汽车车身焊接夹具设计资料解读.docx
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汽车车身焊接夹具设计资料解读
毕业设计（论文）
题目
学生姓名：
系别：
材料工程系
专业：
材料成型与控制工程
学号：
班级：
T733－4
指导教师：
摘要
汽车焊装生产线及焊装夹具是汽车车身生产的关键设备，它对汽车生产制造水平起着至关重要的作用，直接影响汽车生产规模、生产效率和生产质量。
随着我国汽车工业的迅速发展，激烈的市场竞争使汽车产品的更新换代越来越快，汽车车身设计越来越个性化，对汽车焊装线的需求量巨大，必须自行设计适合我国国情的汽车焊装线，努力提高设计和制造能力。
本文设计了焊装夹具部件，对夹具运动机构模型简化，以前围总成工位为重点，对焊装夹具的方案设计进行了探讨和优化设计。
关键词：
汽车；前围；夹具；设计
Abstract
Asthekeyequipmentfortheproductionofautomobilebodywork,theautomobileassembly-weldinglineandweldingjigareimportantfortheautomobileproductionlevel,anddirectlyaffectstheproductionpattern,productionefficiencyandproductionquality.Accompanyingtherapiddevelopmentofournationsautomobileindustry,thecompetitionofautomobilemarketbecomesdrastic,itmakestheupdatingspeedofautomobileproductmoreandmorequickly,andthedesignofautomobilebodyworkmoreindividuality,theneedingofautomobileassembly-weldinglinesbecomemoreandmorelarge.Theautomobileassembly-weldinglineswhichfitthesituationofourcountrymustbeindigenous,andthedesignandmanufactureabilitiesmustbeimproved.Inthispaper,themodelofmovementmachineofjigispredigested,theprocessdesignandoptimizationdesignbyanexampleofthefrontwallisprobedinto.
Keywords:
Automobile;Frontwall;Jig;Design
第一章绪论
汽车车身制造是汽车制造业中的一项系统工程，随着我国汽车制造业的飞速发展，对汽车焊装线的需求量巨大，对其质量上的要求也日益提高。
汽车车身是经过冲压、焊接、涂装、总装这四个主要工艺过程生产出来的，焊装作为汽车生产的四大工艺之一，其技术、设备、生产布局、自动化水平、柔性化水平等对整个汽车生产的作用至关重要。
本文基于UG软件，结合东风渝安汽车有限公司“东风小康车身焊装夹具设计开发工程”项目中汽车微型车前围焊装夹具的设计，通过虚拟设计的思想，同时结合标准化设计，优化设计的理论，针对汽车车身焊装生产线设计的关键技术和难点展开研究。
1.1课题的来源及意义
汽车工业是我国国民经济支柱产业之一，在国民经济发展中有特殊地位和作用，汽车工业能极大地带动和促进其它工业和产业的发展，并且成为显示一个国家工业发达水平的重要标志。
随着汽车市场竞争的日益加剧，加快了汽车产品的更新换代步伐，汽车新产品的开发和制造周期越来越短。
2006年，国内汽车厂家共推出117款轿车、SUV和MPV新车型。
