浅谈汽车焊接夹具的结构设计

【摘要】：焊接夹具是汽车车身装焊生产线上的关键工艺设备，事关整个汽车的制造质量。它的设计制造的水平和周期直接影响着整个焊接工艺水平、汽车生产能力及产品质量。因此,对汽车车身焊接夹具设计的一般规律进行探讨，提出了在焊接夹具设计中所应该遵循的基础条件和方法,使夹具设计更能适应现代化汽车生产发展的需要,将成为汽车焊接夹具设计的关键。

【关键词】：汽车；夹具设计；结构特点及功能；典型结构设计；气动技术

中图分类号： F407.471文献标识码：A 文章编号：

前言

汽车车身焊接夹具的设计是一门经验性很强的综合性技术，在设计时首先要对生产纲领，产品结构，制品件及装配精度等工艺要求详细了解后，才能对焊接夹具进行全方位的设计。为了提高焊接质量，缩短产品投放市场的时间，现在汽车企业将夹具设计与车身外形设计同时进行，大大减少了由于车身设计不足导致的焊接质量问题，同时缩短了设计周期，降低了成本。利用计算机辅助设计软件进行柔性夹具设计，通过对设计方案的评价，提高了设计的合理性，加快了设计的速度。

一、焊接夹具的组成

焊装夹具的结构设计的目的就是要保证夹具有良好的操作性、夹紧定位精度的可靠性。同时设计的结构要方便制造人员维护和保养，容易调整。在保证焊接质量和焊接精度的前提下，夹具的结构应尽量简单，小巧。通常夹具的设计一般采用焊接和安装结构，由base与unit组成，每个unit主要由三个基本部分组成，即基座、支撑定位部分和夹紧部分。如图所示。

二、功能

（1） 装夹工件，使工件处于正确的焊接位置，保证焊接精度。

提高劳动生产率。使用夹具后，能使工件迅速准确地定位和夹紧，并能够显著地缩短辅助时间和基本时间，提高劳动生产率。

改善工人的劳动条件。用夹具装夹工件方便、省力、安全。当采用气压等夹紧装置时，可减轻工人的劳动强度，保证安全生产。

降低生产成本。在批量生产中使用夹具时，由于劳动生产率的提高和允许使用技术等级较低的工人操作，故可明显地降低生产成本。

保证工艺纪律。在生产过程中使用夹具自动生产线，可确保生产周期、生产调度等工艺秩序，精确了每个工位的焊接周期时间。

三、分类

按控制分类分为气控和电控和人工控制。人工控制比较适合小生产低成本的夹具，气控用于中等规模的焊接夹具。电控一般由于产量很高，生产节拍短的夹具，一般设计成自动生产线。在真正的生产线中，为了提高生产数量同时降低成本，一般会同时存在两到三种控制方式。

四、焊装夹具的设计步骤

1.对产品图进行工艺分析，统计焊接工作量，设计工艺方案。2.根据生产纲领及工作量确定生产线节拍，进而确定夹具数量及各夹具工作量。应适当平衡生产线自动化程度，尽量减少等待和延误工时现象。3.根据产品复杂程度、工作场地、钢结构等，确定工件输送方式和夹具框架，设计出生产布局图。4.根据产品图焊点形式、位置确定主要定位点位置和数量，确定辅助定位点位置和数量及夹紧点位置和数量。5.设计各夹具构想图。6.根据焊接工艺设计夹具具体动作控制方案，进行机构设计，动力及控制管线布置。

五、焊装夹具的设计特点

1.有较短的设计和制造周期。2.夹具和操作工人的关系特别密切，要求夹具与生产条件和操作习惯密切结合。3.夹具在一般情况下是单件制造的，没有重复制造的机会。通常要求夹具在投产时一次成功。4.夹具的社会协作制造条件较差，特别是标准化、商品化的元件较少。设计者要熟悉夹具的制造流程和方法，以满足设计的工艺要求。以上这些问题将决定夹具的设计、制造质量。

六、焊装夹具的设计要求。

设计夹具时，应满足下列四项基本要求

保证工件在夹具中的正确定位，保证工件焊接变形量在允许公差范围内。

保证工人的操作方便、安全。

满足生产周期、生产率的要求。

满足夹具一定的使用寿命和经济性要求

七、焊装夹具的基本结构

焊装夹具是由若干UNIT组成，每个UNIT大体可分为如下几个部分。

1、LOCATOR即支撑块，它在焊装夹具中起到支撑工件的作用，要求保持良好的精度，所以其材料一般要求较硬且耐磨损。为使工件准确定位，每个工件至少需要三个LOCATOR。LOCAOTR的安装方式有两种，螺栓加面定位与螺栓加销定位。LOCATOR的精度要求一般比较高，可达到+0.02mm，其制作方法一般为线切割后再进行机加工。

