徐興波

摘 要：車門焊接作為車輛制作中的重要工序之一，其加工精度與效率直接影響了汽車產(chǎn)品的質(zhì)量與利潤。而夾具作為焊接工作的重要輔助裝置，其結(jié)構(gòu)是否合理將影響焊接精度、加工效率?；诖耍恼略诤喪鲕囬T焊接相關(guān)技術(shù)概念的基礎(chǔ)上，從三維設(shè)計(jì)角度深入探究了車門焊接夾具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，希望能為相關(guān)技術(shù)人員提供有價值參考。

關(guān)鍵詞：汽車加工 車門焊接 焊裝夾具

1 引言

汽車工業(yè)作為我國工業(yè)重要組成部分，長期推動國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。汽車制造中，汽車車門需要經(jīng)過焊接、機(jī)械連接等多種方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)聯(lián)接，焊接過程中夾具發(fā)揮重要作用，當(dāng)前定位誤差是其存在的主要問題，為解決這一問題，本文著重從三維設(shè)計(jì)角度，探究如何改進(jìn)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升其定位精度。

2 汽車車門結(jié)構(gòu)及焊接工藝簡述

2.1 車門結(jié)構(gòu)

常見汽車車門一般由車門主體與相關(guān)附件組成，車門主體結(jié)構(gòu)包括車門內(nèi)板、車窗、門鉸鏈、門鎖等結(jié)構(gòu)組成。以家用小汽車為例，一般在車身左前、右前、左后、右后位置分別有一個車門，且成對稱排列。車門有無窗框、有窗框、分開式、整體式等多種類型，家用汽車常使用有窗框分開式車門結(jié)構(gòu)，具備強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)勢。本文主要針對分體式有框車門分析其焊接及夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等問題，此類車門零部件包括內(nèi)板、外板、鉸鏈等，經(jīng)焊接、包邊及膠合固化裝配后成形，一般剛度、強(qiáng)度較高，因包含各種復(fù)雜功能部件和板材，因此整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。以前門內(nèi)板為例，主要包括窗框、窗框尾部、窗框合件、內(nèi)板加強(qiáng)板、門鎖加強(qiáng)板、防撞梁合件、內(nèi)板合件、內(nèi)板合件、三角框支撐架、鉸鏈等。

2.2 車門焊接工藝

（1）車門內(nèi)板總成焊裝一般過程為薄板沖壓零件→合件→分總成→總成。基于內(nèi)板總成生產(chǎn)計(jì)劃與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一般需要至少四個焊裝工位，如第一工位負(fù)責(zé)窗框、窗框尾部、內(nèi)板加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)的裝夾定位與焊接，第二工位負(fù)責(zé)門鎖加強(qiáng)板、螺鉸鏈、門窗合件等構(gòu)件與前一工序所完成部分的焊接、裝配等工作，第三工位負(fù)責(zé)車門加強(qiáng)板等構(gòu)件與前一工序完成部分的焊接與裝配工作，第四工位負(fù)責(zé)前一工序?qū)⑼瓿傻臉?gòu)件與內(nèi)板防撞梁合件等構(gòu)件的焊接裝配工作。

（2）用于車門焊接的接頭一般為自重型，細(xì)分為T型、搭接型、對接型、角接型，對接型與T型接頭最為常用?；诹W(xué)角度，對接接頭受力情況最為理想，焊接位置能承受較好靜載荷、動載荷，T形接頭次之。車身焊裝中，薄板沖壓件結(jié)構(gòu)及各攻擊按間位置關(guān)系復(fù)雜，且不同構(gòu)件件受力要求不同，因此內(nèi)板焊裝一般采用搭接接頭，應(yīng)用此接頭焊裝雖存在附加彎曲應(yīng)力、焊接位置動載能力弱等問題，但應(yīng)用于車身焊裝中，能降低焊接工件裝配的難度，提高裝配效率。