增加新车型冲压模具和焊接工装夹具虽必不可少，但汽车换型最主要的是改造焊接生产线。
在汽车制造业中，汽车焊装夹具在汽车焊装线投入中占有相当大的比例，焊装夹具的设计制造直接影响汽车的生产规模、效率和生产质量。
车身焊装是车身制造的重要组成部分，它是将已经冲压成形的车身零件在夹具上定位夹紧后，通过点焊、凸焊、CO2保护焊、钎焊以及粘接工艺（主要是电阻点焊）装配成为白车身的过程。
目前，国内的焊接装备生产厂家综合技术实力不足，不具备设计制造高水平的成套焊装线的能力，面对汽车行业的日益激烈的竞争又不允许国内的汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内接装备生产厂家近年来与国外水平的差距越来越大。
国内汽车焊接生产水平与国外逐渐接近，而国内焊接装备制造水平与国外差距却逐渐加大，提高我国焊装线及焊装夹具自主设计和制造水平迫在眉睫。
1.2焊装夹具国内外研究概况
中国的汽车制造业已有50年的历史，只是在近几年中才得到了飞速的发展。
相比之下，我国汽车制造业的工艺水平，特别是焊接工装夹具水平，显得越来越不适应这种快速发展速度的要求。
这种现象的存在，原因在于在我国机械加工行业的传统习惯中，焊接制造工艺的地位不高。
在中国众多的汽车制造生产厂家中，焊接工装夹具通常采用的是专用工装夹具，它是针对一道或几道特定的焊接工艺而配备的。
随着目前汽车生产小批量、个性化的发展趋势，这类工装的使用就越来越受到限制，其设计生产的周期较长，场地占用较大，重复使用率较低的缺点充分的暴露出来。
这种现状很大程度制约了我国汽车制造业焊接工艺水平的提高，延长了新车型研发的周期。
在世界先进国家的汽车制造业，对广泛使用的焊接工装夹具已经标准化、系列化，设计时进行合理选用即可[1]。
在国内对焊接夹具的系统研究不够重视，汽车焊接夹具的开发设计更是一个薄弱环节。
在我国现有的所有引进车型中,焊接夹具几乎无一例外全部依赖进口。
焊接夹具开发的滞后状态严重制约了我国汽车工业的进一步发展。
这与国外的技术封锁有关但更主要的是我们重引进轻研究开发重眼前利益,轻长远打算。
我国不少科研部门和制造单位从事了这项有益的作,如机械工业部第四设计研究院、沈阳牡机制造公司、成都飞机制造公司和一汽、东风等国内著名汽车大集团都是其中的佼佼者。
由于国产焊装起点都不高,批量不大,与西方汽车大国相比水平还有待在实践中进一步提高。
在世界先进发达国家，焊接工艺及柔性焊接生产线备受关注，特别是柔性焊装生产线适应不同产量、不同生产率、不同自动化程度、不同工厂环境的特点，柔性生产系统是车身焊装线的主流发展趋势。
而且在工业发达国家和汽车大国,焊装的研制开已形成一个相对独立的新兴工业部门焊装的开发与设计已形成子标准化、系列化、通用化人们能够紧随汽车车身车型更新换代的步伐,及时地为新产品提供相应的焊接生产线为汽车厂家早上批量占领市场提供了坚实的技术装备保证,争得了宝贵时间。
应该看到汽车焊接夹具是一项利润丰厚的智力型产品,占一个车身车型开发费用的1/6左右。
按目前国际上一个轿车车身正常开发费用5000-8000万美元计算,焊接夹具至少占800万美元以上。
它真正的材料费用是很低的，大部分是在设计制作费用上。
1.3夹具设计的基本理论及方法
经过多年的发展,在汽车焊装夹具的分析和设计方面已经形成了较为系统的夹具设计的基本理论。
如N-2-1定位原理，形闭合和力闭合，螺旋理论等。
N-2-1定位原理车用焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴,其中包括定位元件,夹紧元件,连接元件,骨架及紧固元件等基本组成部分,设计中最重要的部分是定位元件的设计,往常设计时大多采用六点定位,即“3-2-1”定位原理。
对于车身零件,定位夹具除了具备限制零件刚体运动的基本功能外,还必须能够限制过多的工件变形。
