1、- 1 -汽车焊装夹具设计摘要：汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一，随着中国汽车工业的快速发展，拉动了中国夹具产业的快速发展，也给中国夹具产业带来了发展良机。十年前中国汽车焊装夹具主要是以一汽和台湾省的夹具团队为行业的标志型企业，而今天已发展数十家，一批快速崛起的民营企业已经具有相当的规模。无论从技术和产能上都大大超过了当年所谓的标志型企业，在中国汽车焊装夹具产业中起到了重要的作用。从汽车焊装夹具在全国的分布状况可以看出，中国的汽车焊装夹具已从过去的星星之火到今天的遍布全国。也是这几年汽车产业的发展使中国的汽车焊装夹具企业迅速提升，通过近几年在中国上市的几十款自主及合资品牌的汽车所需的夹具
2、装备上看，有近 5 0以上是由中国焊装夹具企业开发制造的，许多轿车已经把机器人焊接和自动化生产线等复杂的整车焊装夹具交给了中国焊装夹具企业并收到了良好的效果，帮助了中国焊装夹具企业的快速提高。夹具是工业生产的基础工艺装备, 夹具技术已成为衡量一个国家产品制造水平的重要标志之一，并在很大程度上决定企业的生存空间,是十分重要的装备工业。汽车焊装夹具工业和技术，一直是国家重点鼓励发展的产业，产品和技术是发展汽车工业的基础。近年来，我国汽车产业的发展有目共睹，汽车年产量保持着 15%左右的增长率，2010 年超过 1000 万辆，然而，在我国汽车制造业水平迅速提高的同时，作为国内现有的汽车夹具制造企业
3、的产品，无论是产品的质量还是产量，都无法满足不断增长的汽车车身焊装生产线的需求，大量的汽车夹具依赖进口。目前每年仍有 50需要进口，而机器人焊接和自动化生产线等复杂的整车焊装夹具 80%以上依赖进口，引进国外的焊装夹具产品不仅要花费大量的外汇，而且会严重阻碍汽车产品的更新换代，严重的制约了我国汽车工业快速健康的发展。关键词：汽车；夹具；设计；焊接；机构引言：汽车工业装备是最近兴起并迅猛发展的一个新兴行业。其实在这之前它也存在着，但由于汽车制造厂的车型更换没有现在这么的- 2 -频繁，种类这么的多样化，且车型更换时变化最大的就是白车身。这就要求其对应的焊装线能跟上汽车车型和种类的变换。在这种情况
4、下突出了焊装线在汽车生产和制造中的作用，使得人们越来越重视它。在汽车焊接流水线上，真正用于焊接操作的工作量仅占 30%40% ，而 60%70%为工件的辅助和装夹工作。因为工件的装夹是在焊接夹具上完成的，所以夹具在整个焊接流程中起着重要作用。在焊接过程中，合理的夹具结构，有利于合理安排流水线生产，便于平衡工位时间，降低非生产用时节降低生产成本。对于具有多种车型的企业，比如说一汽、沈汽、上汽等。如能科学地考虑共用或混型夹具，还有利于建造混型流水线，提高生产效率。为提高我们汽车焊接夹具的设计水平，对汽车焊接夹具原理、结构及设计方法、原则有一个更深入的了解，在此把我自己的一些见解和经验与大家一起探讨
5、。一、汽车焊接工艺特点：（一）白车身的材料与结构汽车焊接材料主要是低碳钢的冷轧钢板，镀锌钢板等。它们可焊性好，适宜大多数的焊接方法，但由于是薄板件，因而刚性差、易变形。在结构上，焊接散件大多数是具有空间曲面的冲压成形件，形状、结构复杂。有些型腔很深的冲压件，除存在因刚性差而引起的变形外，还存在回弹变形。这都是在夹具设计构成中应该考虑的问题。（二）焊接方法- 3 -汽车焊接方法主要有 CO2 气体保护焊和电阻焊。CO2 气体保护焊应用范围较广，且对夹具结构要求不十分严格。主要注意防止焊接产生的飞溅。相应采取的措施有主要有夹具表面镀铜、主要夹紧定位部件包铜皮、加装保护盖板等措施。电阻焊是在汽车白车