（3）基于內(nèi)板裝配流程確定夾具定位基準(zhǔn)。以第一工位為例，需要確定窗框、窗框尾部、內(nèi)板加強(qiáng)板、內(nèi)板的裝配順序及其在夾具上的具體位置，才能進(jìn)行自動化焊接。這些構(gòu)件橫截面積常為U形，鋼材強(qiáng)度與剛度高，材料細(xì)長，焊裝時變形量小，因此確定沖壓件定位夾緊點(diǎn)只需考慮車門分總成定位準(zhǔn)確性、夾緊力、內(nèi)板貼合間隙三個因素。車門內(nèi)板面積大，合適加緊力能保證焊裝穩(wěn)定進(jìn)行，同時避免結(jié)構(gòu)因焊裝過夾而變形，因此一般在確定各構(gòu)件定位點(diǎn)的同時，增設(shè)多個定位點(diǎn)，如在內(nèi)板上設(shè)定定位銷孔，以限制車門內(nèi)板在XZ平面內(nèi)的移動與繞Y軸的轉(zhuǎn)動，在車門下部邊緣位置設(shè)定定位點(diǎn)，以限制車門內(nèi)板沿Y軸方向的移動。

3 車門焊裝夾具相關(guān)概念簡述

3.1 焊裝夾具基本概念

車門焊接夾具是保證將車門沖壓件固定在正確的焊接位置，通過夾緊裝置將其夾緊，使用焊槍與相應(yīng)焊接工藝，對沖壓件進(jìn)行焊接，形成組件、合件、分總成、總成，通過焊接方法將各部件連接為一個車門整體。裝配焊接作為汽車各部件制造工藝中核心工作部分，對各部件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率與經(jīng)濟(jì)性的影響十分明顯。當(dāng)前車門焊接制造的核心問題是提高焊接效率與裝配精度。車門夾具構(gòu)造復(fù)雜，夾具體積也較大，是為了滿足車門焊接制造與裝配的便利與效率。在定位方面，夾具為滿足車門存在的曲面外形沖壓件的固定焊接，需要綜合使用型面定位、定位孔定位等多種方式，這些使得車門夾具不僅需要使用到很多標(biāo)準(zhǔn)原件，還可能用到一些特殊結(jié)構(gòu)的元件，且要求夾具結(jié)構(gòu)間不存在相互干涉。車門焊接涉及多個工件、工序，焊接的板材厚度不一，在焊接薄板工件時，為防止其變形，需要確定合理夾緊力度并結(jié)合點(diǎn)焊等工藝，保證焊接后車身工件不受應(yīng)力等有影響存在變形。夾緊裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)可采用快速裝置、多點(diǎn)聯(lián)動機(jī)構(gòu)，以提升裝卸效率。

3.2 夾具設(shè)計(jì)基本要求

（1）保證焊接件尺寸在精度、形狀等方面滿足車門圖紙技術(shù)要求，是焊裝夾具設(shè)計(jì)重要意義所在。零件裝配工作中，一定要保證待焊接制件在夾具中空間位置的準(zhǔn)確性，保證夾緊狀態(tài)穩(wěn)定且力度合力，使夾具在焊接中抵消部分震動等因素的影響，以減少焊件形變。

（2）為保證工人能順利、輕松開展焊接工作，一般將車門夾具設(shè)計(jì)為開放式結(jié)構(gòu)，以保證焊鉗等焊接設(shè)備能方便的深入夾具進(jìn)行焊接，如若必要需切去夾具中的干涉部分，以保持焊接工作順利進(jìn)行。

（3）為盡量降低架構(gòu)成本，需盡量簡化夾具結(jié)構(gòu)，選用常見的氣缸等零部件，以方便夾具維修保養(yǎng)等工作的開展，同時應(yīng)保證焊裝夾具具備良好操作性，以降低工人勞動難度與勞動量。

4 汽車車門焊接夾具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

4.1 夾具結(jié)構(gòu)分析

夾具關(guān)鍵部件為其定位夾緊構(gòu)件，其作用在于定位焊接工件加工位置，限制工件移動，保證工件間貼合度，并防止工件在焊接時發(fā)生變形，限制工件自由度。其基本結(jié)構(gòu)包括基板、支撐架、壓塊、定位塊、定位銷、氣動夾緊裝置及氣墊等。

（1）夾具基板。其精度直接影響夾具定位工件的精確程度，基板表面有多個基準(zhǔn)孔與坐標(biāo)刻度線，用于判斷夾具基準(zhǔn)和安裝支撐架。車門焊裝夾具使用的基板常為20mm-40mm的鋼板。

