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1、开放的中国汽车市场将成为国际汽车工业的竞技场，中国的汽车工业面临着与世界汽车诸强竞争求生存的挑战。第1章 汽车车身焊装概述1.1 汽车车身焊接基础1.1.1车身焊接原理焊接是两个或两个以上的金属零件之间不可拆卸的联接方法之一，其实质是利用局部加热或加压的办法，使被连接处的金属熔化，促成两金属的原子相互渗合并接近到0.30.5nm的金属晶格距离，完全依靠原子间的结合力把两个分离的金属构件连接起来。在焊接过程中，一般都是把局部加热到熔化温度以上然后冷却结晶凝固，它经历加热 熔化 金属冶金反应 结晶 固态相变 形成接头等几个过程，又是一个复杂的冶金反应、材料热处理及变形应力的产生过程。影响焊接应力与

2、变形的因素，主要是两个方面：第一是焊缝附近不均匀加热的范围和程度，也是产生热变形的范围和程度。第二是焊件本身的刚度以及受到周围边界约束的焊接，即阻止焊缝及其附近加热所产生热变形的程度。这两方面作用的结果决定了焊缝附近塑性变形区的大小和分布，也决定了残余应力与残余变形的大小。人们可以从设计和工艺两方面来采取减小焊接应力与变形的措施。人们可以采取的设计措施有： 尽可能减少焊缝的数量，避免不必要的焊缝；选择合理的焊缝尺寸和形状； 合理选择结构形式和安排焊缝位置； 避免焊缝布置得过分集中。人们可以采取的工艺措施有： 焊前将结构或部件装配成具有与焊接变形相反方向的预先反变形，反变形应该能抵消焊后形成的变

3、形； 对于刚性小的结构，可以采用夹具支承夹紧的方法，增加结构要焊接时的刚性，达到减小焊接变形的目的；选用合理的焊接方法和规范，可以减小变形量；选择合理的装配焊接顺序，即把结构适当地分成部件，分别装焊接，使不对称的焊缝或收缩量较大的焊缝在焊接过程 中能比较自由地收缩而不影响整体结构， 然后再拼焊成整体，这样有利于控制变形。采用机械或加热的预拉伸，使薄板预先得到拉伸，然后在张紧的薄板上装配焊接骨架，可有效防止变形。1.1.2 汽车车身常用焊接方法车身焊装过程中应用最多的是电阻焊，一般占整个焊接工作量的60以上，有的轿车车身几乎全部采用电阻焊，高级轿车还采用粘接点焊方法。电阻焊是所有焊接方法中焊接效

4、率最高的一种，适用于大量生产，在薄板焊接方面使用最广。其他焊接方法还有点焊、螺柱焊、二氧化碳气体保护焊等（1） 电阻焊电阻焊加热时间比较短，热量较集中，焊接过程中产生的应力和变形较小，通常在焊后不必进行校正和热处理。不需要焊丝、焊条、保护气体、焊剂等焊接材料，焊接成本比较低。操作较简单，易于实现机械化和自动化，生产效率比较高，是汽车车身制造中应力最广泛的焊接方法。电阻焊原理电阻焊原理如图所示，它是将被焊工件压紧于两电极之间，并在焊接处通以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热将其加热到熔化或塑性状态，断电冷却时，在压力继续作用下实现金属结合，形成牢固接头。这种工艺过程称为电阻焊，也

5、叫接触焊。 图2-8 电阻焊原理由电阻焊的基本原理可以看出电阻焊有以下特点：a 利用电流通过工作工件焊接处的电阻而产生的热量对工件加热，即热源不是来源于工件之外，而是内部热源。b 整个焊接过程式在压力作用下完成的，即心须施加压力。c 在焊接处不需要加任何填充材料，也不需要任何保护剂，电极压力和焊接电流是产生电阻焊的基本条件。电阻焊分类电阻焊的方法主要有四种：即点焊、凸焊、缝焊和对焊。a 点焊 主要用于车身总成、地板、车门、侧围、后围、前桥和小零部件等。b 凸焊 用于车身零部件、减震器阀杆、制动蹄、螺钉、螺帽和小支架等。c 缝焊 用于车身顶盖雨檐、减震器封头、油箱、消声器和机油盘等。d 对焊 用

