孫賀輝

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459)

1 轎車焊裝夾具概述

轎車焊裝夾具是一種在制造產(chǎn)業(yè)里作為輔助條件，實(shí)現(xiàn)工件的定位、夾緊、支撐等一系列操作的一體化設(shè)備。根據(jù)工件的不同，焊裝夾具的種類與規(guī)格往往不同。汽車車身的焊裝夾具就是在車身進(jìn)行焊接工藝時，保持車身上焊點(diǎn)所在的部分區(qū)域穩(wěn)定不動的設(shè)備。在近年來人們不斷追求舒適性和穩(wěn)定性的這一背景下，汽車車身在朝著輕量化和合理化發(fā)展。對車身的外表、結(jié)構(gòu)以及材料等有了新的要求，這也意味著焊接方法需要進(jìn)一步優(yōu)化。在車身生產(chǎn)過程中，合理的焊裝夾具可以很大程度上節(jié)約生產(chǎn)時間，平衡工位時間，在多種車型的企業(yè)，選用混合型的焊裝夾具，提高生產(chǎn)效率[1]。

2 轎車焊裝夾具總體結(jié)構(gòu)

焊裝夾具在車身生產(chǎn)中的作用是：通過夾具上的定位銷(基準(zhǔn)銷)、基準(zhǔn)面、夾緊臂等組件的協(xié)調(diào)作用，將工件安裝到工藝設(shè)定的位置上并夾緊，不讓工件活動位移，保證車身焊接精度的一致性和穩(wěn)定性。本文建立了被加緊工件車門的三維模型，并根據(jù)夾具定位原理設(shè)計(jì)出該焊裝夾具的總體結(jié)構(gòu)，圖1 是夾具三維設(shè)計(jì)圖。

該焊裝夾具由支座、以及臺板(也叫基板)、基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)銷、L板、和組成夾緊機(jī)構(gòu)的加緊臂、氣缸等組成[2]。

底座是焊裝夾具的基礎(chǔ)原件，由支座和臺板兩部分組成。底座的精度尤為重要，好比建筑物的地基，只有地基水平且穩(wěn)固，建筑物才能更加牢固，外形更加筆直。在夾具中，定位機(jī)構(gòu)與夾緊機(jī)構(gòu)都要安裝在底座上，底座的精確性直接影響定位機(jī)構(gòu)能否定位準(zhǔn)確，因此，對工作平面的平面度和表面粗糙度有著嚴(yán)格的要求。

臺板：夾具上的所有組件基本上都要安裝在臺板上，如L板、夾緊臂等，上表面加工有坐標(biāo)刻度線，作為其他組件的安裝標(biāo)準(zhǔn)和夾具基準(zhǔn)狀況的檢測。

支座：起到支撐夾具臺板、夾具高度調(diào)節(jié)和安放水平調(diào)整的作用，固定式的夾具底座是圖中的墊板，移動不方便。所以，為了能夠方便取用，支座可以采用滾輪式。夾具的測量基準(zhǔn)是裝夾的關(guān)鍵因素，基準(zhǔn)選取的正確，與基準(zhǔn)穩(wěn)定不變是定位夾緊的前提。測量基準(zhǔn)建立在夾具底座上，測量裝置的基準(zhǔn)座也要占有一定的位置。為了減輕夾具自重，節(jié)省工作空間，以及避免造成不必要的浪費(fèi)，我們選用框架式結(jié)構(gòu)，保證夾具能在焊裝流水線上靈活應(yīng)用。

夾具底座等結(jié)構(gòu)件要求采用Q235-A板材和槽鋼焊接而成，底板的焊縫采用非連續(xù)焊縫；焊后經(jīng)熱處理退火消除應(yīng)力并進(jìn)行防銹噴砂處理，表面粗糙度Ra3.2，平面度0.1/1 000 m，槽鋼采用10#,12#,14b#,16#，20#,25b#，鋼板厚度多采用t=20 mm或t=25 mm。

3 焊裝夾具定位原理

常見的機(jī)床夾具用的是六點(diǎn)定位原理，限制住一個面和兩個銷，實(shí)現(xiàn)完全定位，汽車的焊裝夾具與機(jī)床夾具的形式和理論類似，但又有著不同之處。由于汽車車身是曲面的，常見的六點(diǎn)定位并不能保證定位精度。汽車焊裝夾具經(jīng)過了長久的發(fā)展，在定位方面已經(jīng)有了比較系統(tǒng)的定位原理。如基于過定位的N-2-1定位原理。它的優(yōu)勢在于更適用薄板定位，可以運(yùn)用有限元分析找到最合適的“N”，優(yōu)化夾具設(shè)計(jì)。定位原件選材及技術(shù)要求見表1。在焊接工藝中，被焊工件的放置位置千奇百怪，無法保證所有的焊件放在同一個位置，即使是同一批焊件，也會有所出入。與此同時，焊件本身也存在著差異性，焊件的擺放位置，傾斜角度以及焊接位置不同都有可能不盡如人意。由于焊接件位置的不確定性，為了限制它的自由度，我們有了六點(diǎn)定位方法。我們在空間坐標(biāo)系內(nèi)放置工件，沿x、y、z三個軸每個軸都有一個移動的自由度，與此同時，繞著x、y、z三個軸有三個轉(zhuǎn)動自由度。不被限制的焊件是有六個自由度的，而沒有進(jìn)行自由度限定的焊件可以看做一個剛體。為了保證焊接的精確性，我們必須限定足夠且合適的自由度。