（2）支撐架。常見L型、H型兩種支撐架，用于過渡塊、基板等結(jié)構(gòu)的連接與固定，一般高度規(guī)格為100mm-500mm。在基板之上安裝支撐架，將過渡板一般安裝于支撐架上端，一般使用螺栓實(shí)現(xiàn)連接固定。此結(jié)構(gòu)構(gòu)型簡單、尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、強(qiáng)度高、制造簡便且成本低。

（3）壓塊。一般使用螺栓將其連接到夾緊裝置的夾臂中，壓塊連接方式?jīng)Q定了夾緊單元是否容易更換。為滿足不同車門工件焊接時快速調(diào)節(jié)夾緊單元的需求，需要通過柔性化設(shè)計(jì)保證壓塊可輕松調(diào)節(jié)。車門焊接中壓塊夾緊力一般小于300N。

（4）定位塊。車門工件焊接時，定位塊與沖壓件外表面直接接觸，而沖壓件構(gòu)型較復(fù)雜，因此要求定位孔表面與工件表面的形狀向一致，且有較高尺寸精度需求。制造時為了滿足定位面尺寸精度及定位面形狀等方面的精度要求，一般采用模具或數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工。定位塊常見厚度為16mm、19mm、22mm，為節(jié)約材料、合理受力，一般會使定位塊長度盡可能短。為方便更換、調(diào)整定位塊，設(shè)計(jì)時常將其與過渡板分離，兩者間使用墊片實(shí)現(xiàn)高度調(diào)整，使用定位孔與插銷以保證定位精度。定位塊一般采用厚鋼板制作，表面經(jīng)淬火等處理達(dá)到較高硬度，以增加其耐磨性。

（5）定位銷。其主要作用為保證工件裝夾定位精確度。其作為標(biāo)準(zhǔn)件，基于焊接件定位孔孔徑?jīng)Q定其孔徑，定位銷直徑一般略小于定位孔直徑，焊接件定位面裝配精度?？刂圃凇?.2mm內(nèi)，而定位銷精度?？刂圃凇?.1mm內(nèi)。定位銷的頭部一般為圓弧形、錐形，作用為定位導(dǎo)向。定位銷表面一般超出焊接件定位孔3mm。定位銷有固定銷、擺動銷、伸縮梢等形式，車門焊接常使用固定定位銷。

（6）氣動夾緊裝置。作為核心執(zhí)行部件，其由氣缸、電氣部分和機(jī)構(gòu)部分組成。氣缸作用為提供動力；電氣部分基于感應(yīng)開關(guān)實(shí)現(xiàn)夾緊裝置的打開與閉合，機(jī)構(gòu)部分作為為將氣缸直線運(yùn)動轉(zhuǎn)為輸出軸夾緊臂的轉(zhuǎn)動。氣動夾緊裝置需要有足夠動力、剛度與強(qiáng)度，其輸出的夾緊力一般較大，需保證夾緊臂轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)方便，能在夾緊狀態(tài)下自鎖。

（7）調(diào)整墊片。作為重要輔助零件，其結(jié)構(gòu)簡單、易制造，常見厚度為0.5mm、1mm，常見長度為25mm、50mm，常見寬度為16mm、19mm，根據(jù)實(shí)際情況選擇和增減不同尺寸墊片以滿足夾具空間位置的需求。

4.2 三維設(shè)計(jì)

（1）裝配環(huán)境的參數(shù)設(shè)定。在進(jìn)行車門總成焊裝夾具裝配前，需要進(jìn)行三維設(shè)計(jì)與空間模擬，模擬工作中空間分配、模型定義等工作尤為關(guān)鍵，基本步驟為：①基于車門總成方案建立基礎(chǔ)的焊裝夾具結(jié)構(gòu)三維模型；②基于方案定義模型結(jié)構(gòu)裝配層次及裝配區(qū)域；③基于工件結(jié)構(gòu)等參數(shù)確定焊裝夾具模型各結(jié)構(gòu)間裝配時的約束關(guān)系；④基于焊接要求進(jìn)行具體的焊裝夾具三維設(shè)計(jì)；⑤基于設(shè)計(jì)要求進(jìn)行三維模擬裝配與干涉檢查。