6、身焊接中主要采用的一种焊接方法。对夹具要求严格，尤其是多点焊和机器人点焊。要求焊接夹具对工件定位准确，操作方便且焊接牢固可靠。（三）焊接工艺流程汽车焊接的基本特征就是单个零件到部件再到总成的一个组合再组合的过程。从零件到白车身焊接总成的每一个过程，既相互独立，又相互联系，因此组件的焊接精度决定着部件总成的焊接精度，最后影响和决定着车身焊接总成的焊接精度与质量，这就要求相互关联的组件、部件及车身焊接总成夹具的定位基准应具有统一性和继承性，只有这样才能保证最终产品质量，即使出现质量问题也易于分析原因，便于纠正和控制。白车身的焊接过程以流水线生产为主，所以夹具设计应有利于流水线的布置和设计，同时也考
7、虑给生产管理提供方便。（四）可操作性我们这里讲的可操作性就是指焊接夹具的使用操作是否方便灵活。一台焊接夹具不仅要保证工件的定位准确，夹紧牢固可靠。还要保证操作者能方便的把零件摆放到夹具上定位夹紧，方便的操作焊枪进行焊接，方便的取出工件。我总结为“三个方便”。要实现这三个方便- 4 -就要从整体去考虑这些要素，不如说操作高度是否合理，焊枪选用的是否合理，上件夹紧的步骤是否合理。对于形状相似不好区分左右的工件是否有防反措施。对于不好焊接的地方是否有焊枪的导向机构。不好放置和取出的工件是否有举升机构。为了方便焊接是否要增加旋转机构等。这都是在设计过程中需要考虑的问题。二、焊接夹具的设计方法与步骤（一
8、）在设计焊接夹具之前，应首先了解生产纲领、产品结构特征、工艺方法及生产线布置方式，作好充分的准备。参照国内外先进的夹具结构，并结合实际情况确定夹具总体方案。诸如是固定夹具还是随行夹具，机械化、自动化水平是高是低，几种车型主要夹具是否混型共用等。要准备好的工艺文件包括工序卡，技术协议，产品数模，夹具式样书，焊点文件。确定使用那种标准件，那种气动元件以及甲方的特殊要求。（二）根据焊件结构特点及所需焊接设备（焊枪或 CO2）型号、规格，确定定位及夹紧方式（如果有式样书直接按照式样书上的夹紧定位方式即可）；同时根据冲压件的工艺特点及后续装配工艺的需要选择合适的定位点及关键定位点。大部分厂家已经规定好了
9、零件定位的RPS 孔和 RPS 面，不需要我们在制定定位基准了。但是大家也一定要了解如何确定定位的基准孔和基准面。- 5 -（三）主体机构确定后，便可确定辅助装置。如水、电、气回路，气、液动元件以及覆盖件外部焊点所需保护铜板等。（四）按照确定好的定位点开始 3D 设计。定位块要求在定位面的法向右 3mm 的调整量。定位销要求在与定位孔中心线垂直的平面上有两个方向的调整量。 （五）在进行夹具的具体结构设计时，应尽可能多的采用标准化元件，或提高自身的通用化、系列化程度。三、焊接夹具的组成、结构及要求汽车焊接夹具通常由夹具地板、定位装置、夹紧机构、测量系统及辅助系统等五大部分组成。- 6 -四、命名
10、规则： - 7 - 8 -（一）夹具底板夹具地板是焊接夹具的基础元件，它的精度直接影响定位机构的准确性，因此对工作平面的平面度和表面粗糙度均有严格的要求。夹具自身测量装置的基准是建立在夹具底板上，因此在设计夹具底板时，应留有足够的位置来设立测量装置的基准槽和基准孔，以满足实际测量的需要。另外，在不影响定位机构装配和定位槽建立的情况下，应尽可能采用框架结构，这样可以节约材料、减轻夹具自重。在甲方没有指定的情况下，夹具的底板采用如下的规格：1、BASE 长度在 1m 以内的，使用厚度 16-18mm 的板。型钢使用 14槽钢。2、BASE 长度在 1m 2m 之间的。使用厚度为 2022mm 的钢
