焊接夹具论文

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题背景 (1)

1.2国外概况和焊装夹具目前发展状况 (1)

1.3 本文主要研究内容 (2)

第二章汽车焊装夹具整体方案设计 (3)

2.1焊装夹具简介 (3)

2.1.1焊装夹具基本概念 (3)

2.1.2夹具的定位原理 (3)

2.2 CD柱内板总成设计分析 (4)

2.2.1 CD柱内板总成各部分简介 (4)

2.2.2 CD柱内板总成自由度的限定 (6)

2.2.3 CD柱内板总成各夹具简介 (6)

第三章焊装夹具设计 (7)

3.1焊装夹具设计流程 (7)

3.2 夹具设计的文件管理 (8)

3.2.1 文件目录命名 (8)

3.2.2 文件命名 (8)

3.3 焊接夹具结构组成和断面形状 (8)

3.3.1焊装夹具的结构组成 (8)

3.3.2 主要控制断面形状（MCS） (9)

3.4 U02焊接夹具设计 (11)

3.4.1 P NL截面 (11)

3.4.2 压块设计 (12)

3.4.3 定位块的设计 (13)

3.4.4 压板的设计 (14)

3.4.5 连接板 (16)

3.4.6 U02夹具运动分析 (18)

3.4.7 气缸的选择验证 (19)

3.5 U01工位焊接夹具设计 (20)

3.6 U11和U12工位焊接夹具设计 (21)

3.7 P03工位单独固定销设计 (24)

3.7.1 销支架设计 (24)

3.7.2 连接块的设计 (25)

3.7.3 支架的设计 (26)

3.8 绘制工程图 (27)

第四章总结 (30)

致谢 (30)

参考文献 (31)

第一章绪论

在我国汽车行业不断蓬勃发展，国产汽车品质也越来越高。同时为了提高汽车产量，增加汽车车身焊接效率，我国汽车行业对汽车车身自动焊接夹具的需求正在不断增长。汽车车身的加工是通过冲压、焊接、涂装和总装进行生产的，焊接作为四大工艺之一，在汽车设计和生产占据主要部分，同时汽车车身的焊接关系着汽车整体车况的稳定性和安全性，在用户不断追求安全舒适的激烈竞争情况下，汽车焊接在四大工艺中扮演着越来越重要的角色。汽车焊接夹具的设计在焊接工艺中占着十分重要的作用，焊装夹具的设计布局是保证焊接完整高效进行的保证。本文基于CATIA软件,结合烟台宇信科技有限公司的北汽福田汽车项目的侧围CD柱后轮毂进行焊接夹具的设计，同时运用虚拟的设计，再结合夹具设计的标准和优化夹具设计理念对侧围CD柱后轮毂进行焊接夹具规划和设计。

1.1课题背景

汽车行业在我国飞速增长，已经成为我国经济支柱之一。特别是在烟台市经济中汽车行业占据了很大部分，是烟台经济发展的中流砥柱。我国大型汽车制造商早也在十几年前就开始了自主研发的车型和生产线。北汽、一汽、比亚迪、奇瑞和上汽等都有自主研发的汽车焊装生产线。然而随着人们对汽车的需求不断改变加快了汽车厂商对型号和种类的不断研发和更新。在进行更改汽车型号和种类的同时需要改造新型汽车焊接生产线，焊接生产线在汽车厂商投入在占很大的比重，而在生产线中焊接夹具占用很大的比例，而且焊接夹具设计水平的高低严重关系到汽车生产的效率、质量和产量。

车身整合焊装是汽车车身制造的关键部分，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。目前国内汽车厂商除了几家大型企业和合资汽车生产商使用自动焊装夹具以外，大多是国内汽车厂商依然是人工操作操作模式，不仅效率低，而且生产的汽车的品质参差不齐，生产的产品标准化程度较低。在日益竞争激烈的汽车行业中，国内厂商和国际大型汽车制造厂商焊接装备水平相比差距逐渐变大。传统的汽车焊接方法和夹具己不能满足不断更新换代的市场的要求,因此各汽车制造商在进行各自的汽车制造中积极引进和研发先进的焊接生产线和夹具来适应这种市场的需求。

