需求，可以使用手動夾緊機構(gòu)和氣動夾緊機構(gòu)兩種方式進行夾緊。

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位置零件的具體模型數(shù)據(jù)決定。在夾緊件設(shè)計過程中，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)時空間足夠大。不同夾緊件由于設(shè)計形式存在差別，導致夾緊件運動軌跡也會有所區(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)簡單化、標準化。

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、彈簧墊圈以及當連接件產(chǎn)生誤差或需緊固時進行調(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確，同時使各加工面的加工余量均勻。夾緊調(diào)整墊片通過改善夾緊機構(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，所以彈簧墊圈常用在一般機械產(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)中更不會被使用。有些學者認為，鋼制彈簧墊圈存在漲圈和易脆裂等不安全因素，使用時需要對其材料進行優(yōu)化。我國軍工方面某些領(lǐng)域依然會通過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。夾具底板作為焊裝夾具的工作平臺，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，在上表面要加工出坐標刻度線，方便檢測夾具使用狀況。在設(shè)計工藝方面，Base板要防止傾斜，安裝到基座上時要保持水平狀態(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)計要滿足以下原則：①以基座為基準，確?；cBase板安全緊密結(jié)合;②在滿足承載的前提下，設(shè)計要輕量化。

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，在機械中被廣泛使用。同時，可配合內(nèi)六角扳手使用，內(nèi)六角扳手多呈90°彎折狀，手握長邊力臂較大，便于緊固螺栓，長邊端部可以根據(jù)螺栓安裝位置對螺栓進行拆裝。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、動力要求不高的場合多采用外六角螺栓。

除內(nèi)、外六角螺栓外，有些結(jié)構(gòu)中也使用化學螺栓，但化學螺栓使用范圍局限性較大。在選擇螺栓這類標準件時，要嚴格遵照相關(guān)標準要求，并對所設(shè)計的螺栓組進行強度校核。

3.3 焊裝夾具的夾緊

焊裝夾具夾緊時要確保工件裝配相對位置，避免工件由于自身重力產(chǎn)生彈性變形。另外，作用點應與支撐點相吻合，保證工件抗彎曲能力，使之與定位基準保持緊密貼合。為達到上述要求，通常夾緊力F≥400N;對于厚度[δ]<1.2mm的零件，300N≤F≤500N;對于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，為確保更換工件的便捷性，須預留足夠的活動空間。

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

4 結(jié)論

汽車前縱梁補焊夾具的設(shè)計要求與其他焊接夾具設(shè)計具有一定的相似性，同時還要考慮前縱梁結(jié)構(gòu)的特殊性，在設(shè)計時要滿足焊裝夾具各零部件結(jié)構(gòu)要求，標準件需根據(jù)國家標準進行選擇。在夾具夾緊和焊接過程中，要避免工件變形，提高夾具使用效率，降低設(shè)計成本，最終實現(xiàn)焊接夾具生產(chǎn)標準化的目標。

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