如果还是用普通的六点定位的话,工件将因为没有进行可靠的定位而发生定位不准的问题。
要对薄板柔性件进行可靠定位,必须有更为有效的夹具设计理论来支持。
“N-2-1”定位原理是一种新的定位原理,该定位原理与广泛应用于刚性件的“3-2-1”定位原理相比更适用于薄板件的定位。
我们可以根据“N-2-1”定位原理,提出夹具优化设计算法,即利用有限元分析和非线性规划方法去找到最优的“N”定位点,以使得薄板件的总体变形最小。
“N-2-1”定位原理认为[2]:
（1）第一基准面上所需的定位点数为N（N≥3）
对绝大部分薄板件加工过程,其最主要的尺寸问题是薄板件法向方向上的变形,甚至其自重所引起的变形就不容忽视。
有关分析表明,对一块长宽各400mm,厚1mm的薄板,用“3-2-1”原理定位,在其自重作用下就可能产生1~3mm的平均变形。
因此,对于薄板件而言,最合理的夹具系统是要求其第一基准面上存在多于三个定位点去限制这一方向上的零件变形。
（2）第二、第三基准面所需的定位点为二个和一个
在第二、第三基准面上分别需要二个和一个定位点去限制薄板件的刚体运动。
二个和一个定位点是完全足够的,因为实际加工所产生的力通常不会作用在这两个基准面上,以避免弯曲和翘曲。
更进一步的分析表明,第二基准面上的两个定位点应布置在薄板件较长的边上。
这是因为当两个定位点间距尽可能大时,零件将更稳定,同时还可以更好的弥补零件表面或定位元件的安装误差。
（3）禁止在正反两侧同时设置定位点
必须强调禁止在工件正反两侧同时设置定位点,因为甚至极小的几何缺陷都可能导致薄板件相对巨大的挠度和潜在的不稳定或翘曲。
1.4汽车焊装夹具发展趋势
目前，中国汽车有市场两个特点：
一是有很高的增长率，二是市场竞争非常激烈。
汽车市场的竞争点越来越集中在产品的更新换代上，面对如此快速的产品更新，汽车行业过去采用那种大批量单车型专机生产模式已不太适应当前发展的要求。
因此多品种的柔性化生产也越来越多地应用在汽车生产中，概括起来，目前汽车焊装夹具的发展显现以下两方面的特点[3]：
（1）车身焊接夹具设计的智能化趋势
车身焊接夹具的设计受车身零件结构形状、焊接工艺、焊接方法、焊接设备等多种因素的影响和制约，设计周期长，设计工作量大，设计过程复杂，在一定程度上制约了汽车柔性化的发展方向。
随着AI技术和CAD技术的飞速发展，探索其结构的特点和规律，建立一个具有零部件库、实例知识库、领域知识库和推理规则的智能化系统，对于提高设计效率，缩短新车型的开发周期具有较大的实用价值。
（2）自动化、柔性化程度普遍提高趋势
汽车制造的个性化、批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度日益提高。
由于焊接机器人可以提高焊装生产的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高生产效率，保证焊接质量，是实现了车身装焊的柔性化、自动化生产方式的有效手段，这样焊接机器人在汽车焊接生产中获得了大量应用。
随着机器人自动化成套焊装系统的广泛应用，我国汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度将显著提高。
1.5本文主要工作
本文以东风渝安汽车有限公司“东风小康微型车”项目微型车前围总成焊装夹具的设计为基础，对焊装夹具运动机构进行分析，并对前围1序分总成工位夹具方案设计过程进行了探讨和优化设计，对焊点的分布与数量进行分析随后在夹具实际设计过程中进行了验证和应用。
第二章焊接工艺分析在夹具设计中影响
2.1焊装夹具的基本概念
把车身冲压件在一定工艺装备中定形、定位并夹紧，组合成车身组件、合件、分总成及总成，同时利用焊接的方法使其形成整体的过程称为装焊过程。
焊装过程中所使用的夹具称为焊装夹具（图2.1）。
图2.1某工位焊装夹具
2.2焊接夹具的基本作用与要求