2、CLAMP即压紧块，它在焊装夹具中与LOCATOR配合一起压紧工件，有时候作辅助定位，没有 LOCAOTR的支撑的情况下直接压在工件上，起定位作用。其材料比LOCATOR要求低，精度要求低，在起定位作用时材料要求与LOCATOR一致，此时要求精度较高。其安装方式和制造方法与LOCATOR相同。

3、PIN即定位销，它在焊装夹具中起到定位工件的作用。一般每一个工件都需要两个定位销来定位，一个圆形销，一个菱形销。圆形销起定位作用，菱形销起到防止工件转动的作用。材料比较硬且表面需淬火，从而达到防止磨损的作用。结构可分为侧向顶丝固定销，螺母固定销等。

4.PLATE即过度板，它在焊装夹具中起到连接LOCATOR、ANGLE BRACKET和气缸

的作用，材料一般也用SS400，其板厚为标准厚度，两面再进行机加工，以保证LOCATOR的定位精度。它以光电加工的形式下料，然后再加工需要精度的安装面，生产率较高。

5.CLAMP ARM即连接臂，它起到连接CLAMP、PLATE与汽缸的作用。有时可以与CLAMP作成一体。设计时要注意它的运动轨迹，避免与其它部件干涉。它与PLATE与汽缸铰接处，销孔要求精度较高，其它部位精度要求不高，材料为SS400，制作时也采用光电下料的方法。

6.ANGLE BRACKET即基座，它起到支撑整个UNIT，并与BASE连接的作用。结构型式一般已标准化，特殊情况下可自制。

7.STOPPER既为限位块，在焊接夹具中起到使运动部件精确定位的作用。因其上下接触面经常碰撞，故材质要求较硬且易更换。

8.GUIDE即导向块，放工件时起导向的作用，GUIDE分为两种，粗GUIDE与精GUIDE，精度不同。精GUIDE的导向精度较高，材质与LOCATOR相同，一般代替菱形定位销做辅助精定位。粗GUIDE的材质为SS400。

9.PIN BRACKET即定位销支架，它在焊装夹具中起到支撑定位销的作用。它的形状根据工件的实际情况（干涉现象）而多种多样。要求要有一定的刚度，从而使定位销定位准确。其材质为SS400。它依靠LBLOCK与SHIM来调节定位销的定位精度。

10.SWITCH BRACKET是接近开关支架，是用来安装接近开关的支架，它不需要很高的强度。

八、焊装夹具的定位与夹紧

焊装夹具是依靠定位销，支撑，夹紧还有导向来保证工件的稳定准确定位的。定位基准应优先选择平面或组装基准面，尽量利用零件上的工艺孔或有精度面作为定位基准。

1、定位销的设计

为保证工件的孔的定位精度，定位销的直径一般为-0.1mm，其位置精度为+/-0.05mm，。在车身焊装过程中，若定位销的固定位置妨碍了工件的装卸，就必须将定位销设计成移动式结构。如在自动化程度不高的手工操作中，设计成结构简单，实用方便的活动销，在大批量的自动化生产线上可设计成以气缸为动力源的移动销结构。

2、支撑和夹紧的设计

冲压件外形复杂性导致支撑夹紧的定位面形状不一，复杂多变。为了使零件的制造和调整方便，可将支撑和夹紧与过渡板及夹紧臂分体设计，从而减小定位板尺寸，避免整体加工。定位板上的定位面形状取决于与其相接触的冲压件的数据，在制造过程中，为了保证定位面的形状，尺寸精度，应采用数控加工或靠模加工。

3、夹紧元件的设计

夹紧机构根据产量和生产率的需要可以采用气动和手动两种夹紧方式，夹紧时不可破坏工件的确定位置和工件自身的形状，所以要设定适当的夹紧力。夹紧件在设计时应充分考虑其打开状态时的空间量，以便于焊件的装卸及工人的操作，同时还要注意与相临夹具的干涉问题。夹紧件的结构设计形式不同，其运动也不相同，在保证正常工作的情况下，尽量使其结构简单化和统一化。

