汽车车门焊接夹具结构的改进设计分析

徐兴波

摘 要：车门焊接作为车辆制作中的重要工序之一，其加工精度与效率直接影响了汽车产品的质量与利润。而夹具作为焊接工作的重要辅助装置，其结构是否合理将影响焊接精度、加工效率。基于此，文章在简述车门焊接相关技术概念的基础上，从三维设计角度深入探究了车门焊接夹具结构的改进设计，希望能为相关技术人员提供有价值参考。

关键词：汽车加工 车门焊接 焊装夹具

1 引言

汽车工业作为我国工业重要组成部分，长期推动国民经济快速发展。汽车制造中，汽车车门需要经过焊接、机械连接等多种方法实现结构联接，焊接过程中夹具发挥重要作用，当前定位误差是其存在的主要问题，为解决这一问题，本文着重从三维设计角度，探究如何改进夹具结构设计，提升其定位精度。

2 汽车车门结构及焊接工艺简述

2.1 车门结构

常见汽车车门一般由车门主体与相关附件组成，车门主体结构包括车门内板、车窗、门铰链、门锁等结构组成。以家用小汽车为例，一般在车身左前、右前、左后、右后位置分别有一个车门，且成对称排列。车门有无窗框、有窗框、分开式、整体式等多种类型，家用汽车常使用有窗框分开式车门结构，具备强度高、成本低等优势。本文主要针对分体式有框车门分析其焊接及夹具结构设计等问题，此类车门零部件包括内板、外板、铰链等，经焊接、包边及胶合固化装配后成形，一般刚度、强度较高，因包含各种复杂功能部件和板材，因此整体结构复杂。以前门内板为例，主要包括窗框、窗框尾部、窗框合件、内板加强板、门锁加强板、防撞梁合件、内板合件、内板合件、三角框支撑架、铰链等。

2.2 车门焊接工艺

（1）车门内板总成焊装一般过程为薄板冲压零件→合件→分总成→总成。基于内板总成生产计划与结构特点，一般需要至少四个焊装工位，如第一工位负责窗框、窗框尾部、内板加强板等结构的装夹定位与焊接，第二工位负责门锁加强板、螺铰链、门窗合件等构件与前一工序所完成部分的焊接、装配等工作，第三工位负责车门加强板等构件与前一工序完成部分的焊接与装配工作，第四工位负责前一工序将完成的构件与内板防撞梁合件等构件的焊接装配工作。

（2）用于车门焊接的接头一般为自重型，细分为T型、搭接型、对接型、角接型，对接型与T型接头最为常用。基于力学角度，对接接头受力情况最为理想，焊接位置能承受较好静载荷、动载荷，T形接头次之。车身焊装中，薄板冲压件结构及各攻击按间位置关系复杂，且不同构件件受力要求不同，因此内板焊装一般采用搭接接头，应用此接头焊装虽存在附加弯曲应力、焊接位置动载能力弱等问题，但应用于车身焊装中，能降低焊接工件装配的难度，提高装配效率。

（3）基于内板装配流程确定夹具定位基准。以第一工位为例，需要确定窗框、窗框尾部、内板加强板、内板的装配顺序及其在夹具上的具体位置，才能进行自动化焊接。这些构件横截面积常为U形，钢材强度与刚度高，材料细长，焊装时变形量小，因此确定冲压件定位夹紧点只需考虑车门分总成定位准确性、夹紧力、内板贴合间隙三个因素。车门内板面积大，合适加紧力能保证焊装稳定进行，同时避免结构因焊装过夹而变形，因此一般在确定各构件定位点的同时，增设多个定位点，如在内板上设定定位销孔，以限制车门内板在XZ平面内的移动与绕Y轴的转动，在车门下部边缘位置设定定位点，以限制车门内板沿Y轴方向的移动。

3 车门焊装夹具相关概念简述

3.1 焊装夹具基本概念

车门焊接夹具是保证将车门冲压件固定在正确的焊接位置，通过夹紧装置将其夹紧，使用焊枪与相应焊接工艺，对冲压件进行焊接，形成组件、合件、分总成、总成，通过焊接方法将各部件连接为一个车门整体。装配焊接作为汽车各部件制造工艺中核心工作部分，对各部件的质量、生产效率与经济性的影响十分明显。当前车门焊接制造的核心问题是提高焊接效率与装配精度。车门夹具构造复杂，夹具体积也较大，是为了满足车门焊接制造与装配的便利与效率。在定位方面，夹具为满足车门存在的曲面外形冲压件的固定焊接，需要综合使用型面定位、定位孔定位等多种方式，这些使得车门夹具不仅需要使用到很多标准原件，还可能用到一些特殊结构的元件，且要求夹具结构间不存在相互干涉。车门焊接涉及多个工件、工序，焊接的板材厚度不一，在焊接薄板工件时，为防止其变形，需要确定合理夹紧力度并结合点焊等工艺，保证焊接后车身工件不受应力等有影响存在变形。夹紧装置内部结构可采用快速装置、多点联动机构，以提升装卸效率。