6、于钢圈、排进气阀杆、刀具等。（2）点焊点焊是一种高速、经济的连接方法，它适用于焊接搭接头、接头气密性要求低、厚度小于3mm的冲压、轧制的薄板件，因此广泛用于汽车车身的焊接。A 点焊方法点焊按一次形成的焊点数，可分为单点焊和多点焊：按对焊件的供方向，可分为单面点焊和双面点焊（如图）.最常见的点焊方法是双面点焊（电极从工件两侧供电），尤其是双面点焊，在车身焊接中运用最多，这时工件的两侧均有电极压痕。单面点主要用于电极难以从两侧接近工件或工件一侧要求压痕较浅的场合，如汽车车身外表面或装饰面板的点焊，此时，一侧是电极，另一侧是接触面积较大的导电板，可以消除或减轻下面的压痕，在汽车车身大量生产中，单面多

7、点焊也获得广泛应用，图3-3c所示为使用一个变压器将各电极并联进行双面多点焊，为了保证通过各焊点的电流基本一致，要求所有电流通路的阻抗基本相等，且每一接部位的表面状态、材料厚度和电极压力都须相同。为了避免各焊点处因阻抗不等使焊接质量不良，常采用各电极变压器分离式。图2-9 典型的点焊方法（a）双面单点焊 （b）双面双点焊 （c）双面多点焊（d）单面单点焊 （e）单面双点焊 （f）单面多点焊B 焊点质量的一般要求焊点质量不仅取决于焊点尺寸，还与焊点表面与内部质量有关。焊点在外观上要求表面压坑线，平滑呈均匀过渡，无明显凸或局部挤压的表面鼓起，外表面没有环状或径向裂纹；表面不得有熔化或粘附的铜合金。

8、从内部看，焊点形状应规则、均匀，焊点尺寸应满足结构强度的要求；内部无超标的裂纹和缩孔；焊点核心周围无严重过热组织。焊点尺寸主要焊点直径，焊透率和表面压坑深度等。（3） 螺柱焊螺柱焊是将金属螺柱等紧固件焊于工件上的焊接方法，它是焊接紧固件的一种快速方法，不仅效率高，而且可以通过专用设备对接头质量进行有效的控制，能够得到全断面熔合的焊接接头，从而保证接头的导热性、导电性和接头强度。在汽车车身零件组焊过程中，常常利用螺柱焊在一些小零件上焊接安装汽车附件用的紧固件。广泛采用的螺柱焊方法主要有电弧螺柱焊和电容放电螺柱焊。它们都是利用直流焊接点原来产生电弧。（4）二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是融化

9、极气体保护电弧焊的一种，它是采用可熔化的专用二氧化碳焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来融化焊丝与母材金属，并向焊接区输送二氧化碳保护气体，使电弧、 融化的焊丝、 熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。连续送进的焊丝金属不断熔化并过渡到熔池，与熔化的母材金属融合形成焊缝金属，从而使工件互相连接起来。（5）凸焊凸焊是在焊件的贴合面上预先加工出一个或多个凸点，使其在另一焊件表面接触并通电加热，然后压塌，使这些接触点形成焊点的电阻焊方法。凸点的作用是将电流和压力限在特定位置上。凸焊主要用于将螺母，垫圈等小零件焊接到较大的冲压件上。（6）缝焊缝焊是用一对滚盘电机代替点焊的圆柱形电极，与工件相对运动

10、，从而产生一个个熔核相互重叠的密封焊缝的焊接方法。它主要用于气密性要求高的焊缝，如汽车油箱，车身和流水槽等。1.2 焊装夹具简介1.2.1焊装夹具分类焊装夹具种类繁多，按用途可分为：（1）装配用夹具这类夹具主要是按车身图纸和工艺上的要求，把焊件中各零件或组件的相互位置能准确地固定下来，工件只在它上面进行点固，而不完成整个焊接工作。（2）焊接用夹具这类夹具专门用来焊接焊件，即将已经点固好的焊件放在它上面完成所有焊缝的焊接。它的主要任务是防止焊接变形，并使处在各种位置的焊缝都尽可能地调整到最的利于施焊和位置。一般这类夹具用于焊件重量大或采用自动焊进行焊接的情况，在手工操作小件焊接时，除有特殊质量要

11、求外，一般不采用这类夹具。（3）装配焊接夹具这类夹具能完成整个焊件的装配和焊接工作，它具有装配用夹具和焊接用夹具的性能。（4）检验夹具简称检具，它是用于检查焊接完的车身部件的形状尺寸是否符合质量要求，起量规的作用。（5）其它夹具指矫正夹具，整修加工夹具和热处理夹具等1.2.2焊装夹具的功用（1） 在汽车车身焊接过程中定位夹紧，保证车身零件之间正确的装配关系，同时保证车身焊接质量及焊接过程顺利采用焊装夹具可以精确地对零件进行定位并牢固的夹紧，保证装配件的相对位置，减少了由于人工划线的误差带来的定位不精确。同时焊装夹具在焊接过程中使零件的变形受到一定的限制，可以大大减少焊接变形，使焊后零件的结构尺

