汽车车身焊装夹具设计

汽车车身焊装夹具设计

焊装设备是指在焊接生产过程中与焊接工序相配合，有利于实现焊接生产机械化、自动化，有利于提高装配─焊接质量，促使焊接生产过程加速进行的各种辅助机械装置和设备。按用途分，主要有焊装夹具，焊接变位机械和焊件输送机械

三类。

由于车身零件大都是薄壁板件，其刚性很差，在焊装过程中必须使用多点定位夹紧的专用焊装夹具，以保证各零件或组件在焊接处准确定位并且紧密贴合，保证

整个车身的装配精度和焊接质量。

车身焊接变位机械主要有顶升装置，回转工作台和翻转架，它们在自动化程度不高的手工焊接中应用较多。顶升装置可使焊好后的车身合件迅速脱离夹具定位面，方便操作者卸料；回转工作台是为了减少操作者数量，并减轻劳动强度，使操作者能够保持原位进行焊台各个方位的操作；翻转架可使焊件处于最有利的施焊位置——水平或船形位置上进行焊接，这有利于操作和保证焊接质量。 焊件输送机械主要有自动上料装置、自动卸料装置，工位间自动传送装置和各种

专用吊具，主要是适应车身产品的自动化、机械化生产的要求。

第一节 焊装夹具设计原理

焊装夹具是在生产产品时的一种辅助手段，它是将工件迅速准确地定位并固定于所定位置，包括引导焊枪或工件的导向装置在内的用于装配和焊接的工艺装备的

总称。

一．焊装夹具分类

1．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(即定位焊)，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有利于施焊的位置。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。车身的大型焊装夹具往往就是这类夹具。当焊件结构复杂，夹具的设置使车身的开放性差或焊接方法的可达性不好而无法一次焊完所有的焊缝，则在打开

夹具后补焊或增加一个补焊工位，如车架和车身总成的焊接。

（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。 2．焊装夹具按夹紧的动力源不同，可分为：

（1）手动夹具

它是以人力为动力源，通过手柄或脚踏板，靠人工操作的夹具。它结构简单，具有自锁和扩力性能，但工作效率低，劳动强度大，一般在单件和小批量生产中应

用较多。 （2）气动夹具

它是以压缩空气为传力介质，推动气缸动作以实现夹紧的夹具。它结构简单，使用方便，价格低廉，容易实现焊装过程的机械化和自动化，在焊装夹具中使用最

广泛。 （3）液压夹具

它是以压力油为传力介质，推动液压缸动作以实现夹紧的夹具，与气动夹具相比，

它主要用于夹紧速度有要求以及夹紧力要求很大的场合。

（4）磁力夹具

它主要是利用永久磁铁夹紧焊件的夹具。其夹紧力小，磁力会逐渐减弱。主要用

于车身上小零件的上料，由于空间尺寸限制不易设置夹紧结构。

（5）真空夹具

它是利用真空泵使夹具内腔形成真空，借助大气压力将焊件压紧的夹具，它主要用于夹紧容易引起变形的薄板件，尤其是车身顶盖等焊件在空中运输过程中常利

用真空吸盘来夹紧。 （6）混合式夹具

在一些大型复杂的夹具上，夹紧机构的结构形式有多种，而且还使用多种动力源，有手动加气动的，气动加磁铁的等等。这种多动力源夹具，称做混合式夹具。

二．焊装夹具的功用

1．提高了产品装配精度，优化产品质量

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。

采用了焊装夹具，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，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

降低了对工人的技能要求，也减轻了工人的劳动强度。

三．焊装夹具定位原理──六点定则

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。

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。假设一个刚体A在空间不与任何其他物体发生联系，

将其放在一个空间直角坐标系中，以此坐标系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的刚体，具有六种活动的可能性，即六个自由度（DOFS），如图5-1所示，其中三种是分别沿X，Y，Z三个坐标轴的移动（△X，△Y，△Z），另三种是分别绕X，Y，Z三个坐标轴的转动（αx，

αy，

αz）。物体在空间的任何状态都可由这6种基本变化的合成来得到，夹具定位的目的就是约束6个自由度中的部分或全部，这样物体的位置和方位就能够唯一的

被确定。所以自由度也是决定物体空间位置的独立参数。

图5－1 物体在空间的六个自由度

如图5-2a所示，如果我们在XOY平面上放一块平板B来支承物体A，这时物体A在这个平面上只能沿OX轴，OY轴移动和绕OZ轴转动，而不能沿OZ轴移动以及绕OX轴和OY轴旋转，否则物体A将脱离平板B。这说明支承板B消除了物体A的三个自由度：沿Z轴的移动△Z，绕X轴的转动αx，绕Y轴的转动αy。如果我们再在物体A的XOZ平面上放置两个定位支承点1和2（如图

5-2b），物体A就不能沿 图5－2 空间物体的定位方法

OY轴移动和绕OZ轴旋转了，从而又消除了物体A的两个自由度：沿Y轴的移动△Y，绕Z轴的αz转动。最后只要在物体的YOZ平面上再设置一个定位支承点3（如图5-2c），就可以消除物体沿OX轴移动的自由度△X，这样物体A的空间位置就完全确定下来。从几何学中知道，一个平面可以由三个不在一条直线上的点决定，因此我们可以用三个定位支承点4、5、6来代替图5-2a中的支承板B（如图5-2d），这样分布在三个相互垂直平面上的6个支承点就限制了物体的6个自由度，使物体在夹具中的位置完全确定，这就是物体定位的3-2-1六点

定位原理。

由图5-2d可知，六点中有三个支承点在XOY平面上，两个支承点在XOZ平面上，一个支承点在YOZ平面上，我们把有三个支承点的平面称做安装基面。在这个平面上，三个支承点必须不在一条直线上，被支承工件的重心落在三个支承点所构成的三角形内，它们之间的距离越远，则安装基面越大，焊件的安装稳定性和相关位置精度就越高。因此，应选择焊件轮廓尺寸最大的表面与安装基面接触。有两个定位点的平面称做导向基面，这两个支承点的连线应平行于安装基面，而且两点的距离越远有利于提高安装精度，因此应选择焊件尺寸最长的表面与导向基面接触。有一个定位点的平面称做定程基面，显然安装一个定位支承点就不需要很大的面积与长度，通常是选择焊件上较小的表面与定程基面接触。

四．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

置和可靠的夹紧，并且在焊接时能阻止焊件产生变形。

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，不能影响焊接操作和焊工观察，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伸缩或转位。 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，又不使焊件的拘束度

过大而产生较大的应力。

5．为了保证使用安全，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，特别是夹具体的刚度，

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的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（例如车间面积、起重设备、水电气供应情况和技术水平等）来选择焊装夹具的类型，设计夹

具。

第二节 车身焊装夹具结构分析

由于汽车产品的形式和种类繁多，在焊装过程中使用的夹具种类和要求也不一样，因而各种夹具在构造上有着很大的差别。目前，汽车焊装夹具还没有统一的规格和标准化，均属于非标设计与制造的工艺装备，是根据具体车型的结构特点、生产条件和实际需要来进行设计与制造的，但其功用要求以及基本结构的组成上

还是具有共性。