為保證裝配設(shè)計(jì)合理、順利進(jìn)行，必須基于裝配對象設(shè)定具體且合理的裝配環(huán)境參數(shù)。在三維軟件中點(diǎn)選工具欄，打開環(huán)境參數(shù)設(shè)定界面，進(jìn)行各項(xiàng)標(biāo)簽參數(shù)的設(shè)定，主要包括：①更新，即選擇自動更新裝配設(shè)計(jì)的進(jìn)度，選擇動作層則只更新當(dāng)前子裝配層設(shè)計(jì)進(jìn)度，選擇所有層則跟更新所有子裝配層設(shè)計(jì)進(jìn)度；②存取至幾何，首先選擇自動轉(zhuǎn)換到設(shè)計(jì)模式，然后才能進(jìn)行快速移動、多重引用、偏移、旋轉(zhuǎn)、重復(fù)使用圖樣等操作；③移動組件，該命令在移動任意一個固定于一起的分件時會發(fā)出警告，并對以后操作起作用，使用羅盤可進(jìn)行快速移動、偏移、旋轉(zhuǎn)等操作；④粘貼組件，該命令可粘貼無約束條件的分件，在選擇剪切后，可以通過粘貼幾個裝配分件應(yīng)用于裝配約束中，在選擇剪切后與組立約束操作時，可通過粘貼幾個分件到裝配約束中；⑤建立約束于快速約束，選擇需使用的幾何要素，然后對所需幾何要素進(jìn)行約束操作，若選擇使用分件，則可選擇發(fā)布中的元素并進(jìn)行復(fù)制分件的操作，使用快速約束時可將其設(shè)為默認(rèn)約束命令，從而改變約束順序。

（2）確定基準(zhǔn)面高度。熟悉焊裝夾具結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要點(diǎn)后，對焊接夾具進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，為實(shí)際加工提供圖紙依據(jù)。車門三維設(shè)計(jì)中，需要應(yīng)用人體工程學(xué)，以170身高為例，其直立狀態(tài)下雙手離地距離為800mm-1200mm，因此為保證工作體感舒適度，并保證焊鉗不干涉人工操作，可將基準(zhǔn)面設(shè)計(jì)在待焊工件下方離地高度500mm-800mm左右高度。因車門內(nèi)板夾緊定位點(diǎn)十分多，若基準(zhǔn)面過低，則支撐座高度過高，這樣一來需要更多夾緊單元，夾具重量也增加，為避免材料浪費(fèi)，一般將基準(zhǔn)面高度設(shè)定在300mm左右，為保證焊件的離地地面充足，保證焊鉗順利出入，常選擇380mm左右支座與40mm左右基板。

（3）夾具三維設(shè)計(jì)方案。基于車門內(nèi)定位基準(zhǔn)，結(jié)合內(nèi)板分總成曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，一般而言車門內(nèi)板定位孔與定位面方向不同、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為方便工件能便捷的放入、取出夾具，可將部分定位基準(zhǔn)及定位件設(shè)計(jì)為可移動結(jié)構(gòu)，并使用聯(lián)動定位件實(shí)現(xiàn)部分定位基準(zhǔn)的定位夾緊。處理與定位孔相重合的定位基準(zhǔn)時，需使用定位銷實(shí)現(xiàn)定位夾緊，若定位基準(zhǔn)時需通過焊件型面實(shí)現(xiàn)定位夾緊，夾具設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與焊件型面的形狀擬合，保證接觸面與焊件接觸面完美貼合。

