夹具设计对前盖内板总成焊装质量影响的探究

　　焊装作为制造汽车车身的四大基本工艺之一，对车身结构和尺寸精度都起着至关重要的作用。车身焊装质量关系到整车装配的匹配性、整车的安全性，因此，有效地控制和提高车身的焊装质量，是确保整车质量及其市场竞争力的重要途径。
　　1 车身件焊装偏差的来源
　　白车身通常是指完成所有焊接工序，还没有进入涂装工序的车身焊接总成，主要由地板总成，左、右侧围总成，顶盖，四门两盖(行李箱盖，发动机罩盖，左、右门及前、后门等)焊接组成。白车身焊装质量因素概括起来包括三个大的方面精度、强度和外观。其中，由于车身尺寸精度直接影响到整车的装配和功能，因此减少焊装偏差是提高车身焊装质量的关键。导致车身焊装偏差产生的原因有很多，主要涉及零件产品设计、零件初始偏差、焊装夹具、焊装过程中产生的偏差以及焊装后冲压件的回弹变形等多个方面。
　　a.零件产品设计确定了车身零件的几何尺寸和形状特征，同时也决定了车身零件的制造工艺，而车身零件的制造工艺决定了车身零件的初始偏差大小。在焊装过程中，可以通过将夹具上定位销和定位夹紧面的位置尽量调整至理论上的最佳位置来减少零件初始偏差对焊装精度的影响。
　　b.焊装过程中产生的尺寸偏差以及车身件焊接完成后的回弹变形与焊接工艺、车身件的几何尺寸和形状、焊接夹具有关。
　　汽车焊接夹具是焊装线的重要组成部分，其作用是保证每台夹具下所属焊装零件之间的相对位置和焊接件的尺寸精度，减少焊接件在焊装过程中的变形，提高焊装生产率。美国汽车工业的统计结果表明，72%的车身制造误差来源于焊装夹具定位误差。因此，减少焊装夹具定位误差可以在很大程度上提高车身焊装精度。焊装夹具的设计流程为;夹具设计夹具加工夹具装配车身件焊接车身件焊装精度检验夹具验收。在这个流程中，任何一个环节都有可能产生误差，并影响最终的焊装质量。其中夹具设计是夹具制造、安装和调试的基础，良好的设计是保证车身焊装质量的前提。本文应用CATIA V5软件进行前盖内板总成焊装夹具的设计，在设计过程中从以下几方面控制该总成件的焊装质量：夹具夹紧方案、焊枪选型、焊接位置、人机工程、夹具零件材料以及夹具装配测量。夹具实际使用结果表明，针对上述因素，在夹具设计中采取相应措施可以减少夹具定位误差、提高夹具精度、减少焊点缺陷，提高焊接效率。
　　2 前盖内板总成焊装质量评价
　　某车型前盖内板总成由以下零件组成：前盖内板，左、右铰链安装板和锁钩固定板。由图2可见，组成前盖内板总成的各个车身件上孔洞和沟槽较多，零件曲面变化较为平缓，车身件形状整体呈对称分布，夹具设计时可充分利用各个车身件上的定位孔和重要型面进行定位夹紧。前盖内板总成焊装时常见的质量问题有焊接变形、焊点缺陷、工人操作困难、与车身件接触的夹具零件由于和车身件频繁摩擦引起的磨损、夹具定位夹紧面和车身件不贴合等。
　　3 控制前盖内板总成焊装质量的夹具设计方案
　　常见的汽车焊装夹具由定位机构、夹紧机构、工作台以及一些辅助结构组成。定位机构通常包括定位销、支撑块、调整垫片和安装支座;夹紧机构通常包括夹紧器、夹头、支撑块和安装支座;工作台是安装定位机构和夹紧机构的平台。针对前盖内板总成焊装中经常出现的质量问题，在夹具设计中可以从以下几个方面进行改善。
　　3.1 夹具夹紧方案
