前纵梁补焊夹具的设计现状

孙鹏尧　李欣疏　潘美霖

摘 要：随着工业化进程的不断加快，焊接夹具向着标准化生产稳步发展。本文对汽车前纵梁焊接夹具设计要求以及相关夹具性能特点进行详细分析，着重分析焊装夹具的设计过程、设计原则以及各零部件选择方法。

关键词：前纵梁;焊装;夹具

中图分类号：TH123.1文献标识码：A文章编号：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 夹具的发展现状

夹具作为机电产品加工制造过程中不可或缺的一部分，被广泛应用于机械制造过程中，如切削加工、焊接、装配、热处理以及检测等工艺过程。随着现代化工业生产水平的飞速发展，夹具在诸多工艺装备制造中占有重要位置，其设计是否合理性，与加工成本、加工精度以及生产效率息息相关，特别是专用夹具，对产品质量起着决定性作用。

由于夹具在机械生产加工中占有重要位置，国内外已经逐渐形成了一个比较系统的夹具研究系统。例如，本文所研究的汽车行业，在汽车车身焊装生产线中，要通过夹具来确保汽车零件间的相互位置具有较高准确度，并保证车体结构完整性。可见，夹具在车身焊装生产线上占据核心位置，性能优异的夹具是保证车身焊接质量完好的前提，进而影响整个汽车制造精度和生产周期。目前，我国焊装夹具仍没有统一的生产规格和标准，其加工过程还需结合具体机械结构、生產条件以及实际要求来自行设计制造[1]。

2 前纵梁焊接夹具

2.1 前纵梁性能要求

在汽车车身结构中，纵向梁作为车身结构的重要组成部分，起承载作用，决定了汽车车身正面抗碰撞性能以及弯曲刚度水平[2-4]。根据车身框架结构，可将前纵梁分为非贯通前纵梁与前后贯通纵梁。汽车前纵梁主要有以下几点性能要求。

①碰撞过程中吸收能量的核心结构，在车长方向为力的主要传输通道。

②抵抗变形的主要结构，保障汽车乘坐人员人身安全。

③与底盘连接，并安装前后悬架，承担底盘向车身传递的载荷。

④与动力总成连接，固定动力总成，承担动力系统向车身传递的载荷。

2.2 焊装夹具设计特点

在实际生产过程中，每个企业对相应夹具供应商都提出详细完善的技术要求，包含各零件尺寸、公差、材料以及表面处理方式等，使焊装夹具设计制造规范以及质量得到充分保证[5]。汽车零件焊接夹具在设计过程中具有以下特点。

2.2.1 强度和刚度。焊装夹具要具有良好的刚度和强度，以保证夹具在投入使用过程中可承受多种力的作用。

2.2.2 灵活性。为保证操作人员视野开阔以及操作设备的灵活度，应使夹具生产过程中焊装空间足够合理，保证焊接生产工作状态稳定。

2.2.3 可靠性。夹具在夹紧时要确保工件定位位置不能随意变更，同时还要保证产品尺寸、外观符合设计要求。夹紧过程中要既要防止工件滑移松动，又要控制夹紧力，避免工件产生较大的约束应力。

2.2.4 工艺性。设计夹具应满足制造、安装和操作要求，同时要方便检验和维修。考虑车间现有动力源以及吊装能力环境，使夹具成本降至最低。

2.2.5 便于装卸。夹具在使用过程中需要经常装卸工件，所以要考虑工件的装配定位要求以及焊接结束后能够快速地从夹具中取出，同时要保证工件在吊装翻时不受损。

2.3 汽车焊装夹具定位基准理论

汽车车身零部件外形通常比较复杂，多为3D薄板曲面，且结构尺寸较大，零部件一般通过定位方式定位，即“N-2-1”定位原理[6，7]。对于刚度较低的板壳工件，需要在第一基准面布置N个（N>3）定位点，在第二基准面上布置2个定位点，在第三基准面布置1个定位点;对于表面积比较大的薄板焊件，由于工件本身重量分布不均，且受焊接产生的热应力影响，在焊接过程中产生表面法向变形。

