老师傅专治车身焊接夹具设计难点

随着我国汽车工业的发展，焊接技术在汽车生产中的应用越来越多，生产效率和产品质量要求越来越高，焊接装配夹具及各种机械化、半自动化和自动化的焊接装配生产线也随之发展起来。随着生产的需要，国内较大的汽车厂都有了专门从事焊接装配夹具设计的专业人员， 这门处于机制和焊接专业边缘的专业技术， 正在实践中得到发展。

而焊接装配夹具设计技术发展得比较晚，国内外相关的专著也较少见。今天为大家分享一篇文章介绍关于设计焊接夹具中的一些难点。

PART 01 什么是焊接夹具

在汽车零件的焊接中，除飞轮齿环、齿轮等个别情况是将一个环状和其他封闭体自身的某道焊缝接起来外， 大多数情况都是把几个不同形状的工件焊接到一起，组成一个焊接合件，因此，焊接和装配一般是联系在一起的， 故通常把焊接过程中所用的夹具称为焊接装配夹具。所谓焊接装配夹具，是指在焊接工艺过程中，根据工件结构的要求，用来保证被焊工件的正确相对位置及形状， 并籍以得到牢固的焊接接头而使用的除焊接设备本身以外的附加装置，统称为焊接装配夹具，并简称为焊接夹具。焊接夹具中的消耗件易损件和独立起导电作用的一些工具，称为焊接辅具。

图1

PART 02 六点定位原则的应用

六点定则在一般的夹具设计书上都有详细的讲解，此处就不再重复。但在车身焊装夹具设计时，常有两种误解：一是认为六点定则对薄板装焊夹具不适用；二是看到薄板装焊夹具有非可调的超定位，而不加分析的认为是定位原则错误。应该肯定六点定则对车身焊装夹具是适用的，设计时应遵守这个原则， 另一方面还需要分析车身冲压件的特点，只有正确认识其生产特点，同时又正确理解了六点定则，才能正确应用这个原则。

1） 薄板冲压件刚性差，在储存和运输时会产生弹性变形。在装配过程中，为了克服弹性变形，必须用外力使有弹性的工件与夹具的定位件紧紧地靠在一起，与定位件一起形成一个刚性体，然后才能焊接成刚性较强、尺寸合格的空间壳体———车身总成。而刚性体工件在夹具中定位， 其超定位的支承可以采用浮动或可调支承去适应， 如果对有弹性的工件也把超定位的支承设计成浮动的， 那就是在弹性体上装弹性工件，永远得不到一个确定的装配尺寸。

图2 焊接夹具分类

2）车身冲压件有的长或宽达1～2 m，尺寸允差和形状允差相对较大，由于定位件与工件的间隙，使大零件的装配位置变化在边界部位表现得较明显。为了纠正装配中的错位现象， 以使装配误差能均衡分布， 在大型焊装夹具的重要部位适当增设工艺定位件，以防止装配误差向某一方向集中，冲压件的精度越低，这种工艺定位越有必要。但这样做无疑又增加了超定位现象。

图3 三维柔性焊接夹具

3）由于薄板件易变形，所以凡是夹紧力的作用点，都必须有相应的支承块。由于工件的结构限制，夹紧力的作用点往往又不能直接落到原定位支承点上，这时必须增加支承点。从定位原则看，这种支承是多余的，但对薄板件是必不可少的。超定位会使接触点不稳定， 产生装配位置上的干涉， 应该尽量避免，但并非在任何情况下均不允许出现超定位，只要超定位所产生的不良后果没有超出工件装配要求所允许的范围，超定位是允许存在的，对薄板冲压件来说，超定位有时是必要的。现在， 有的汽车厂家对车身零部件装焊过程的定位基准用指导文件的形式做了明文规定， 这对基准的统一及质量的提高是有好处的。如图3 所示，根据六点定则制定了六个定位基准， 在图中以实心箭头表示，它们限制了该件在空间的六个自由度。由于工件大，为防上偏差向前侧集中，在上部增加了一个工艺支承点，其裙部刚性差，为防止弹性变形，又增加了两个工艺支承， 就是图中以空心箭头所示的部位。这样在工件被夹紧后，才能与所有定位支承一起形成一个尺寸合格的刚性体， 并最终焊接成合格部件。