九、 典型机构

1、举升

它由一个气缸提供推动力，两侧导柱做平衡的直线运动机构。气缸上带有调速阀，以保证被举升部分以适合的速度前进。如果被举升部分的行程定位需控制，则可在两个导柱的前后加上限位STOPPER，以保证被举升部分精确定位。上述只是举升结构其中的一种，根据不同作用要求，还有其他几种结构，在此不一一列举了。

2、SWING

它由支架与气缸组成。固定支架用螺钉固定在BASE上，活动支架以铰链形式连接在固定支架上，在连接部分装上轴套，并注入油，以保证铰接部分活动自如。在活动支架的前部，装上STOPPER，来保证活动支架的精确限位。用气缸来提供运动的动力。（图1）

（图1 ）（图2）

3、滑轨

它与SWING一样，由支架和气缸组成（图2）。固定支架用螺钉固定在基座上，固定支架一般为两个，与之配合的活动支架也有两个，固定支架与活动支架间需精配合，组成导轨形式。活动支架由气缸提供动力，在固定支架上运动，前部带有STOPPER，以保证活动支架上的部件运动到精确的位置。

4、SHIFT

它由一个气缸提供推动力，两侧导柱做平衡的直线运动机构，在需要定位的方向上设置限位装置。此结构与导轨的作用基本相同，为了躲避干涉，将支撑，定位销，夹紧等结构坐在SHIFT上，使它们在该躲避的时候降下去，在工作时再升到准确地原位置上。

还有其他很多典型的设计结构，在此就不多讨论了。

十、气动控制技术

现代汽车制造工厂生产线几乎都采用了气动技术。如：车身的搬运装置；车身外壳被真空吸盘吸起和放下；在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆的变压控制点焊等都采用了气动控制系统。

1、气动技术其主要优特点如下：

气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低，使用安全。

工作介质是空气，不占用成本。排气处理简单，不污染环境，成本低。

可靠性高，使用寿命长。

输出力及工作速度的调节非常容易。利用空气的可压缩性，可储存能量，实现集中供气。可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击和过负载有较强的适应能力。在一定条件下，可使气动装置有保持能力。

全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。

由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。

2、气动元件

1）气源设 2）气源处理元件：过滤器，干燥器，调压阀 3）气动执行元件主要为汽缸4）气动控制元件 有压力控制阀，流量控制阀，方向控制阀，比例控制阀5）气动辅助元件包括：元件、消声器、排气洁净器、气动位置传感器、磁性开关、压力开关、流量开关、管道及管接头、气液转换单元、液压缓冲器。6）真空元件 7）其它元器件包括：流体阀、工业用过滤器、气动隔膜泵、电动执行器。

这些气动元件的使用保证了夹具的动作平稳顺畅，保证了焊接生产的连贯有序。

十一、维护保养

维护保养工作的中心任务是气动元件的维护。保证供给气动系统清洁干燥的压缩空气；保证气动系统的气密性；保证油雾元件得到必要的；保证气动元件和系统得到规定的工作条件。另外还有夹具本身的维护，给油部位的，螺丝的拧紧度，易损件的更换等等。维护工作可以是每天、每周、每月或每季度进行维护工作。维护工作应该有记录，以利于今后的故障诊断和处理。

十二、计算机辅助设计

计算机辅助设计（CAD）是一个正在发展的高新技术领域。设计流程一般为分析车身工件的具体情况，确定结构后，从车身工件断面开始进行支撑和夹紧的结构设计，依据从内而外，从中间到两边的设计顺序进行，设计途中相关的标准零件和外购件可从数据库中调取，然后进行装配，最后形成装配模型。再将模型进行实际生产模拟，找出存在的问题并及时解决。它体现了系统的控制机制。

计算机辅助设计既可以缩短设计周期，便于修改，减少因设计导致的加工错误，同时又能促进夹具的标准化和系列化数据库的建立，使设计简单化，标准化，减少设计成本。因此它成为现代自动化制造技术的发展需要。成为夹具设计人员必不可少的工具。

结束语

随着汽车行业的迅猛发展，汽车焊接夹具设计必将越来越受到全世界人们的关注，如何设计出更低成本、更高焊接质量的汽车焊接夹具，将是汽车生产厂家和夹具设计厂家共同关注的焦点。

参考文献

韩根云 汽车车身焊接夹具的设计《新技术新工艺》 2001年08期

熊晓萍汽车车身装焊夹具的结构设计《汽车工艺与材料》1998年05期

【3】 徐礼锋浅议汽车焊接夹具的结构设计《职业圈 》2007年第1期