装配焊接是车身制造中的重要环节之一，它直接影响车身质量、生产率和经济性，提高装配精度和焊接质量是车身制造的核心工作。
焊装夹具就是为了保证车身的装配精度、提高生产率。
2.2.1焊装夹具的基本作用
（1）给车身的部件定位、夹紧，保证装配精度。
（2）保证焊接工艺能正常进行。
（如焊接变位机），保证装焊质量。
（3）减轻劳动强度，提高劳动生产率，改善劳动条件，降低产品成本。
2.2.2对焊装夹具的基本要求
（1）保证产品的形状和尺寸精度符合图纸和技术条件要求。
这是夹具设计的首要问题。
在装配时，夹具必须使被装配的零件或部件获得正确的位置和可靠的夹紧，并且在焊接时它能够防止和减少焊件产生变形。
（2）保证焊接工艺能顺利进行，夹具结构应开敞，工人操作方便，焊接设备容易接近工作位置，必要时可在夹具上切去影响开敞性的部分，以改善夹具的开敞性。
（3）保证有良好的可操作性，降低劳动强度，提高生产效率。
（4）尽量低的制造成本，为此所设计的夹具结构应尽量简单，制造和维修应容易，应尽量采用标准化夹具元件，对易损件便于更换。
尽量少用可拆卸的活动夹具元件[4]。
2.3焊装线发展过程及目前的现状
焊装线发展经过四个阶段，即手工操作阶段、半自动化阶段、自动化阶段、柔性化阶段。
随着焊装线的发展，焊装机器人大量应用，焊装线的自动化、柔性化程度日益加深，并且有向智能化发展的趋势[5]。
（1）手工操作阶段
随着汽车的发明及开始商品化，相应的工装设备也被需求，由于批量和技术原因，设备简陋，主要为手工操作阶段。
（2）半自动化阶段
技术的提高和批量的增大，对工装设备的要求也随之提高，为保证生产时间和减轻劳动强度，在关键位置及繁重劳动位置采用自动化。
（3）自动化阶段
对汽车的需求和质量的要求越来越高，为了满足这种市场要求，汽车生产进入自动化阶段。
（4）柔性化阶段
随消费者对汽车品味要求的不同，多品种小批量的生产越来越成为汽车生产的主流，因此对工装设备的柔性要求越来越高，焊装线的柔性表现在两个方面：
全面柔性，即能生产各种不同规格的车；替换柔性，即生产线上的某一部分出现故障，只要降低生产仍可工作。
车身焊装夹具种类繁多，根据对象不同有小型装焊夹具、分总成装焊夹具、总成装焊夹具等；根据工作位置是否变化有固定式装焊夹具和移动式装焊夹具等。
汽车车身装焊夹具的设计是一项涉及面很广的综合性技术，在设计时首先要确定生产纲领、投资额度及车间厂房结构、面积等；掌握产品结构，熟悉产品技术条件要求，明确夹具设计技术标准，通晓工艺要求。
只有做到上述内容，才能对焊接夹具进行全方位的设计，才能设计出满足工艺要求的装焊夹具，才能保证车身整体骨骼精度及各项功能。
2.4生产纲领对焊装夹具设计的影响
年生产纲领决定了夹具的设计节拍，工位的生产节拍由夹具动作时间、装配时间、焊接时间、搬运时间等组成。
以东风小康焊装线为例：
生产纲领：
1万台/年
工作制度：
两班制，全年工作244天，每班工作时间8小时。
生产节拍：
T＝21分/台
（T=244天*2班*8小时*60分/10000辆*0.9=21）
生产节拍：
T=夹具动作时间+工作时间（装配时间+焊接时间+搬运时间）由上述时间我们不难看出生产纲领决定了生产节拍，而夹具的自动化水平将很大程度上影响到生产纲领。
因此，我们在对夹具设计时，必须考虑生产纲领来设计夹具，保证能够在生产节拍内完成该夹具上所有作业内容。
2.5投资额度及车间厂房结构和面积对车身装焊夹具设计的影响
车身焊接的投资额度及车间厂房结构和面积是车身夹具设计的基础，其决定焊接夹具的自动化水平、柔性化、通用化程度、分总成焊接夹具及焊装线夹具的工位分布、吊运夹具的合理编排、零合件的输送方式等。
在夹具工位布置时，我们必须考虑的一个因素就是厂房的面积结构，我们需要结合厂房的面积结构合理的布置和安排夹具的工位数量、体积及结构形式等，厂房结构、工艺布置等也是我们在夹具设计初始阶段应该考虑的。