薄板件定位应遵守六点定则，但同时又有它的特点， 不同质的矛盾用不同质的方法去解决，这就是理论联系实际。

PART 03 定位夹紧方法及其元件的单元组合

3．1关于定位方法的几个特殊问题

车身焊接夹具大多以冲压件的曲面外型， 在曲面上经过整形的平台、拉延和压弯成型的台阶，经过修边的窗口和外部边缘，装配用孔和工艺孔定位，这就在很大程度上决定了它的定位元件形状比较特殊，很少能用上机加夹具通用的标准定位元件。焊接夹具上要分别对各被焊工件进行定位，并使其不互相干涉。在设置定位元件时，要充分利用工件装配的相互依赖关系作为自然的定位支承。有的工件焊接成封闭体，无法设置定位支承，可要求产品设计时预冲凸台、翻边作为定位控制点。有的工件仅起加强作用，装配位置要求不严格，可在与之相配的工件上冲出位置标记， 只要按标记放在规定位置上焊牢即可，在定位方法上采取这些措施，可大大简化夹具结构。如车身上有不少电线束卡子，有的夹具上为之设计了很复杂的活动定位装置， 这是对车身零件的作用不了解造成的一种浪费。车身焊接夹具上，板状定位件较多，定位板一般用A3 钢板，厚度12～16 mm。定位板的位置除有特殊要求外，最好选在坐标网格线上，因为这些地方一般有主样板，加工时可借用样板划线。定位件按坐标标注位置尺寸，不注公差，但不是没有要求，另外还有一套精度标准和检查、验收管理办法。

图4 发动机仓侧板定位基准示意图

3．2关于工件的夹紧

1）不使用夹紧机构的条件

车身冲压件装配后，多使用电阻焊焊接，工件不受扭转力矩，当工件的重力与点焊时加压方向一致，焊接压力足以克服工件的弹性变形， 并仍能保持正确的装配位置，而与定位基准贴合时，可以省去夹紧机构。另外，在固定式点焊机上用焊接样板定位焊接时，要尽可能用焊工的双手控制被焊工件，而不用夹紧机构。

2）高效快速、多点联动夹紧

焊接通常在两个以上工件间进行， 夹紧点一般都比较多，电阻焊是一种高效焊接工艺，为减少装卸工件的辅助时间， 夹紧应采用高效快速装置和多点联动夹紧机构。

3）夹紧力作用点的安排

对于薄板冲压件， 夹紧力作用点应作用在支承点上， 只有对刚性很好的工件才允许作用在几个支承点所组成的平面内， 以免夹紧力使工件弯曲或脱离定位基准。

图5 车身的定点焊接工位

4）夹紧力大小的确定

对车身焊接夹具，夹紧力主要用于保持工件装配的相对位置，克服工件的弹性变形，使其与定位支承或导电电极贴合。对于板状结构，夹紧力应使装配件之间或使工件与电极之间的贴合间隙不大于0．8 mm；对于刚性冲压焊接件，要使其缝隙不大于0．15 mm，才能使焊接不发生困难，避免因夹紧不好而使焊点不牢或工件烧穿。夹紧力的大小与冲压件的质量、导电块的调整位置和磨损情况有很大关系，现在还提不出一个夹紧力的计算公式，根据经验，1．2 mm 厚度以下的钢板冲压件， 每个夹紧点的夹紧力一般选在300～750 N 范围内， 钢板厚度在1．5～2．5 mm 之间的冲压件，每个夹紧点的夹紧力大致可在500～5 000 N 范围内。定位、夹紧元件的单元组合焊接夹具的定位夹紧元件设计有两种模式：一种是非标准的定位、夹紧和其他联接机械，这种形式结构一般比较紧凑，但设计和制造周期较长；另一种是单元组合式，如图6、图7 所示。图6 中的定位销较长是为了能伸进焊钳。图7 中除定位板和压板要按工件形状设计外，其余都由标准件组合，设计、装配和调整都比较方便。

图6 定位销单元组合

5）夹具结构及精度控制

如图4 所示，驾驶室总成装焊夹具体积庞大，结构也相当复杂，为了便于制造、装配、检测和维修，必须对夹具结构进行分解，否则将无法进行测量。图6中有三个装配基准，就是底板1、右侧板2 和左侧板3。在它们的平面上都加工有基准槽和坐标线，定位、夹紧组合单元4、5， 分别按左右侧板和底板1 上的基准槽进行装配。各单元的内部结构和尺寸另有单元组合图，并按单元检测合格，最后将三大部分组合起来，成为一套完整的夹具。

图7 固定式总装焊夹具结构简图

1．底板2．右侧底板3．左侧底板4、5 定位夹紧部件6．传送线

6）焊接夹具的精度控制

图8 夹具底板上基准槽示意图

7）夹具精度标准由设计单位制订。图8是对夹具底板上基准槽的形状和尺寸要求， 槽宽10 mm，深5 mm，图上标明加工要求，两槽互相垂直。在槽的两侧每200 mm 或400 mm 还要刻上坐标网格线，线的形状各设计单位都有各自的标准。基准槽是夹具精度的唯一测量基准，其他网格线只能作部件装配时找相对坐标位置用。一般定位销的位置精度允差±0．2 mm，定位板的形状允差±0．3 mm。