R33焊装夹具的设计及应用

李楠

(1.湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2.神龙汽车有限公司,湖北 武汉 430056)

R33焊装夹具的设计及应用

李楠1,2

(1.湖北工业大学，湖北 武汉 430068；2.神龙汽车有限公司,湖北 武汉 430056)

以神龙公司R 33焊装夹具的设计及应用为例，在以往焊装夹具相关研究资料的基础上进行了总结，通过现实生产实践，对焊装夹具设计规律做了探讨，阐述了在设计及应用中所应遵循的基础条件。

汽车；焊装夹具；设计；应用

随着汽车工业的发展，汽车焊装夹具的研究成为一个热点，夹具直接影响着车身品质、生产率和经济性。汽车焊装夹具的设计应用是一门经验性很强的综合性学科，必须要熟悉产品结构，了解材料变形特点，掌握制件及装配精度，通晓工艺要求，才能对焊接夹具进行优化应用[1]。R33（新爱丽舍）是神龙公司自主研发的一款经济型轿车，拥有完全自主知识产权，R33的焊装夹具完全采用国产设备，在其设计和应用上达到了国内领先水平。在汽车白车身装配焊接生产过程中，焊装夹具的设计应用充满了特殊性，因此，工艺设计人员必须见多识广，具体问题须具体对待。

汽车焊接的基本特征，就是组件到部件再到总成的一个组合再组合的过程。从组件到车身焊接总成的每一个过程，既相互独立，又承前启后，因此组件的焊接精度，决定着部件总成的焊接精度，最后影响和决定着车身焊接总成的焊接精度与品质。而零件焊接的品质是由焊装夹具的精度保证的，因此，对于焊装夹具的设计及应用方面的研究，是控制焊接车身几何尺寸的关键[2]。

1 生产规划及总体布局

目前，在汽车行业中，大部分的车身焊接过程以流水线生产为主，所以夹具设计应有利于流水线的布置和设计，同时也考虑给生产管理提供方便[3]。

在实际生产中,生产节拍决定了焊接夹具的自动化水平及焊接工位的配置。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。

夹具动作时间主要取决于夹具的自动化程度；装配时间主要取决于冲压件精度、工序件精度、操作者的熟练程度；焊接时间主要取决于焊接工艺方案、焊接设备的自动化程度、焊钳选型的合理化程度等；搬运时间主要取决于搬运设备的自动化程度、物流的合理化程度等。

只要把握住以上几点，就能合理地解决焊接夹具的自动化水平及制造成本这对矛盾[4]。

2 焊装夹具的设计应用及优化

在焊接过程中，合理的夹具结构，有利于合理安排流水线生产，便于平衡工位时间，降低非生产用时。对具有多种车型的企业，如能科学地考虑共用或混型夹具，还有利于建造混型流水线，提高生产效率。设计夹具的要点可以归纳为一句话：定位准，限位稳，夹紧牢，取放易，加工少，结构巧。

在设计和选用夹具时，要注意以下方面的内容：

2.1 六点定则在车身焊装夹具上的应用

在设计车身焊装夹具时，常有两种误解，一是认为六点定则对薄板焊装夹具不适用；二是看到薄板焊装夹具上有超定位现象就以为不符合六点定则。产生这种误解的原因是：把限制6个方向运动的自由度片面的理解为限制6个方向定位点。焊接夹具设计的宗旨，是限制6个方向运动的自由度。

图1所示是零件空间坐标位置，限制其6个方向运动的自由度，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。只有正确认识了薄板冲压件焊装生产的特点，同时又正确理解了六点定则，才能正确应用这个原则。

图1 零件的空间坐标

从定位原则看，支承对薄板来说是必不可少的，可消除由于件受夹紧力作用而引起的变形。在汽车焊接夹具的设计中，经常有超定位的方式定位，过定位使接触点不稳定，产生装配位置上的干涉，但在调整夹具时，只要认真修磨支承面，其超定位引起的不良后果，是可以控制在允许范围内的。