1.2国外概况和焊装夹具目前发展状况

自从上世纪二十年代福特汽车公司开发出世界上第一条汽车生产流水线开始,汽

车制造行业从手工进入半自动模式以来，世界各大汽车厂商不断对生产线进行更改和优化。到上世纪七八十年代,丰田汽车开发了第一条柔性生产线，可以使一条生产线适用于多个品种的汽车生产优线随后出现了自动化制造模式和混合制造模式等。

目前，国际大型汽车制造商已开始了全自动焊装生产线，在意大利、德国、美国等制造业发达的国家已应用工业机器人的柔性自动化。在焊接方面国外大多使用关节式点焊机器人，在汽车零部件如汽油箱、消音器等国外厂商也已实现自动化与机器人焊接。

在世界上竞争愈加激烈的汽车市场，在不断跟新产品适应社会需求的同时改变焊接现状是必不可少的步骤。自动化柔性生产系统越来越多的应用于汽车生产中。在现在的汽车焊接夹具的发展状况下主要有两大特点：

（1）汽车车身焊接夹具朝着智能化、全自动化趋势发展；

（2）汽车车身焊接夹具在柔性化方面有全面普及的趋势。

1.3 本文主要研究内容

本文以北汽福田汽车项目U201左/右C、D内板总成焊接夹具设计为基础，对焊装夹具运动机构进行分析，并对侧围C、D内板总成工位焊接夹具设计方案进行深入探讨和优化。

第二章汽车焊装夹具整体方案设计

2.1焊装夹具简介

2.1.1焊装夹具基本概念

焊装夹具是指焊装过程中所使用的夹具。在汽车生产中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。

图2-1 某焊装夹具

2.1.2夹具的定位原理

在焊接过程中，每一个焊接件所放置的位置是不能保证一致的。即使对同一批要进行焊接的焊接件来说，也不能确保每一件都放在同一个位置，各焊接件本身的差异和各工件的位置、倾斜角度也是不一致的。由于焊接件位置的这种不确定性，同时要满足限定自由度。在工艺学中使用空间直角坐标轴分为6个自由度，沿三坐标轴的移动自由度和绕三坐标轴的转动自由度。未进行自由度限定的焊接件可以看做一个刚体，是无法进行加工焊接的，为保证焊接件最后的焊接精度和质量，必须对焊接件进行自由度的限制。

汽车焊装夹具和普通机床夹具的形式和理论虽然是相似的。但普通的夹具定位在设计时一般采用6点定位原理,即通用的一面两销的定位原理，完全定位即可。然而

在进行汽车焊装夹具设计的定位时，不能采用普通的标准。汽车车身是空间曲面，简单的6点定位不能保证焊接件的定位精度。在汽车车身夹具定位时应使用过定位，即所谓的“ N- 2 - 1”定位原理。它是指在进行选定的基准面上进行斯能够第一基准面上所需的定位点数为N(N>3)，第二、第三基准面所需的定位点为 2 个和 1个。第二、第三基准面的2 个和 1 个定位点是完全足够的 ,在实际的焊接生产线中很少有力会作用于第二和第三基准面，通常不必考虑第二。第三基准面的刚度和强度。

在生产线中以焊接件的平面作为定位基准进行自由度的限制是最常见的一种形式。在进行焊接夹具设计定位的时候，可以以焊接件表面接触的情况进行分析。通过焊接件表面接触的面积大小，接触点的数目多少。进行确定在设计夹具时所采用的形式：夹紧装置还是支承件。一般当接触面积较大，或接触位置较多和平面相似时，限制工件3个自由度，两个旋转自由度和一个移动自由度。