　　尺寸大的车身件焊接时弹性变形较大，是易变形的车身覆盖件;尺寸小的车身件焊接时弹性变形较小，可作为普通零件对待。前者在焊接时的定位依据是N-2-1定位原理，后者在焊接时的定位依据是3-2-1定位原理。如果工件上有定位孔，可首先选择以定位孔为定位点，再根据焊点分布情况和工件大小设置定位夹紧面，最后根据车身件的形状确定夹具单元的结构形式。本文中的前盖内板总成件共有23个焊点，分两个工位焊完，其中定位焊工位焊接12 个焊点，补焊工位焊接11 个焊点。由于定位焊工位具有固定零件间相对位置的作用，因此研究其夹具夹紧方案和焊点分布对控制总成件的焊装质量更为重要。
　　前盖内板总成定位焊夹具的夹紧方案。黑色小圆点为焊点，圆形为工件的主定位销，菱形为辅助定位销，矩形框为定位夹紧面，X、Y、Z 为被定位点限制的工件运动方向。左铰链安装板上有2个焊点，由于工件尺寸小，因此只设置了2 个定位销和3 个定位夹紧面;右铰链安装板上有3个焊点，同样原因设置了2个定位销和3个定位夹紧面;锁钩固定板总成有7个焊点，工件尺寸较大，设置了2 个定位销和7 个定位夹紧面;前盖内板是大型薄壁弹性件，同时也是其它零件焊装的基础，除了和上述零件共用的定位夹紧面外，还设置了2 个定位销和5 个定位夹紧面。另外由图3 可见，前盖内板总成的零件形状和焊点分布总体上是对称的，为减少焊接变形，设置夹紧点时也要考虑尽量使之对称分布。值得注意的还有焊点附近定位夹紧面的设置，在焊点之间设置定位夹紧面可以减少工件焊接时产生焊接变形，但夹紧点过多或离焊点太近会影响焊枪的进出，因此夹紧点位置要根据焊点间的距离和车身件形状综合考虑。
　　3.2 焊枪选型
　　常见的焊枪类型有C型和X型，焊枪的选择要根据车身件形状和焊点分布情况而定。为节约成本、便于操作以及减少焊枪切换对节拍的影响，同一个工位应尽量使用1 把焊枪焊完所有的焊点。当焊点焊接方向平行于地面时，适合使用C 型焊枪;当焊点焊接方向垂直于地面时，适合使用X型焊枪。由图3可见，前盖内板总成件的焊点焊接方向均垂直于地面，因此适合使用X型焊枪。
　　3.3 焊接位置
　　焊接时，焊枪电极帽轴线和被焊接区域表面的角度十分关键，当焊枪电极帽轴线垂直于零件焊接区域表面时，所得到的焊点质量最好。车身件是复杂的曲面，每个部位的曲率都不一样。手动焊接工位的工人往往凭经验进行焊接操作，对于工人焊接时凭肉眼难以将焊枪放到正确位置的焊点以及看不见的焊点，很难保证电极帽轴线垂直于焊接区域表面。这种情况下，可以在焊枪电极帽固定端根据焊接区域表面的法向和电极帽直径大小设计焊枪导向装置(对焊枪起导向作用的零件)。如焊接位置，由于此处车身件遮住了下面的夹具结构，而且焊接空间小，工人焊接时难以快速、准确地将焊枪放到正确位置，因此设计了图5b所示的焊枪导向装置。该装置可以帮助工人在焊接时快速、准确地找到焊接位置，调整焊接角度，以确保焊点质量。另外，设计夹具时还要考虑给焊枪留出焊接通道和活动空间，避免焊枪与车身件或夹具发生干涉。
　　3.4 人机工程
　　夹具工作台是安装夹具单元的平台，其高度和夹具单元安装面与地面的角度决定了工人的操作范围。因此，夹具工作台的高度要根据工厂工人的人机工程图确定，角度要根据车身件的形状和焊点的分布状态确定，使工人在合适的位置操作焊枪，方便焊接操作，并有利于保证焊接质量和提高焊接效率。某工厂站立操作工位工人的人机工程，深灰色区域为普通工人的最佳操作区域，浅灰色区域为普通工人可以达到、但操作困难的区域，灰色以外的区域是工人无法操作的区域，各部分的区域大小可根据工厂工人的身高范围确定。