表1 定位元件選材及技術(shù)要求

在薄板的加工過程中，常出現(xiàn)薄板件的變形，普通的3-2-1定位原理不能很好的解決這一現(xiàn)象，所以，需要在第一基準(zhǔn)面上有三個以上的定位點(diǎn)。第一基準(zhǔn)面限定好了之后，第二、第三基準(zhǔn)面一次需要兩個和一個定位點(diǎn)即可。一般情況下，加工的作用力集中在第一基準(zhǔn)面上，防止其余兩個基準(zhǔn)面彎曲變形。而且第二基準(zhǔn)面上的定位點(diǎn)間距越大越好，布置在薄板的長邊上，穩(wěn)定零件。兩側(cè)同時設(shè)置定位點(diǎn)可能導(dǎo)致薄板產(chǎn)生巨大的相對撓度。

4 夾緊機(jī)構(gòu)的組成及作用

汽車焊裝夾具的夾緊機(jī)構(gòu)分為三部分：1)夾緊元件：直接用于夾緊工件的元件，也就是直接和工件接觸的部位；2)力源裝置：產(chǎn)生接觸力的動力機(jī)構(gòu)，大多數(shù)是汽缸。根據(jù)力源裝置來源不同，夾緊方式分為兩種，力源來自人力的稱為手動夾緊；力源來自氣動、液壓和電力等動力源的稱為機(jī)動夾緊；3)傳力機(jī)構(gòu)：將原動力的大小按設(shè)計(jì)好的的方向和大小傳遞給夾緊元件的機(jī)構(gòu)。其功能是使夾緊元件獲得夾緊力，應(yīng)對不同情況，改變夾緊力的大小和方向[3]。

焊裝夾具中，傳動裝置起著不可或缺的作用，包括氣壓傳動、液壓傳動、電力傳動、電磁傳動和真空傳動等多種方式，而在汽車的焊裝夾具中，氣壓傳動應(yīng)用的最為廣泛[4]。本文主要說明氣壓控制回路在夾具中的作用。焊裝夾具大部分采用氣壓傳動而不是液壓傳動，是因?yàn)闅鈮簜鲃觿幼餮杆?，反?yīng)靈敏，操作簡單，每個行程時耗時較少。氣壓傳動的動力空氣來源比較普遍且廉價，相對于液壓傳動來說，不需要回收裝置，用完之后排入大氣，污染較小。傳動回路中即使出現(xiàn)泄露，也不會造成較大影響。氣壓傳動對工作環(huán)境要求不高，適應(yīng)性強(qiáng)，在易燃、易爆、強(qiáng)磁、多塵等環(huán)境中也能穩(wěn)定的工作，不需要過多考慮溫度濕度等條件，便于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，比電壓等控制方式更優(yōu)越。

5 夾緊力的確定

夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)該正對于定位元件或作用在定位元件所形成的支撐面內(nèi)，防止產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，破壞工件的定位。夾緊力的作用點(diǎn)應(yīng)位于工件剛性較強(qiáng)的部分，避免工件發(fā)生變形，夾緊更為可靠。夾緊力的方向應(yīng)垂直于主要定位基準(zhǔn)面，以保證加工精度，定位穩(wěn)定，夾緊和加工過程中變形較小。夾緊力的方向應(yīng)與工件剛度的最大方向一致，以減小工件的夾緊變形。作用點(diǎn)應(yīng)盡量靠近加工表面，減小切削力對夾緊點(diǎn)的力矩，減少工件加工時的振動[5]。

汽車板材屬于薄板，在焊接過程中容易出現(xiàn)變形，一般為波浪形和橢圓形的鼓包，在一些稍微厚點(diǎn)的薄板對接焊過程中，容易在焊縫附近形成凹陷導(dǎo)致整個板面扭曲變形，對于鼓包，可以看作為周邊固定的板材在均勻分布的載荷q作用下形成的彎曲板，中心撓度f為：

(1)

作用在板材上的壓力計(jì)算公式為：

(2)

E為板材的彈性模量；δ為板材厚度；v為板材的泊松比，取v=0.30。

計(jì)算夾緊力大小時，一般講夾具和工件看成一個整體，將作用在工件上的重力，夾緊力，切削力和慣性力等列出靜力平衡方程時，求出理論夾緊力，為使加緊可靠，一般再乘一個安全系數(shù)K[6]。

6 總結(jié)

汽車焊裝夾具是汽車焊接工藝的重要組成部分，夾具的精度關(guān)系到焊件的強(qiáng)度和精度，本文利用SolidWorks建立了轎車焊裝夾具的三維模型，并根據(jù)被加緊零件的特點(diǎn)，利用夾具定位原理對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并得出計(jì)算夾緊力的計(jì)算公式，最后根據(jù)夾具工作需要對焊裝夾具進(jìn)行氣壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，為后續(xù)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。