第二个基准一般是以工件的圆柱孔来进行定位，主要通过定位销来实现，一般采用短销进行限定两个自由度，两个移动自由度，

第三个基准同样是采用定位销进行定位，和第一个进行配合限定一个旋转自由度。在夹具进行定位时一般较少采用长销进行定位，防止气缸夹紧时产生较大的力对销产生破坏，影响定位效果。

2.2 CD柱内板总成设计分析

2.2.1 CD柱内板总成各部分简介

图2-2 CD柱内板总成的三围造型

北汽福田汽车项目的CD柱内板总成如图2-2所示，是由左C柱内板总成、左后轮罩总成和左C、D柱内板总成焊点组成。图2-3，2-4显示左C柱内板总成和左后轮罩总成的夹紧，支承位置。

图2-3 左C柱内板总成

图2-4 左后轮罩总成

北汽福田汽车项目的CD柱内板总成焊接装配的零件有多个，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CD柱内板总成焊接夹具时应充分考虑这一点。

2.2.2 CD柱内板总成自由度的限定

通过工艺学和力学原理，在汽车车身装焊夹具设计时，至少需确保限制6个自由度，三个坐标轴方向自由度，三个选择自由度。紧靠焊接夹具的定位夹紧装置，是不足以限制6个自由度，不能解决定位问题。在这种情况下需要观察焊接件的特点，依靠焊接件之间面接触相互制约的关系来解决自由度的问题。所以要完全解决限制自由度的问题，要了解焊接件的特点，是否容易产生变形，刚性问题。在此同时熟悉焊接夹具的基础知识。在适当的位置，采用恰当的夹紧定位的夹具，才能做出最适合此种车型的车身焊接夹具。针对车身这种特殊结构，支承是必不可少的部件，汽车车身焊接件本身自重比较大，却车身对焊接精度要求较高，在没有支承夹具的情况下，会由于夹紧力和自重的影响下产生变形。

C、D柱内板总成，同样使用焊装件的相互制约关系。在左C柱内板总成中已两冲压的白车皮接触的平面作为第一基准面，限制三个个自由度，然后通过定位销P01和P02限制C柱内板总成的旋转和移动，完全定位。同样在左后轮罩总成中除了平面进行定位外，通过P03和P04的定位销进行定位，限制三个自由度确保左后轮罩总成能完成定位。

2.2.3 CD柱内板总成各夹具简介

CD柱内板总成是用冲压形成的薄板进行焊接而成的，虽然有一定的刚性，但相对机械加工来说单个较大的冲压件是很容易变形的，所以在进行CD柱内板总成的焊接时应进行设计较多的夹紧和支撑焊装夹具。在保证焊接顺利完成的同时，尽量不要使冲压件产生变形。

CD柱内板总成共有20个夹紧支撑位置(U01-U20),4个定位孔(P01-P04)。在U01到U20定位位置中，U02、U11、U12、U13和U15用于安装支承夹具，在焊接时支撑焊接件，防止在焊接过程中焊枪和焊接件自重对焊接件造成变形，影响产品质量。4个定位孔通过设计的定位销，P01和P02定位销用于左C柱内板总成的定位，而P03与P04定位销限制左后轮罩总成的自由度。

由于任务分配本文中仅对U01、U02、U11、U12以及P03位置的夹具设计。

第三章焊装夹具设计3.1焊装夹具设计流程

图3-1 设计流程图

3.2 夹具设计的文件管理

3.2.1 文件目录命名

1、项目名／GA——存放本工位夹具总图；

2、项目名／LJ——存放本工位夹具单元及其零件；

3、项目名／PNL——存放本工位设计用PNL；

4、项目名／STD——存放本工位设计用标准件、外购件、国标件；

5、项目名／2D——存放本工位各套夹具2维工程图；

6、项目名／UNIT——存放本工位PNL截面。

3.2.2 文件命名

1、加工件:项目代号－工位号－零件序号：如RPI20-01-01 代表RPI20工位的U01的01号零件；

2、标准件:名字与标准件一致；

3、外购件:名字与外购件一致。

3.3 焊接夹具结构组成和断面形状

3.3.1焊装夹具的结构组成

汽车焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴，虽然各类车身焊接夹具的结构形式、复杂程度和零件数量不同，但是其基本组成结构是类似的，一般由压块、定位块、压板和压连接板成。