3.2 夹具设计基本要求

（1）保证焊接件尺寸在精度、形状等方面满足车门图纸技术要求，是焊装夹具设计重要意义所在。零件装配工作中，一定要保证待焊接制件在夹具中空间位置的准确性，保证夹紧状态稳定且力度合力，使夹具在焊接中抵消部分震动等因素的影响，以减少焊件形变。

（2）为保证工人能顺利、轻松开展焊接工作，一般将车门夹具设计为开放式结构，以保证焊钳等焊接设备能方便的深入夹具进行焊接，如若必要需切去夹具中的干涉部分，以保持焊接工作顺利进行。

（3）為尽量降低架构成本，需尽量简化夹具结构，选用常见的气缸等零部件，以方便夹具维修保养等工作的开展，同时应保证焊装夹具具备良好操作性，以降低工人劳动难度与劳动量。

4 汽车车门焊接夹具结构的改进设计

4.1 夹具结构分析

夹具关键部件为其定位夹紧构件，其作用在于定位焊接工件加工位置，限制工件移动，保证工件间贴合度，并防止工件在焊接时发生变形，限制工件自由度。其基本结构包括基板、支撑架、压块、定位块、定位销、气动夹紧装置及气垫等。

（1）夹具基板。其精度直接影响夹具定位工件的精确程度，基板表面有多个基准孔与坐标刻度线，用于判断夹具基准和安装支撑架。车门焊装夹具使用的基板常为20mm-40mm的钢板。

（2）支撑架。常见L型、H型两种支撑架，用于过渡块、基板等结构的连接与固定，一般高度规格为100mm-500mm。在基板之上安装支撑架，将过渡板一般安装于支撑架上端，一般使用螺栓实现连接固定。此结构构型简单、尺寸标准化、强度高、制造简便且成本低。

（3）压块。一般使用螺栓将其连接到夹紧装置的夹臂中，压块连接方式决定了夹紧单元是否容易更换。为满足不同车门工件焊接时快速调节夹紧单元的需求，需要通过柔性化设计保证压块可轻松调节。车门焊接中压块夹紧力一般小于300N。

（4）定位块。车门工件焊接时，定位块与冲压件外表面直接接触，而冲压件构型较复杂，因此要求定位孔表面与工件表面的形状向一致，且有较高尺寸精度需求。制造时为了满足定位面尺寸精度及定位面形状等方面的精度要求，一般采用模具或数控机床进行加工。定位块常见厚度为16mm、19mm、22mm，为节约材料、合理受力，一般会使定位块长度尽可能短。为方便更换、调整定位块，设计时常将其与过渡板分离，两者间使用垫片实现高度调整，使用定位孔与插销以保证定位精度。定位块一般采用厚钢板制作，表面经淬火等处理达到较高硬度，以增加其耐磨性。

（5）定位销。其主要作用为保证工件装夹定位精确度。其作为标准件，基于焊接件定位孔孔径决定其孔径，定位销直径一般略小于定位孔直径，焊接件定位面装配精度常控制在±0.2mm内，而定位销精度常控制在±0.1mm内。定位销的头部一般为圆弧形、锥形，作用为定位导向。定位销表面一般超出焊接件定位孔3mm。定位销有固定销、摆动销、伸缩梢等形式，车门焊接常使用固定定位销。

（6）气动夹紧装置。作为核心执行部件，其由气缸、电气部分和机构部分组成。气缸作用为提供动力；电气部分基于感应开关实现夹紧装置的打开与闭合，机构部分作为为将气缸直线运动转为输出轴夹紧臂的转动。气动夹紧装置需要有足够动力、刚度与强度，其输出的夹紧力一般较大，需保证夹紧臂转角调节方便，能在夹紧状态下自锁。

（7）调整垫片。作为重要辅助零件，其结构简单、易制造，常见厚度为0.5mm、1mm，常见长度为25mm、50mm，常见宽度为16mm、19mm，根据实际情况选择和增减不同尺寸垫片以满足夹具空间位置的需求。

4.2 三维设计

（1）装配环境的参数设定。在进行车门总成焊装夹具装配前，需要进行三维设计与空间模拟，模拟工作中空间分配、模型定义等工作尤为关键，基本步骤为：①基于车门总成方案建立基础的焊装夹具结构三维模型；②基于方案定义模型结构装配层次及装配区域；③基于工件结构等参数确定焊装夹具模型各结构间装配时的约束关系；④基于焊接要求进行具体的焊装夹具三维设计；⑤基于设计要求进行三维模拟装配与干涉检查。

为保证装配设计合理、顺利进行，必须基于装配对象设定具体且合理的装配环境参数。在三维软件中点选工具栏，打开环境参数设定界面，进行各项标签参数的设定，主要包括：①更新，即选择自动更新装配设计的进度，选择动作层则只更新当前子装配层设计进度，选择所有层则跟更新所有子装配层设计进度；②存取至几何，首先选择自动转换到设计模式，然后才能进行快速移动、多重引用、偏移、旋转、重复使用图样等操作；③移动组件，该命令在移动任意一个固定于一起的分件时会发出警告，并对以后操作起作用，使用罗盘可进行快速移动、偏移、旋转等操作；④粘贴组件，该命令可粘贴无约束条件的分件，在选择剪切后，可以通过粘贴几个装配分件应用于装配约束中，在选择剪切后与组立约束操作时，可通过粘贴几个分件到装配约束中；⑤建立约束于快速约束，选择需使用的几何要素，然后对所需几何要素进行约束操作，若选择使用分件，则可选择发布中的元素并进行复制分件的操作，使用快速约束时可将其设为默认约束命令，从而改变约束顺序。