2.6焊点工艺分布对焊接夹具设计的影响
在夹具设计的时候，需要重点考虑的一个问题就是焊点工艺分布，考虑焊接夹具的可操作性，夹具不能与焊机焊接有干涉，因此在夹具设计过程中，在三维数模中，用焊钳模拟在夹具平台上焊接过程，如图2.3夹具设计过程中，焊钳干涉性模拟。
图2.3焊钳干涉性模拟图
微型车前围焊点方向复杂，所以应当选用较为合适的焊钳极臂。
在保证接头强度和技术要求的前提下应尽可能减小搭边宽度，以减轻结构重量。
为保证焊点质量，对焊点中心离边板最小尺寸要求，可参考表2.1。
表2.1焊接结构钢时焊点中心到板边的距离[6]
一个焊件厚度/mm
1
2
3
4
6
焊点中心到板边最小距离/mm
8
12
18
25
30
焊点的距离应该选择适当，在满足焊缝强度和技术要求的前提下焊点距离尽可能大些，在焊缝长度一定的范围内，焊点布置越多，点距越小，分流越大，焊点核心尺寸越小，反而降低了焊缝强度。
车身装焊合理点距如表2.2所示。
表2.2焊接结构钢时的点距[6]
一个焊件的厚度/mm
1
2
3
4
6
焊二层板的最小点距/mm
15
25
30
40
60
图2.4微型车前围零件焊点分布图
第三章汽车车身零部件分析及对夹具的要求
3.1汽车车身零部件的特点
汽车车身一般由外覆盖件、内覆盖件和骨架件组成，覆盖件的钢板厚度一般为0.8-1.2mm范围内，骨架件的钢板厚度多为1.2-2.5mm也就是说它们大都为薄板件，对焊接夹具设计来说，有以下特点[7]。
（1）结构形状复杂，构图困难
汽车车身都是由薄板冲压件焊接而成的空间壳体，为了造型美观和壳体具有一定的刚性组成车身的零件通常是经过拉延成型的空间曲面体，结构形状相当复杂。
（2）刚性差，易变形
经过成型的薄板冲压件有一定的刚性，但和机械加工件相比，刚性要差得多，而且单个的大型冲压件容易变形，只有焊接成车身壳体后，才具有较强的刚性。
（3）以空间三维坐标标注尺寸
汽车车身产品图以空间三维坐标来标注尺寸，为了表示覆盖件在汽车上的位置和便于标注尺寸，我国的汽车车身一般每隔200mm或400mm划一坐标网线，3个坐标的基准是:
前后方向（Y向）——以汽车前轮中心为0往前为负值,往后为正值；上下方向（Z向）——以纵梁上平面为0，往上为正值，往下为负值；左右方向（X向）——以汽车对称中心为0，左右不分正负。
3.2微型车前围焊接夹具设计制造过程中的主要要求
3.2.1前围各个零件的主要定位方式
图3.1前围侧板工艺图
图3.2前围前板图定位方式
图3.3前围后板的主要定位方式
图3.4总成零件的三维造型
由于微型车前围总成焊接装配的零合件有多个，它们的装配和焊接应按工艺要求的顺序逐步进行，定位和夹紧是分别单独的或是一批批联动的进行，故在设计微型车前围总成焊接夹具时应充分考虑这一点。
车身前围焊装夹具大都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、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,很少能用标准元件。
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平台、翻边作为定位控制点，总之，对于要求不严格的装配，尽量不使用焊接夹具。
车身焊装夹具上,板状定位较多，定位板一般用Q235钢板，厚度为12～19mm。
定位块间距既要保证定位精度，又要保证焊钳伸入的方便性。
定位件按坐标标注尺寸，标注公差车身冲压件装配后，使用电阻焊接，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，并仍能保持准确的装配位置与定位基准贴合，此时可以省去夹紧机构。
焊接通常在两个工件间进行，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机构。