1、定位块

定位块是夹具的重要结构。定位块的位置及形状是由焊接件的选用的位置形状所决定的，她是焊接夹具与焊接件相接处的结构。形状表面和尺寸精度直接影响整个车身焊接质量和装配精度，其定位块的定位面是根据焊接件型面的设计数值用数控设备加工而成的。

2、压块

压块也是与焊接件相接处的结构，用于支撑焊接件。压块的形状和尺寸精度会影响整个焊接件的焊接质量和装配精度。为适应各种不同的汽车车身的焊接件，压板的表面几乎不相同。压块的定位面需要通过数控设备进行加工。

3、压板

压板在夹具中的运动部件，通过气缸的启动来实现压块对工件的夹紧及松开，确保焊接件在焊接过程中位置不变，压板通过螺栓定位销和压块进行连接，可以通过垫片进行距离的调节，寻找最好的安装夹具的位置。

4、连接板

连接板通过两个圆柱销和螺栓与支架相连接，上方通过铰支销与压板相连接，使连接板、压板、压块和定位块连成为一个整体机构，且该机构能固定在装焊台的基座表面上，连接板的制造精度会影响整个焊接夹具的准确性。

5、夹紧气缸

它是夹具的动力源，用来为整个焊接夹具提供驱动力，实现了压板和压块的运动。在现在焊接夹具设计中气动夹紧方式是最常用的选择。本设计中主要应用CK1A63系列系列的气缸。

6、支架

确定BASE板的高度后，通过计算连接板的高度，来确定支架的型号。在本设计中用到了YWB0801-150、YWB0801-250 和YWB0802-300这几个型号的支架。同时还要保证连接板尺寸和形状的合理性。

图3-2 焊接夹具整体结构图

3.3.2 主要控制断面形状（MCS）

MCS 是组合件在MCP 位置上的断面形状和夹具构造简图。在MCS 中，规定了定位面的大致形状，方式、夹紧打开方向、定位销方式（固定、移动、旋转）等。

为了进行全面的了解该焊接件，必须在全面的了解焊接件的曲面形状、焊接位置和焊接要求等前提下进行设计，既要保证焊接夹具的可靠性、满足使用要求，又要同时保证夹具的设计和制造简单、方便。现对需要进行设计的U01、U02、U11、U04和P04位置夹具设计进行讨论。图3-3U01的MCS 图显示，在U01位置焊接夹紧的位置处于整个焊接件的边缘，只需通过压块和定位块设计来完成夹紧要求即可。而在图3-3U02的MCS 图看出在要求夹紧的位置处于焊接件远离边缘处，同时还需要在焊接件的底面设计支承夹具，用于对焊接件进行支撑。

图3-3 U01、U02MCS 图

图3-4 U11、U12和P03MCS 图

在图3-4中的U11和U12的MCS 显示，U11和U12处的夹具用来对焊接件两个方位进行支承。在P03的MCS 图中焊接件需要设计定位销进行定位。

3.4 U02焊接夹具设计

图 3-5 C、D内板总成图

图3-5显示整个工位中各个定位位置的X、Y和Z方向的坐标，通过内板总成来确定每个夹具位置。

3.4.1 P NL截面

图3-6 U02PNL截面

在进行夹具设计时，先对C、D柱内板总成进行按Z轴方向的切割，选取200Z 进行截取平面作为PNL截面保存在UNIT文件夹。根据设计标准，可选取PNL截面宽度设置为16mm。