12、寸容易达到图纸要求。（2） 缩短焊装时间，能够批量生产，减少加工费，降低产品成本采用了焊接夹具，零件由定位元件定位，不用划线，不用测量就能得到准确的装配位置，加快了装配作业的进程。另外在焊装夹具上备有扩力机构牢固夹紧，可减轻工人的体力劳动，提高装配效率，夹具可强行夹固焊件或预先给予反变形，能控制和消除焊接变形，提高焊接质量，减少或取消焊后矫正变形或修补工艺缺陷的工序，使整个产品的生产周期缩短。虽然制作焊装夹具增加了产品成本，但焊装夹具的使用减少了装配和焊接工时的消耗，提高了产量，易形成大批量生产，从而减少加工费用，使产品总成本降低。（3） 增加了产品的均匀性，能得到具有互换性的产品采用焊装夹具

13、后，由于保证了装配精度，控制了焊接变形，使焊接质量稳定，所以可提高焊件的互换性能。（4） 减轻了工人劳动强度，使不熟练工人操作也成为可能如果不使用夹具，在装配定位焊接时，要求工人在生产节拍时间内划线来保证装配焊接零件的相互位置是不可能的。在焊接时，装配钳工要始终扶持住工件，保证其位置在焊接过程中不发生变动，这项工作也非常困难和疲劳。焊装夹具的使用降低了对工人的技术要求，也减少了工人的劳动强度。1.2.3焊装夹具设计要求（1） 焊装夹具必须保证焊件焊后能获得正确的几何形状和尺寸，尤其是保证车身上门窗等孔洞的尺寸和形状。在装配时，夹具必须使被装配的元件获得正确的位置和可靠和夹紧，并且在焊接时能阻止

14、焊件产生变形。（2） 焊装夹具应动作迅速，操作方便。操作位置要处于工人容易接近最宜操作的部位。特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设计在工人最易用力的部位。当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。（3） 焊装夹具的设置应便于施工，有足够的装配焊接空间，不能影响间接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸。所有的定位元件和夹紧机构应与焊点保持适当距离，或布置在焊件的下方或侧面。夹紧机构的执行元件应能够或转位。（4） 夹紧可靠，刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，以及焊件的表面质量。夹紧力适当，使夹紧后既不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束过大而产生较大的应力。（5） 为了保证

15、使用安全，应设置必要的安全互锁保护装置。（6） 用于大型零件焊接的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具的刚度，对结构的形状精度尺寸精度影响较大。（7） 在同一个夹具上，定位元件和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量只选用一种动力源。（8） 焊装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率，尽量使制作时投资少成本低。（9） 尽量选用已通用化标准化的夹紧机构及标准零部件来设计制造焊装夹具。上述这些原则是设计车身焊装夹具时所必须考虑的，但具体到焊装夹具的结构上却是差异甚大，有的焊装夹具只有一个简单的框架，有的则相当复杂。一般来说，应根据生产批量的大小和产品结构的特点并结合本厂的生产条件来选择焊装

16、夹具的类型，设计夹具。第2章 HF-8车型焊装夹具设计2.1制图前的准备工作2.1.1 UG软件简介本夹具设计主要采用了UG软件来完成，下面简单介绍一下此软件的特点及优点：2.1.1.1 UG软件的功能特点 UG具有三维实体建模、装配建模,生成直观可视的数字虚拟产品,并对其进行运动分析、干涉检查、仿真运动及载荷分析，可视化程度很高其功能特点如下：1）用造型来设计零部件,实现了设计思想的直观描述;2）充分的设计柔性,使概念设计成为可能;3）提供了辅助设计与辅助分析的完整解决方案;4）图形和数据的绝对一致及工程数据的自动更新.2.1.1.2 使用UG的优点1）通过优化设计，节省了材料和加工时间，降