2.2 夹具定位部件的优化

R33车身焊接夹具使用的大量定位块，其型式是从冲压模具的定位面截切而来，即在车身冲压零件的型腔上定位，其定位面积大，一般投影面积在50mm×100mm以上。定位块是加工件，其余支撑部分为铸铁件，定位块在装配调整后，再配作定位销。

在外观上有两种式样：大面积的定位块，小面积的气动或手动压头；大面积的定位块，大面积的气动或手动压头。前者的缺点是造成定位块加工复杂，产生车身零件压紧力不够，后者的缺点是干涉焊钳的点焊操作及装件困难。

在生产中使用的夹具，其精度必须保证产品总成的要求；其选择定位面的数量也是比较保守的，宁多勿少。另外，每个定位块的装配全部是用4个螺钉在沉孔中固定在焊接支承底板上，因焊渣飞溅的填充，造成维修更换的困难。因此这种整体为铸件的定位块式夹具，是耗能耗材的，其设计、制造周期和成本都比较高。

针对以上缺陷，为了优化车身焊接夹具的定位，将整体为铸件的定位块转化为组合定位板定位，板的厚度在 16mm、18mm、22mm、25mm几档中选用，整个夹具本体改为焊接合件，在制造、装配上都缩短了周期，相对降低了成本。定位板与角支座、角支座与底板各定位销孔均采用镗孔，孔间距偏差为±0.02mm。这种在加工上采用此方式，在调试中若车身产品尺寸略有变化（如冲压件常有的尺寸误差），机加中保证的尺寸精度就浪费掉了。要想使车身几何精度在夹具上一次装调成功，冲压件就不能有较大的尺寸偏差，而且定位点的数量也比较多。用直角块可调定位方式与上相同，只是定位块、压头用直角块加垫片过渡。图2是R33夹具中常用的定位方式，其优点是支撑板、压头用损后修复、装调比较方便；也比较容易形成标准化设计、制造（除定位面、压头上压块外，其余零件均可制成标准件）。

图2 零件的定位部件

2.3 车身分块和定位基准的选择

基准统一是机械加工工艺设计的基本思想之一，在焊接汽车车身时，各个相互关联的组件、部件及车身焊接总成夹具的定位基准，应具有统一性和继承性，只有这样才能保证最终产品品质，即使出现品质问题也易于分析原因，便于纠正和控制。焊接夹具设计定位基准统一要求保证两点：

一是保证焊接夹具设计基准与车身设计基准、冲压基准、检测基准的统一；

二是保证焊接夹具设计基准在分总成、总成、车身焊接总成的各总成之间保持前后统一。

基准统一保证了车身焊接精度，便于查找质量问题原因，提高管理水平。

R33车身焊接总成由前后地板、前仓、侧围、开启件、车身这几大部分组成，不同的车型尽管分块方式不同，但在选择定位基准时，一般都应做到：

（1）保证门洞的装配尺寸。当装配开启件时，门洞必须作为主要的定位基准，在分装夹具中，凡与前后立柱有关的分总成装焊，都必须直接用前后立柱定位，而且从分装到总成定位基准应统一；车门总成装配时，以门洞及工艺孔定位，且从焊装到总装定位基准也应统一。

（2）保证前后主定位孔的位置准确度。车身底盘上的主定位孔，一般冲压在地板纵梁上，装焊时要保证悬置孔的相对位置，以便使车身顺利地下落到夹具或转运小车的定位销上。

（3）保证前后风窗口的装配尺寸。前后风窗口一般由外覆盖件和内覆盖件组成，一般是在前后围总成和侧围总成上形成的，在分装夹具上要注意控制其定位精度，还有的在总装夹具上形成，用专门的窗口定位装置对窗口精确定位，以保证风窗玻璃的装配。

3 R33焊接夹具的结构及定位夹紧特点

3.1 车身焊装夹具的结构特点

R33车身焊装夹具体积较大，结构复杂，为了便于装配、检测和维修，必须对夹具结构进行测量。在现场调试时，一般采用折叠式三坐标测量仪进行测量。较大的夹具一般有2个以上的测量支座，每个测量支座对应有3个测量基准点，通过如图3所示的3个基准点建立汽车坐标系进行测量。