3.4.2 压块设计

如图3-6所示U02夹具需要在夹紧位置进行设计夹紧夹具，在支承位置进行支承夹具的设计用于对焊接件的支承定位。在夹紧位置中需要设计压块定位块进行加紧，使上下两个焊接件紧固，方便焊枪进行焊接。同时为防止下面焊接件自重会对焊接产生影响，影响焊接精度。故在支承位置处添加一定位块用于对焊接件支撑。

图3-7 压块的尺寸设计

压块设计使用整数进行建立坐标系，根据操作高度要求将基座面设置在-1100Y 处，所以把坐标移动到-800Y处。压块尺寸进行定位时可使用坐标系进行标注尺寸。压块在满足夹紧精度的情况下尽量减少压块质量，缩短尺寸。

压块为满足要求以下要求：

①材质：45#钢，热处理后型面要达到HRC40～45；

②加工完需发黑处理；

③压块的厚度：16mm；压紧面宽度：15mm；

④压块的型面、加工面及水平方向上的两侧面加工粗糙度不大于Ra3.2μm；

⑤基准销孔的内表面加工精度要求不大于Ra1.6μm；公差等级H7；定位孔尺

寸精度为±0.02mm；

⑥压块上的型面对基准的尺寸公差为±0.1；

⑦最后加工完毕后在规定的部位打上零件号。

压块表面为与焊接件曲面完全配合，在CATIA进行截取处理。同时压块要

与压板进行连接，故在压块上面进行钻销孔和通孔。如图3-8所示，销孔采用?8，通孔使用?9，孔深度为15mm，使用V型底。

图3-8 压块的三维设计

3.4.3 定位块的设计

定位块和压块配合对焊接件进行加紧，定位块表面的质量同样严重影响者焊接的精度和质量。定位块和压块在形状设计方面相似，同样使用坐标系进行标注尺寸。

图3-9定位块的尺寸设计

同样定位块的表面需要与焊接件曲面完全配合，需在CATIA进行截取处理。

为使定位块和其他机构构成整体，在压块上面进行钻销孔和通孔，用于和连接板相连。销孔采用?8，通孔使用?9，孔深度为15mm，同样使用V型底。

压块表面为与焊接件曲面完全配合，在CATIA进行截取处理。同时压块要与压板进行连接，故在压块上面进行钻销孔和通孔。销孔采用?8，通孔使用?9，孔深度为15mm，使用V型底。

图3-10 定位块的三维设计

为完成整体焊接夹具设计要求，在进行制作时定位块应满足一下特点：

①材质：45#钢，热处理后型面要达到HRC40～45；

②加工完需发黑处理；

③定位块的厚度：16mm；定位面宽度：15mm；

④定位块的型面、加工面及水平方向上的两侧面加工粗糙度不大于Ra3.2μm；

⑤定位销孔的内表面加工精度要求不大于Ra1.6μm；公差等级H7；定位孔尺

寸精度为±0.02mm；

⑥定位块上的型面对基准的尺寸公差为±0.1；

⑦最后加工完毕后在规定的部位打上零件号。

3.4.4 压板的设计

压板是整套焊接夹具中最重要的组成部分。用于连接压块和气缸，是动力元件的枢纽。压板一边使用螺钉与压块连接，同时使用销定位，控制压块的打开和加紧。夹紧位置在焊接件的位置决定压板臂的长短，而压板的臂长是整套夹具刚性和夹紧质量的关键所在。

图3-11 更改压板距离满足要求图

工位U02中的夹紧位置由于位于焊接件的里面，所以在U02中的压板臂必须设计的足够长，在打开状态能满足安全距离（L>25mm），然而进行压板设计考虑时出现新的问题在选用普通的气缸时，设计的压板的臂长为320mm，然而旋转点到气缸的位置之间的距离只有80mm，出现了极限的4:1的情况。为避免在工作过程中会出现严重的安全隐患，达到设计要求的焊接精度。改用了150的大型气缸，更改后旋转点到气缸的距离选为100mm，接近所需要的3:1，满足设计要求，同时打开状态也满足安全距离。