11、板。型钢使用 16槽钢。3、超过 2m 的使用大于等于 25mm 厚的钢板。型钢使用 20以上的槽钢。4、BASE 为焊接结构件。焊接后要进行退火去应力处理。表面要做防锈处理。并且在 BASE 面内刻线。（二）定位装置定位装置中的零部件通常有固定销、插销、挡铁、V 型块，以及根据焊件实际形状确定的定位块等。1因焊接夹具使用频率极高，所以定位元件应具有足够的刚性和硬度，以保证在更换修整期的精度。一般采用 45钢。型面要求表面淬火。- 9 -定位销要耐磨并且有一定的刚度。一般采用 40Cr 调质，表面镀铬处理。压紧部分的要求与定位部件的要求一致。定位销又分为固定、摆动、伸缩这几种。当工件上的定位孔
12、的中心线与 BASE 面垂直（垂直于取件方向），且定位销在工件的下面的时候，采用固定销。当定位销的轴线于BASE 面（或取件方向）有角度的时候采用伸缩销。这时如果定位销在工件的上面则采用摆动销。在使用摆动销的时候注意旋转点的选择。原则是以旋转点为中心所画的圆于摆销的中心线相切。如下图：此圆与销中心线相切- 10 -2为便于调整和更换主要定位元件及使夹具具备柔性的混型功能，定位机构应尽可能设计成组合可调式的。3标准化设计。按照现有的厂标件的标准统一一些能够通用互换的零件。例如 L座、导向板、调整垫片等。我们也要不断从各个厂家中的标准件中取优去劣,总结出自己的标准件.在这个行业中迟早会有我们自己的
13、行业标准件,因为只有标准统一了才能够使我们这个行业有更大的竞争力.才能向更快更好更高的目标发展.4、夹紧机构汽车焊接夹具的夹紧机构以快速夹紧机构（手夹）和气动夹紧机构为主。快速夹紧机构具有以下优点：4.1 快速夹紧器，其结构简单，从自由状态到夹紧状态的角度可以自由的调整，主要用于批量较小生产纲领较低的生产线。在车型前期的试制（样车）时经常使用。4.2 快速夹紧器根据需要可几个串联或并联在一起使用，达到二次夹紧或多点夹紧的目的。另外对定位精度较低的焊件能实现夹紧和定位同时进行，消除了专用定位元件。它还能通过转换其机构组成发挥更多作用，应用范围较广。4.3 配以螺纹调节压块，可纠正焊件变形，保证焊
14、点搭边能紧密配合，不产生脱焊、虚焊现象，提高焊接质量。- 11 -气动夹紧机构具有夹紧和打开速度快，压紧力量大，定位准确的优点。是现在焊装线普遍采用的一种夹紧方式。用于生产纲领高的大批量生产。使用不同种类的气动元件相互配合就能实现复杂的定位夹- 12 -紧机构和不同的功能。- 13 -（三）辅助机构辅助机构在焊接过程中发挥着重要作用。下面介绍三种常用辅助机构。1.旋转系统在夹具底板和夹具支撑中布置的旋转系统，可使夹具体在平面上做360 度旋转（为使转动灵活轻巧还配备有滚动轴承）。这样的系统可解决或克服焊机少的缺陷，因为当焊机不动，电缆长度有限时，转动夹具可使焊点移动到焊钳的工作区域进行焊接，使