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。
3.2.2焊接结构零件在零件装配到夹具上时所受的夹持力与料厚关系
夹持力一般要求在300～1500N。
通过装配定位使焊接合件在夹具中形成一个刚性型腔，并使它们的尺寸稳定的保持在相应的坐标系中，以抵抗冲压件在装配搭接上所产生的变形。
在通过点焊时，要克服焊接变形力和机械冲击力。
同时操作人员也必须严格按工艺要求焊接，以避免产生点焊顺序不一致造成的变形、超差等焊接质量不合格现象。
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。
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1.2mm厚度以下的钢板，贴合间隙不大于0.8mm，每个夹紧点的夹紧力一般在300-750N范围内；对于1.5-2.5mm之间的冲压件，贴合间隙不大于1.5mm每个夹紧点的夹紧力在500-1500N范围内[8]。
3.2.3装焊夹具的设计精度取决于车身产品分总成的装焊精度
车身产品零合件的精度取决于车身产品冲压件的自身精度和装焊夹具的制造精度。
只有两者的精度得到保证，在调试及生产中才能提高夹具的操作性和产品的质量。
在车身焊接分总成出现超差时，工艺人员才能容易地对夹具、冲模的各环节进行协调修正。
根据夹具中各部分所起的作用不同，其制造精度也不尽相同。
定位部件应有较高的制造精度；夹紧部件、底座则应有足够的强度和刚度。
故在设计中所选用的定位导向板、支承板、定位销等部件制造精度的要求较高，而设计的底板、角支座均有较高的强度和刚度。
在本夹具设计过程，定位销位置精度要求控制在±0.02mm以内，定位销表面淬火处理，硬度HRC40～45。
定位型面、底座等位置精度控制在±0.02mm，定位板、压头厚度不小于19mm，挡块表面需要热处理，硬度HRC40～45。
3.3夹具设计中部件的自由度限制原则
在设计车身装焊夹具时，设计宗旨就是限制6个方向运动的自由度，这种限制不仅依靠夹具的定位夹紧装置，而且依靠制件之间的相互制约关系。
因此，只有正确认识薄板冲压件产生的形变和回弹等装焊生产的特点，同时又正确理解了同位法则定位方法，才能设计出合理装焊夹具。
同位法则定位方法的原理就是总是能够使零件放置到夹具上的同一位置。
那么，针对车身零件特点，从定位原则看，首先要使零件在夹具上固定，可采用定位销和定位面的形式，限制其6个自由度。
支承对薄板来说是必不可少的，可消除由于工件受夹紧力作用而引起的变形。
合理的过定位使零件消除变形和回弹，保证定位更稳定。
对于过定位产生装配位置上的干涉，只要在调整夹具时认真修磨支承面，其过定位引起的不良后果是可以控制在允许范围内的[7]。
3.4定位销、定位块三维可调原则
微型车前围总成零件的外形尺寸大，定位元件及夹紧压头形状复杂，制造难度大，很难做成整体结构，是由一个个部装、定位板、定位块及压头块构成，保证车身表面的空间形状及车身骨骼精度，这些部装在装配时，调整工作量比较大。
由于冲压零合件孔位精度状态往往不稳定，如果将定位元件做成一个整体结构，在生产过程中存在冲压零合件无法落料的风险，因此，在设计前围总成夹具过程中，我们要求定位销、定位块等定位元件三维可调，保证在X、Y、Z三个方向上均可以调整。
。
图3.5定位元件三维可调
第四章夹具的主要设计流程及参数
4.1目前焊接夹具的一般设计流程
4.2一套完整夹具包含的内容和主要的定位方式
4.2.1焊装夹具组成
汽车车身焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴，尽管各类车身焊接夹具的结构形式、复杂程度和零件数量
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