（2）确定基准面高度。熟悉焊装夹具结构及设计要点后，对焊接夹具进行三维设计，为实际加工提供图纸依据。车门三维设计中，需要应用人体工程学，以170身高为例，其直立状态下双手离地距离为800mm-1200mm，因此为保证工作体感舒适度，并保证焊钳不干涉人工操作，可将基准面设计在待焊工件下方离地高度500mm-800mm左右高度。因车门内板夹紧定位点十分多，若基准面过低，则支撑座高度过高，这样一来需要更多夹紧单元，夹具重量也增加，为避免材料浪费，一般将基准面高度设定在300mm左右，为保证焊件的离地地面充足，保证焊钳顺利出入，常选择380mm左右支座與40mm左右基板。

（3）夹具三维设计方案。基于车门内定位基准，结合内板分总成曲面结构进行分析，一般而言车门内板定位孔与定位面方向不同、结构复杂。为方便工件能便捷的放入、取出夹具，可将部分定位基准及定位件设计为可移动结构，并使用联动定位件实现部分定位基准的定位夹紧。处理与定位孔相重合的定位基准时，需使用定位销实现定位夹紧，若定位基准时需通过焊件型面实现定位夹紧，夹具设计中应进行设计与焊件型面的形状拟合，保证接触面与焊件接触面完美贴合。

（4）夹紧装置结构设计。基于车门内板总成定位基准设计，焊接夹具三维设计流程大体为：转换平面设计文件→截断面→设计定位块与压板→装配外购件与标准件单元→焊接干涉检查→输出总装图。以第三步为例，首先构建压块、压臂、定位块等夹紧机构构件大致轮廓，然后确定旋转点、确定气缸型号、尺寸及具体安装坐标，然后在二维草图中基于拉伸、倒角等操作获得完整组件三维图，。压块间、压块与压臂间一般采用两销一钉方式实现紧固安装，定位块与支撑座、过渡块间采用两销两钉方式实现紧固连接，同时设计需保证压块与压臂、定位块与支撑座、定位块与过渡板间有5mm左右间隙，以满足垫片的安装与调整。

（5）气动夹紧装置设计。设计重点为气缸的选择，打开角度的确定。设计时需根据杠杆平衡公式计算，确定夹紧作用力、打开角度，选择合适机构类型，确定气缸型号及缸径。气缸选择可遵循以下原则：①若单个夹头单向调整，可选择缸径为40mm的气缸；②若型面角大于等于15°，夹头需两向调整，且气缸摇臂的旋转点无法与焊接件型面处于同一平面时，可选用缸径为50mm的气缸；③若型面角度大于等于15°，夹头需两向调整，且气缸摇臂旋转点能与焊接件型面处于同一平面时，可选择缸径为50mm的气缸；④若两个夹头需多向调整，且压紧扭矩设计为大于160Nm时，可选择缸径为63mm的气缸。三维图设计完成后，输出对应二维工程图，并标注尺寸与加工技术要求，然后绘制总装图并进行检查，再绘制夹具各单元体组装图与零件图。

（6）干涉检查。当焊装夹具中每个具体结构及整体结构设计完成后，应对基本元件进行结构细化设计，以检验焊钳在伸入夹具各个焊点实施焊接时，是否会存在与夹具结构相互干涉的问题，并检验夹具结构设计合理型，对发生干涉的位置或夹具结构存在不合理的位置进行重新分析与设计，直至完全满足焊装工艺要求。

实操中可利用CATIA等软件的运动分析功能，进行焊装夹具运动结构的运功仿真分析，基于空间旋转等功能进行模块分析，分析各部分结构空间关系，判断是否存在干涉问题。仿真分析中，需根据实际加工环境将要求选择不同型号、不同喉深喉宽的焊钳，进行多重分析，焊钳喉深等参数会直接影响焊接深度等焊接细节，而不同型号焊钳的结构、工作行程的范围也不一样，而这些参数决定了其是否会干涉焊接工作，因此需要针对各工种不同型号焊钳，结合工件形状、焊点分布等要求，进行仿真观察，以检验焊钳活动空间能否满足焊钳运动、放置、移动的要求。最终经过多次调整，需保证焊枪与焊装夹具等装置之没有干涉，保证焊装夹具内部结构间不存在干涉。

5 结束语

综上，本文详细介绍了如何优化车门焊接夹具结构设计工作。实际操作中，需基于加工环境、产品要求，综合考虑加工成本，合理选择和确定夹具各零部件的结构、尺寸，并积极使用三维建模、仿真等技术，进行运动仿真实验、干扰检查，以大幅提升夹具设计合理性与定位精度。

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