图3 夹具底座上的测量基准点

另外，每台夹具在其底板上一般都有加工基准槽和坐标线，定位夹紧组合单元按各自的基准进行装配、检测，最后组合起来，成为一套完整的夹具。

3.2 车身焊装夹具的定位特点

车身焊装夹具，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、经过修边的窗口和外部边缘、装配用孔和工艺孔定位，这就在很大程度上决定了其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，在设计定位工装时，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。车身焊装夹具上，板状定位较多，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(如图4所示)。

图4 留出焊钳操作空间的夹具定位

3.3 车身焊装夹具的夹紧特点

车身冲压件装配后，多使用电阻焊接，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，为减少装卸工人的辅助时间，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，以免夹紧力使工件变形或脱离定位基准。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，使其与定位支承或接地电极贴合，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500～3000N范围内[5]。

夹紧部件大体上都具备如图5所示的结构，按照夹紧方向有平面、垂直、45°夹紧器；按照操作方式有螺栓夹紧、快速夹紧、手柄螺旋夹紧；按照驱动方式有手工、气动或液压夹紧。夹紧压块一般由碳素钢、不锈钢、尼龙材料制成，以适合不同的工件要求。如果配备两点、三点夹紧桥，可以同时夹紧不同高度的两个位置的工件。另外，也可以按照夹紧的型面加工特殊的夹紧头。

图5 夹紧部件

4 夹具调试的过程及方法

4.1 夹具的调试过程

一套夹具，从制造完毕到投入使用，要经过一个漫长的过程。这中间大部分时间都是在进行调试工作。一般来说，夹具的调试过程，大致分为以下9个步骤：

（1）完善夹具的相关文件；

（2）确认夹具设备的符合性及重复性；

（3）确认夹具和产品与工序是否一致；

（4）现场的设备核对，符合性的确认；

（5）验证安装零件到设备的重复性，即零件定位的重复性确认；

（6）工序对几何尺寸和外观的影响的核对，即检查焊接过程对几何精度的影响；

（7）产品几何尺寸图表的收集、整理、分析、整改，进行产品、工序的验收；

（8）产品设备重新调整标定，编写调整记录跟踪表；

（9）进行经验总结反馈。

4.2 夹具的调试方法

以上所述（1）～（3）几个步骤，都是要在夹具到现场之前完成的工作。主要是一些图纸资料的准备工作，一般都在夹具还没有出厂时，在夹具制造商处就应该完成。从第（4）步以后，就是夹具到焊装现场以后的工作。其中（5）、（6）步是最为关键的步骤，通常采用在零件上选取适当的可以反映在汽车坐标系中X、Y、Z方向变化的点，通过钻孔或者划线来检查重复精度，每个点的偏差一般控制在0.3mm以内。

5 R33夹具的特点

汽车的车身是经过冲压、焊接、涂装、总装这4个主要工艺过程生产出来的。相对于汽车的冲压、涂装、总装等生产工艺来说，焊装生产线的通用性是最差的，增加一种车型往往要增加全新的焊接夹具，汽车厂家需要投入巨额的资金。而降低汽车换型的投资成本的主要措施之一，是提高汽车焊接生产线通用化程度，使其改造量降至最小。

为了降低生产成本，R33夹具的设计上充分运用了柔性化设计。夹具的柔性化设计，是目前国际上流行的一种先进的设计理念，汽车焊接生产线柔性化，就是在一条焊接生产线上能进行多种车型车身的焊接。R33作为神龙公司自主研发的一款新车型，是在老款爱丽舍（R23）的基础上升级改造的。在R33的焊装生产线上，R33白车身在原有R23白车身基础上主要进行了前、后脸的改型，夹具和生产线的改造涉及侧围、地板、前仓、发动机罩、后行李箱、翼子板、车门共7个大部件。翼子板、骨架、地板、调整区域采取局部工位新增、主线共用的模式；车门、前仓、车身、侧围区域采用柔性化共线生产。例如在R33侧围外板与尾灯板成型焊接夹具上，尾部定位部件集成化、模块化，分别做成两个不同的模块。然后通过更换R23/R33的两个集成定位模块，来实现两个车型的交叉共线生产（见图6）。