（4）夾緊裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。基于車門內(nèi)板總成定位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)，焊接夾具三維設(shè)計(jì)流程大體為：轉(zhuǎn)換平面設(shè)計(jì)文件→截斷面→設(shè)計(jì)定位塊與壓板→裝配外購件與標(biāo)準(zhǔn)件單元→焊接干涉檢查→輸出總裝圖。以第三步為例，首先構(gòu)建壓塊、壓臂、定位塊等夾緊機(jī)構(gòu)構(gòu)件大致輪廓，然后確定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)、確定氣缸型號、尺寸及具體安裝坐標(biāo)，然后在二維草圖中基于拉伸、倒角等操作獲得完整組件三維圖，。壓塊間、壓塊與壓臂間一般采用兩銷一釘方式實(shí)現(xiàn)緊固安裝，定位塊與支撐座、過渡塊間采用兩銷兩釘方式實(shí)現(xiàn)緊固連接，同時設(shè)計(jì)需保證壓塊與壓臂、定位塊與支撐座、定位塊與過渡板間有5mm左右間隙，以滿足墊片的安裝與調(diào)整。

（5）氣動夾緊裝置設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)重點(diǎn)為氣缸的選擇，打開角度的確定。設(shè)計(jì)時需根據(jù)杠桿平衡公式計(jì)算，確定夾緊作用力、打開角度，選擇合適機(jī)構(gòu)類型，確定氣缸型號及缸徑。氣缸選擇可遵循以下原則：①若單個夾頭單向調(diào)整，可選擇缸徑為40mm的氣缸；②若型面角大于等于15°，夾頭需兩向調(diào)整，且氣缸搖臂的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)無法與焊接件型面處于同一平面時，可選用缸徑為50mm的氣缸；③若型面角度大于等于15°，夾頭需兩向調(diào)整，且氣缸搖臂旋轉(zhuǎn)點(diǎn)能與焊接件型面處于同一平面時，可選擇缸徑為50mm的氣缸；④若兩個夾頭需多向調(diào)整，且壓緊扭矩設(shè)計(jì)為大于160Nm時，可選擇缸徑為63mm的氣缸。三維圖設(shè)計(jì)完成后，輸出對應(yīng)二維工程圖，并標(biāo)注尺寸與加工技術(shù)要求，然后繪制總裝圖并進(jìn)行檢查，再繪制夾具各單元體組裝圖與零件圖。

（6）干涉檢查。當(dāng)焊裝夾具中每個具體結(jié)構(gòu)及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)對基本元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)，以檢驗(yàn)焊鉗在伸入夾具各個焊點(diǎn)實(shí)施焊接時，是否會存在與夾具結(jié)構(gòu)相互干涉的問題，并檢驗(yàn)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理型，對發(fā)生干涉的位置或夾具結(jié)構(gòu)存在不合理的位置進(jìn)行重新分析與設(shè)計(jì)，直至完全滿足焊裝工藝要求。

實(shí)操中可利用CATIA等軟件的運(yùn)動分析功能，進(jìn)行焊裝夾具運(yùn)動結(jié)構(gòu)的運(yùn)功仿真分析，基于空間旋轉(zhuǎn)等功能進(jìn)行模塊分析，分析各部分結(jié)構(gòu)空間關(guān)系，判斷是否存在干涉問題。仿真分析中，需根據(jù)實(shí)際加工環(huán)境將要求選擇不同型號、不同喉深喉寬的焊鉗，進(jìn)行多重分析，焊鉗喉深等參數(shù)會直接影響焊接深度等焊接細(xì)節(jié)，而不同型號焊鉗的結(jié)構(gòu)、工作行程的范圍也不一樣，而這些參數(shù)決定了其是否會干涉焊接工作，因此需要針對各工種不同型號焊鉗，結(jié)合工件形狀、焊點(diǎn)分布等要求，進(jìn)行仿真觀察，以檢驗(yàn)焊鉗活動空間能否滿足焊鉗運(yùn)動、放置、移動的要求。最終經(jīng)過多次調(diào)整，需保證焊槍與焊裝夾具等裝置之沒有干涉，保證焊裝夾具內(nèi)部結(jié)構(gòu)間不存在干涉。

5 結(jié)束語

綜上，本文詳細(xì)介紹了如何優(yōu)化車門焊接夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。實(shí)際操作中，需基于加工環(huán)境、產(chǎn)品要求，綜合考慮加工成本，合理選擇和確定夾具各零部件的結(jié)構(gòu)、尺寸，并積極使用三維建模、仿真等技術(shù)，進(jìn)行運(yùn)動仿真實(shí)驗(yàn)、干擾檢查，以大幅提升夾具設(shè)計(jì)合理性與定位精度。

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