研究表明，对于较大尺寸的薄板工件，若采用“3-2-1”原理定位会产生较大法向变形量;若采用“N-2-1”原理，在第一基准面放置3个以上定位点，即可降低变形量，从而保证定位准确。

3 焊装夹具设计的过程

3.1 焊装夹具方案设计原则

夹具方案设计总体分为四个阶段：定位方案设计、夹紧方案设计、辅助元件选择和夹具空间布置设计。其中定位方案设计和夹紧方案设计占主导地位。使用面定位、孔定位等方式需要结合限制工件6个自由度，使零件保持在固定位置。在设计夹具过程中要参考以下几点定位原则。

①通过限制工件定位面法向移动自由度的方法来实现面定位，将工件的外形轮廓或表面作为基准进行定位时，应用定位块和支柱进行定位。

②通过限制垂直于孔轴线截面的两个移动方向的自由度来实现孔定位，通常情况下可以采用定位销定位方式来定位工件圆孔内表面。

③与孔定位原理相同，工程上常采用V形铁来定位工件圆柱外表面。

3.2 焊装夹具的结构设计

通常情况下，定位元件和夹紧元件构成了焊装夹具的基本结构。实际生产过程中，焊装多以孔定位和面定位的方式来定位，故定位板和定位销为两种常用定位元件。而夹紧机构则采用手动夹紧和气动夹紧两类夹紧方式，具体选择方式还要考虑企业生产自动化程度[8]。

3.2.1 定位元件的设计。常用的定位销有固定式和移动式，具体选择定位销时，要考虑焊装时装卸零件顺序、冲压形状以及定位孔布置位置等因素。在车身焊装过程中，若销的固定位置妨碍了工件装卸，就必须将定位销设计成移动式结构。工件上孔的直径要稍大于定位销直径，形成间隙配合，尺寸公差0.1mm，控制位置精度为±0.1mm，从而保证工件定位精度。

在设计过程中，定位面要求具有较高的尺寸精度和形位精度。为方便元件制造和调整，工程上常设计定位板和底座，使整体加工变得更加便捷，同时也缩减了定位板尺寸。使用孔定位方式来连接定位板与底座也是很常见的。在设计过程中，为了方便夹具安装、调试和测定，定位板定位精度要靠销的形位精度来保障。

3.2.2 夹紧元件的设计。为保证零件不受其他外力因素影响，并克服自身弹性变形，最终保证汽车各零部件定位基准面和定位块配合紧密，在车身焊装过程中，可使用夹紧机构夹紧零件，通过夹紧力确保零件装配位置的准确性和装配进度。依据车身零部件的具体需求，可以使用手动夹紧机构和气动夹紧机构两种方式进行夹紧。

车身零部件与夹具夹紧件之间的局部接触形状需要由相应位置零件的具体模型数据决定。在夹紧件设计过程中，为确保操作人员具有较好的视野，要保证夹紧件在非夹紧状态时空间足够大。不同夹紧件由于设计形式存在差别，导致夹紧件运动轨迹也会有所区别，在能保证夹紧件正常使用的前提下，要尽可能使夹紧件结构简单化、标准化。

3.2.3 调整垫片。调整垫片一般分为圆形垫片、方形垫片、弹簧垫圈以及当连接件产生误差或需紧固时进行调整的垫片。在夹具中，调整垫片主要有两方面的作用：一是用作定位调整;二是用作夹紧调整。定位调整垫片可以确保调整毛坯各加工面定位准确，同时使各加工面的加工余量均匀。夹紧调整垫片通过改善夹紧机构夹紧力，提升夹紧件可靠性。