图6 R23/R33夹具转换模块

对于R33夹具上的定位支撑、压头、定位销，在设计时就充分考虑了今后调试和分析几何尺寸质量问题的方便。国内一些厂家的夹具，为了简单省事，往往把定位面设计成不可调的，而R33的夹具在各个定位面上，都实现了功能方向的单独可调。R33夹具的另外一个特点，就是在每一对支撑和压头之间都预留了钢板间隙，相对于一些日系汽车厂家的焊接夹具不留钢板间隙的做法而言，R33夹具的设计不仅能够保证零件的固定，还能够防止零件在装夹过程中产生的变形。

R33作为神龙公司自主开发的一款车型，从前期产品造型，到工业化可行性分析，直至最后的工业化生产准备，整个过程均以神龙公司中方人员为主，焊装工艺则全部由中方人员自主完成。

在焊装生产线的调试过程中，由于新老产品要共线生产，设备的改造调试工作受到了相当程度的限制，一切调试工作都要在不影响现生产的前提下进行，而且要考虑到新夹具与老零件的适配性问题，许多夹具为了适应生产现场的条件，都做了因地制宜的修改，其改造难度往往要胜过设计一台全新的夹具。

6 结束语

汽车车身焊接夹具的特点及应用优化，与冲压件、工序件结构及精度关系极为密切，充满了不确定的特殊性。在改进改善时，除了考虑遵循一般的规律外，还必须具体问题具体对待，应细化工艺，使用高效率夹具，提高生产效率。

为适应系列车型需要，应发展快速可调的混型夹具，提高夹具机具一体化程度，诸如多点焊机、车门包边机、机器人激光焊夹具等。采用新的设计方法，如坐标法、模块化设计法、计算机辅助设计等。提高夹具通用化、系列化、标准化水平，是今后焊装夹具的发展趋势[6]。

焊接工艺设计涉及的知识领域宽，受到制约同样比较多，比如产品系列、用户观念、工艺水平、品质精度要求、周边物流状况、投资限制、原有厂房及厂区等，因此要求工艺设计人员见多识广。生产线技术水平和自动化率不是越高越好，也不是生产线投资越低越好，在保证产品品质的前提下，高性价比的焊装生产线，是工艺设计永恒的追求目标。

汽车焊接夹具的设计生产所需的时间周期，是汽车投产周期的重要组成部分，成为汽车生产发展的瓶颈之一。因此，对于提高汽车焊接夹具设计效率和优化应用的研究，具有非常重要的现实意义。随着我国汽车行业自主产权的不断增加，焊装工艺设计也必将实现由国外设计多转变成国内设计多，将会有更多的自主开发的焊装生产线得到广泛应用。

[1]许瑞媾.中国汽车焊接设备发展展望[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]张 政.汽车焊接夹具结构的设计研究[J].汽车工艺与材料，1992，(5):32-37.

[3]张铁柱.汽车原理教程[M].国防工业出版社，2003.

[4]韩根云.汽车车身焊接夹具的设计[J].新技术新工艺·热加工技术，2001，(8):33-34.

[5]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.

[6]肖永清.汽车的发展与未来[M].北京：化学工业出版社，2003.

The Welding Fixture Design and Application of R33

LI Nan1，2
（1.Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China；2.Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.,Ltd.,Wuhan 430056，China)

According to the R33’s welding fixture design and application in DPCA as an example,To make a summary based on the previous research information of the welding fixture,Through the act,craft,or process of manufacturing products,explore the rules on the design of welding fixture,expounded in the basic conditions should be followed of the welding fixture design and application.

automobile；welding fixture；design；application

TG759

B

1672-545X（2011）08-0180-05

2011-05-16

李 楠(1979—)，男，湖北随州人，工程师，湖北工业大学工程硕士，研究方向：机械设计及理论、机械制造及自动化，目前在神龙汽车公司从事焊装工艺工作。