15、焊接工作方便轻松地进行，保证焊接质量。另外，为保证夹具在装夹、拆卸时能处于稳定工况，还应设计止动装置。- 14 -2.翻砖机构当焊点处于中间位置时，如果用 X 型焊钳进行点焊，则焊钳无法伸进，喉深也不够，难以焊接；若用 C 型焊钳，如果夹具平放，虽能焊接，但工人的劳动强度大。所以设计夹具时，可将其设计成可翻转夹具，使焊件能向两边翻转 90 度，焊件平面处于竖直位置，这样工人只要将焊枪处于水平位置便可焊接，大大降低了劳动强度。在设计翻转夹具时需要设计止动机构，以防止夹具自动回复原位造成事故。增加配重块移使工人操作时方便省力。- 15 -3、滑台使用滑台的目的有以下几种：（1） 在不能够直接夹紧或
16、定位的地方。如下图- 16 -（2）多种车型混流时，如下图：此处不能直接支撑，用滑台从侧面滑入。一种车型滑台滑到此位置时另一车型- 17 -（3）总拼夹具中使用滑台把侧围总成与地板总成拼装。（四）测量机构利用夹具本体自身设计测量机构是提高夹具设计和制造精度的重要措施。在传统的夹具设计中，夹具合格的标准是利用实际冲压件进行装配组合来检验的，但由于冲压件不可能十分准确，部件总成更有累计误差，所以车身焊接总成的精度必然不高，很难达到设计要求。即使我们使用三坐标测量仪进行检验，可它对一些结构复杂的定位元件仍然无法测量。通过实践证明，利用夹具自身测量机构与三坐标测量仪配合使用，可大大提高焊接夹具的精度。
17、1.测量机构组成（1）基准面和基准槽。测量机构的基准面为夹具地板的工作表面；基准槽是在夹具地板上设计两条相互垂直的十字交叉槽，其结构如图。槽子的位置可由实际需要确定，但是一定在坐标的整百位上。其形式如下图：直角边为坐标的整数位- 18 -五、典型夹具机构特点分析（一）点焊夹具点焊夹具结构简单，可以移动，应以轻巧、灵活为主，定位基准一定要准确。（二）CO2 气体保护焊夹具这种夹具一般以固定式为主，其结构简单。但如果一副夹具仅焊一个组件，则效率太低，这时可将其依次或对称设计成几组定位夹紧机构，做到一具多用，以提高焊接效率。（三）综合夹具这类夹具所装夹组件，既有 CO2 焊，又有点焊。这对一些全点焊
18、组件中有些位置不适宜在夹具上点焊，而一些焊点对外观和质量无特殊要基准孔 3 个基准槽两条- 19 -求的焊件，如果用 CO2 焊先在夹具上预焊，则很方便，且夹具设计简单。所以应适当地进行工艺调整达到简化夹具和提高效率的目的。（四）大型焊接夹具中大型焊接夹具机构庞大、复杂，各部件总成与车身焊接总成之间既相互关联又相互制约和影响。（五）工艺措施与夹具的关系汽车焊接夹具是焊接工艺能否顺利、正确执行的保证，而工艺过程是否合理也影响夹具的设计和使用效果。如因散件装焊次序不同而产生的焊接质量差异等。因此工艺人员和工装设计人员应密切配合，设计出合理的夹具及工艺。（六）调试过程中的再设计对于大型焊接夹具，因结
19、构复杂，调试时会出现许多设计、制造上的问题，以及焊接散件超差等现象。这就要求设计者根据实际情况予以指导修正。调试是一项很复杂的技术工作，而小批量调试和大批量生产又会出现许多不同的问题，因此设计者应随时了解情况，不断地予以修正，在调试过程中再设计。夹具调试还有另一项重要工作，即验证焊接散件是否合格，但调试时应避免因散件质量问题而认为夹具不合格的错误。当然散件有些是属于合理的回弹变形，有些误差也可通过夹具修正成合格品。因此夹具设计者应充分了解冲压件的工艺特性，通过合理的夹具设计，放宽冲压件的合格品范围。六、发展趋势- 20 -1为提高汽车产量，适应流水线生产，应细化工艺，使用高效率夹具，提高生产效率。2为适应系列车型需要，应发展快速可调的混型夹具。3提高夹具机具一体化程度。4采用新的设计方法，如坐标法、模块化设计法、计算机辅助设计等。5提高夹具通用化、系列化、标准化水平。