图3-12 压板的尺寸设计

压板过长，除考虑安全距离以外，还应该把压板自身的刚性计算在内，压板臂过长会产生人们俗称的“头大脚轻”的问题。通过探讨和研究决定在选择点和气缸之间不在使用镂空结构，采用加固的形式，在过渡方面使用R40的倒角解决应力集中问题。

图3-13 压板的三维设计

压板为满足焊接精度和质量也需要满足一些特点：

①材质：Q235A；

②压板的厚度：16mm，压板表面加工粗糙度不大于Ra3.2μm；

③压板与压块的配合面位置精度：±0.05mm；

④压板与压块的配合面表面加工粗糙度不大于Ra3.2μm；

⑤压板与气缸接头连接孔为加工基准孔，表面加工粗糙度不大于Ra1.6μm；公

差等级：H7；

⑥压板与气缸的连接孔公差等级：H7；表面加工粗糙度不大于Ra1.6μm；根据

“入体原则”其上偏差+0.1，下偏差0。

⑦焊接后作消除应力处理；

⑧加工完毕后在规定的部位打上零件号。

3.4.5 连接板

对U02工位的截面进行分析夹紧位置处需要进行夹紧装置，在支承位置处需要进行支承。所以在最初对U02进行整体夹具设计时，采用了两个夹具的设计，在夹紧位置设计一个夹紧装置，在支承位置处设计支承装置，简单可靠。

图3-14 最初U02设计

随着设计的深入，不断对设计夹具进行优化。发现在保证焊接精度的前提下，不必要使用两套夹具，不仅浪费成本，还和其他夹具相干涉。随后提出来进行更改支承位置上的定位块方向，想通过连接板与支承位置上的定位块连接，可以减少成本，而且显得夹具设计的简洁、明了方便后期夹具的加工。

图3-15 连接板的尺寸设计

开始进行夹紧位置和支承位置整体的设计，由于PNL截断面与连接板县里的距离

过近，最初的设想是通过螺钉将定位块直接连接在连接板的下方，简单，易操作。通过研讨和受力分析，发现由于焊接件的自重比较大，会对定位块的定位精度产生很严重的影响。随后讨论将连接板进行延长，使用连接板进行托住定位块。

连接板延长用于托顶定位块的部分，还需要进行钻螺纹孔和销孔使连接板和支承位置的定位块进行连接，所以连接板不宜太厚，防止对连接板孔加工对连接板孔精度产生影响。

图3-15所示连接板与压板连接采用销进行连接，同时为了减少连接板的磨损，增加使用寿命，在连接板和销支架增加无油轴套。所以连接板上与销连接的孔设计为?14mm。无油轴套选用的采购件，减少设计部件，减轻整个夹具的设计压力，同时降低成本。

为减少在加工过程中产生应力集中，在拐角处进行倒圆角处理。

图3-16 连接板的三维设计

连接板需要和支架、气缸、压板和定位块进行连接，所以需要满足一些要求：

①材质：Q235A；

②连接板的厚度：16mm；

③连接板上的销孔公差等级：H7；孔表面粗糙度不大于Ra1.6μm；孔之间尺寸

精度±0.02mm；

④连接板的连接部分表面加工粗糙度不大于Ra3.2μm。

3.4.6 U02夹具运动分析

U02夹具运动分析用来演示夹具打开的状态，对夹具的安全性进行分析。

图3-17 U02焊接夹具打开状态

将气缸调到摆动的最大幅度，在图3-17中显示，气缸的摆动位置不与连接板和支架进行干涉，摆动幅度不太大在设计要求范围内。

U02工位的夹具设计从压块开始到连接板，经过多次的讨论和更改，已是最优的选择。

3.4.7 气缸的选择验证

在U02中通过安全距离（L>25mm）进行选择的气缸，在最后应该对气缸的夹紧力进行验证，避免由于夹紧力不足造成焊接出现问题。

对气缸夹紧力进行计算。