17、低了成本；2）通过直观的模型装配，可以更确切的判断夹具结构和干涉部位；3）通过几何连接器并及时更新，可以保证修后的装配图与零件图的一致。而且相关尺寸会自动作相应的修改；4）选择UG三维设计是未来的发展趋势，只有捷足先登才具有市场优势。2.1.2建立统一的目录按照自上而下的设计方法，分别建立各相关文件。项目名/工位名/GA 存放本工位夹具总图及其气路图项目名/工位名/UNIT 存放本工位夹具单元及其零件项目名/工位名/PNL 存放本工位设计用PNL项目名/工位名/GUNCHECK 存放本工位焊点、焊枪、焊枪打点示意图项目名/工位名/STD 存放本工位设计用标准件、外购件、国标件项目名/工位名/M

18、OTION 存放本工位各套夹具的运动分析项目名/工位名/FILE 存放本工位各种清单表格及其设计试样书，设计参考文件文件命名规则加工件工位代号UNIT号零件序号RF0120000 RF012工位的GARF0120200 RF012工位的U02RF0120201 RF012工位U02的零件01标准件名称与标准件号一致。例：WT0804-350。外购件名称与样本订购编号一致。气缸后面加“_ 实际应用行程”CK1A50-75_70。国标件国标号-型号例：GB93-87-8 代表弹簧垫圈8。在此特别提出UG对于图层的操作，要求较高，通过图层操作，可以实现方便快捷的各项操作，利于实现图形及其特征的快捷操

19、作。本设计中UG的图层设定如下：优选层可用图层内容优选图层11-10实体模型6161-70BASETAP车线1111-20夹具打开状态7171-80GA车线2121-40草图81A，82B81-90车身断面4141-50参考点线面9191-100PNL实体5151-60夹具及附属装置车线101101-120DRAFTING 表2-12.2 分析设计任务书确定定位加紧方案2.2.1夹具的定位方案的确定夹具的定位加紧一般采用六点定位原则，本设计同样采用该定位方式。所谓六点定位是指要使工件在夹具中的位置完全确定，其充分必要条件是将工件靠置在按一定要求布置的6个支撑面上，使工件的六个自由度全部被限制，

20、其中每一个支撑点相应的限定一个自由度。这就是六点定位准则，又称“六点定律”。在进行装配焊接作业时，首选应使焊件在夹具中得到确定的位置，并在装配、焊接过程中一直保持将其保持在原来的位置上。我们把焊件按图纸要求得到确定的位置的过程称为定位；把焊件在装配焊接作业中一直保持在确定位置上的过程称为夹紧。设计夹具过程中通常采用过定位方式即六点定位，进行定位，将工件的六个自由度全部限定。 为了使焊件在夹具中得到要求的确定位置，首先应研究物体在空间的位置是怎样确定的。假设一个物体在空间不与任何其它物体发生联系，将其放在空间坐标系内，以此坐标作为参考系来观察其位置和方位的变动。由刚体力学可知，在空间处于自由状态

21、的刚体，具有六种活动的可能性，即六个自由度（DOFS），分别为沿X，Y，Z三个坐标轴的移动和分别绕X，Y，Z三个坐标轴的转动，如图2.2。物体在空间的任何状态都可由这六种变化的合成来得到，家具定位的目的就是约束6个自由度的部分或全部，这样物体的位置和方位就能够唯一确定了。所以自由度是决定物体空间位置的独立参数。定位基准的优先原则（1） 车身零件的制造工艺，定位基准确定的先后顺序为总成分总成组件零件。因为如果装配件的定位基准不确定，则不可能正确评价和确定零部件的精度，也无法决定零部件的准确修正方向。同时为了使车揣零件在制造过程中的变化要素最小，需要把含有更多变化要素的装配件上的定位基准首先确定。

22、（2） 为了确定车身零部件的位置，需要基准孔、基准面和基准端的组合，但是在同一方向上约束时，采用基准面、孔、端的顺序不同，考虑车身零件的形状，定位基准选择的先后顺序为基准面基准孔基准端。这是因为冲压零件的成形顺序是先拉延后冲孔，先选基准面再选基孔定位与零件的成形顺序保持一致；优先选用基准面可以使相邻零件的贴合面累积误差最小，也容易补偿刚性不足的零件形状，而且如果基准孔的位置和孔间距不准确会造成被焊零件的位置不稳定。定位基准位置的选定方法夹具定位基准的选定必须以冲压件零件图、装配焊接后的零件图、车身焊装工艺流程和工艺方案、车身装配公差要求以及基本车型 的有关资， 料为依据。其选用方法为：（1）