弹簧垫圈具有制造成本低廉、使用便捷等优点，所以弹簧垫圈常用在一般机械产品拆除工作中。弹簧垫圈属于螺栓摩擦防松的一种防松方式，在夹具中的使用范围也极其广泛。但弹簧垫圈不具备较高的防松能力，导致其在制造要求较高的产品中使用率比较低，在一些重要的承载结构中更不会被使用。有些学者认为，钢制弹簧垫圈存在涨圈和易脆裂等不安全因素，使用时需要对其材料进行优化。我国军工方面某些领域依然会通过改善弹簧垫圈材料的方法加以利用。

3.2.4 夹具底板设计。夹具底板作为焊装夹具的工作平台，需要承受工件以及夹具本身的重量，一般采用Q235 A板材，并与槽钢或方钢焊接后投入使用。使用时，在上表面要加工出坐标刻度线，方便检测夹具使用状况。在设计工艺方面，Base板要防止倾斜，安装到基座上时要保持水平状态，待安装完毕后，可在Base板上部安裝焊装夹具。夹具底板设计要满足以下原则：①以基座为基准，确保基座与Base板安全紧密结合;②在满足承载的前提下，设计要轻量化。

3.2.5 螺栓的选用。常用螺栓主要分为内六角螺栓和外六角螺栓。内六角螺栓具有便于拆装、便于紧固和不易滑角等优点，在机械中被广泛使用。同时，可配合内六角扳手使用，内六角扳手多呈90°弯折状，手握长边力臂较大，便于紧固螺栓，长边端部可以根据螺栓安装位置对螺栓进行拆装。外六角螺栓制造成本较低，且螺栓头较内六角螺栓薄一些，在有些结构中经常使用，尤其是在制造成本低、动力要求不高的场合多采用外六角螺栓。

除内、外六角螺栓外，有些结构中也使用化学螺栓，但化学螺栓使用范围局限性较大。在选择螺栓这类标准件时，要严格遵照相关标准要求，并对所设计的螺栓组进行强度校核。

3.3 焊装夹具的夹紧

焊装夹具夹紧时要确保工件装配相对位置，避免工件由于自身重力产生弹性变形。另外，作用点应与支撑点相吻合，保证工件抗弯曲能力，使之与定位基准保持紧密贴合。为达到上述要求，通常夹紧力F≥400N;对于厚度[δ]<1.2mm的零件，300N≤F≤500N;对于1.5mm<[δ]<2.5mm的冲压件，夹紧力F一般控制在500N左右。焊装夹具的夹紧装置处于非夹紧状态时，为确保更换工件的便捷性，须预留足够的活动空间。

个别情况可以去除夹紧机构;当车身零件装配结束后常使用电阻焊焊接，使工件不受扭转力矩;当工件重力同电焊加压方向保持一致时，焊接产生的压力能够克服工件的弹性变形，确保装配的准确性与紧密性。

4 结论

汽车前纵梁补焊夹具的设计要求与其他焊接夹具设计具有一定的相似性，同时还要考虑前纵梁结构的特殊性，在设计时要满足焊装夹具各零部件结构要求，标准件需根据国家标准进行选择。在夹具夹紧和焊接过程中，要避免工件变形，提高夹具使用效率，降低设计成本，最终实现焊接夹具生产标准化的目标。

参考文献：

[1]屠攀.汽车零件柔性焊接夹具设计与研究[D].上海：东华大学，2016.

[2]汪小霞，黄呈丽.汽车焊装夹具设计的步骤与方法[J].汽车零部件，2015（5）：72-75.

[3]杨永辉.汽车焊装夹具的优化设计研究[J].工业技术，2015（8）：46.

[4]冯明佳.基于CATIA的汽车车身焊装夹具设计[J].农业科技与装备，2016（10）：29-31.

[5]文瑞娟.汽车车身焊接夹具的设计规律[J].科技创新与应用，2017（2）：125.

[6]文春光.汽车车身的焊接工艺设计[J].科技创新与应用，2017（3）：133.

[7]禹化宝.基于案例汽车焊装夹具智能设计系统的研究与开发[D].烟台：烟台大学，2014.

[8]濮良贵，纪明刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.