23、夹具定位基准面的厚度一般为16或19mm，只有地板框架处夹具定位基准面的厚度选 用19mm。为了便于夹具设计与检测，定位基准面尽量选 在与车线平行的位置，且与车线之间的距离为整数；若定位基准的位置与车线倾斜，则从车线处标注尺寸和角度。（2） 定位基准面要尽量可能选在断面形状一致的位置，尽量避免断面发生变化的位置。（3） 定位基准孔要尽可能与定为基准不重合。这是因为近准孔与基准面的定位方向不同，当零件定为基准面发生变化时，定位基准孔的位置也发生变化。（4） 分析整条生产线上各工位零件的构成以及各构成零件的位置，使定位基准的位置尽量选在能够贯穿整条生产线的位置上，即生产线上各工位的定位基准尽量保持

24、一致，以减小工位间的定位偏差。（5） 定为基准尽量选在被焊零件有贴合要求或功能要求的位置，如有装配关系要求的面或孔，有位置要求的端部或孔等。（6） 定为基准尽量选在容易上件取料的位置，容易实现焊装自动化的位置，以及设装配累计误差最小化的位置。（7） 对于相同的零件的定位，其定位基准位置尽量要统一。（8） 定位基准要选在可以减小焊接变形的位置上。当焊面的长度足够时，可以将定位基准面直接选在焊接面上。（9） 各被焊零件要尽可能单独定位，不能只依靠相邻零件型面的贴合来定位。式样书中本工位各套夹具分布如图所示 图2.2 M.C.P分析图2.2，可知，夹具单元U01、U02-1、U02-2、U03-1、

25、U03-2、五个夹具单元起对AG51013064起支撑定位作用，也就是形成一个平面将车板支撑，通过U01、U02各一个销子实现对AG51013067于AG51013064精确定位，U02的两个销子实现AG51013066于AG51013064的精确定位，即一面两销的定位方式。所谓一面就是U01、U02-1、U02-2、U03-1、UO3-2、五个夹具单元所形成的平面，该平面限定了车板的三个自由度，车板上的两个销子，限定了车板的另外三个自由度，这样就实现了六点定位，将车班的六个自由度全部限定，实现对车板的过定位控制。按照上述基准确定原则选择U02左侧面为夹具单元的定位基准，分析车体的PNL，按照

26、事项书中给定的位置确定夹具所处的位置，U02所在位置在X2900，Y0，Z400附近。可确定车身断面A所处位置为Y=2平面，根据设计要求，夹具板厚度为16mm，故可确定车身断面B位于Y=18平面。本设计中无论是PNL，还是夹具中的定位块的定位都是采用六点定位原理，进行完全定位。例如定位块与支撑板之间采用的是直角定位，有直角限定定位块的5个自由度，再由档片限定其第6个自由度。如图2.3所示2.2.2 夹具的夹紧方案的确定气动夹具具有加紧动作迅速、夹紧力稳定、操作方便、安全无污染、清洁干净等鲜明特点，因此本设计中采用的是气动加紧。此类夹具用压缩空气作为动力源，通过管道、气阀、气缸等元件，产生加紧工

27、件的夹紧力。气动夹紧机构是以压缩空气为传力介质，推动气缸动作以实现夹紧作用的机构。由于气动夹紧机构的夹紧速度快，夹紧力比较稳定，操作简单，不污染环境，并可实现程序控制，容易实现机械化和自动化，在批量和大批量汽车焊装生产线上广为应用。通过气动回路控制，操作者可在一个工作位置操作按钮开关，实现各个方位的气缸动作控制，而且夹紧、松动速度极快，从而能大大缩短生产辅助时间，提高劳动生产效率。在进行焊装夹具设计计算时，首先要确定装配焊接时所需夹紧力，然后根据夹紧力的大小和方向、被焊接零件的结构、夹紧点的布置，安装空间的大小等来选择夹紧机构的类型和数量。夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面，以保证零件定位稳定，变形较小。当夹紧力的方向与重力方向一致时，可使夹紧力最小。选择夹紧力的作用点时，主要应当考虑工件夹紧时要稳定、变形最小。所以夹紧力的作用点应落在定位件上，应尽量选在零件刚性最好的部位上，以减少夹紧变形。夹紧气缸的选取在车身焊装夹具中常选用带Y型双肘接头的夹紧气缸作为动力源，如图2.4所示为已标准化的夹紧气缸活塞杆缩回时的外形结构尺寸图。其接头销轴C与压板相连，通过气缸活塞杆带动压板运动，安装销轴D固定，使气缸绕D点转动。夹紧气缸的缸径主要有f40、f50、f63三种系列可根据夹紧力大小不同来选用，缸径