图6 中所标识尺寸的单位为mm，带*的尺寸为校核人机工程时需要特别注意的尺寸，以地面为基准，当操作高度900 mm 时，普通工人操作会非常困难;当操作高度1 000 mm时，普通工人操作时手臂可以自由活动，1 100 mm 是普通工人在最佳操作区域内操作时肘关节的最低位置。另外，方框内水平方向标识的150 mm和高度方向的600 mm 是工人操作时下肢的活动空间范围，L1和L2是工人的双臂操作宽度范围，当1个工位只有1个工人操作时，L1可取值1 100 mm、L2可取值1 600 mm。由于前盖内板总成件曲面变化不大，因此夹具工作台的操作面可设计为平行于地面，设计者应根据焊接顺序模拟工人的整个动作过程，尽量使工人操作高度在1 000 1 300 mm之间，且工人在焊接和行走过程中不会碰到夹具或车身件。
　　3.5 前盖内板总成焊接夹具易磨损零件的材料前盖内板总成焊接夹具在使用过程中，由于频繁地取件和上件，与车身件接触的部位容易磨损，导致夹具精度降低，影响车身的焊装精度。与车身件接触的零件是定位销和型块，为延长其使用寿命，设计时要选用耐磨性好的材料，并根据需要进行热处理。定位销一般采用15CrMn，还要对与车身件接触的部分进行硬化处理;与内板接触的型块一般采用45号钢，并对定位夹紧面进行硬化处理。
　　3.6 夹具装配测量
　　焊装夹具调试时偶尔会出现夹具定位夹紧面和车身件不贴合的问题，这可能是由冲压件尺寸超差引起的，也可能是夹具上与车身件接触的零件没有调整到理论位置而导致的。在冲压件尺寸合格的情况下，为避免出现这个问题，必须注意以下几点。
　　a.夹具设计时采用的坐标系要和车身坐标系保持一致。夹具调试时，需要测量定位销和定位夹紧面的位置数据，测量前要先从夹具数模上提取其理论值，然后与实际测得的夹具定位销和定位夹紧面位置的数值对比，并将夹具上零件的位置调整至理论位置。如果夹具设计时采用的坐标系和车身坐标系不一致，从夹具数模上提取的数据要通过坐标系变换转为车身坐标系下的理论值才可以用于测量;如果直接根据夹具数模上的数据调整，可能会与车身件上定位孔和定位夹紧面的理论位置产生偏差，而且坐标系变换过程中由于计算精度的问题也会带来误差。
　　b.夹具设计时，零件的加工精度和装配精度要和车身件的精度相匹配，避免夹具零件尺寸偏差超出车身件尺寸偏差。
　　c.夹具装配完成后，要按规定对定位销位置、型块定位面进行测量和调试，将与车身件接触的夹具零件调整到理论位置。
　　4 结论
　　a.采用N-2-1原理定位被焊接零件时，根据车身件形状对称设置定位夹紧点可减少焊接变形。前盖内板总成上共有23个焊点，分两个工位焊完，其中定位焊工位焊12个焊点，补焊工位焊接11个焊点;
　　b.前盖内板总成件上的焊点焊接方向均垂直于工作台，因此使用X型焊枪;
　　c.为前盖内板总成焊枪焊接设计了焊枪导向装置，有利于快速、准确地找到焊接位置和调整焊接角度，保证了焊点质量;
　　d.对夹具工作台的人机工程进行了校核。结果表明，夹具工作台应平行于地面，操作高度在1 000 1 300 mm 之间，且工人在焊接和行走过程中不会碰到夹具或车身件;各类挂车在主线上的等节拍运转。
　　车架左右侧翻焊接能实现所有焊缝在平面焊接，减少了焊接缺陷的产生，确保了产品质量，为实现多种车型的共线生产，高低梁和直梁集卡车并用，集卡线生产工艺极大提高了集装箱运输半挂车的产能和质量，保证了各类集装箱运输半挂车型在主线生产的通畅性。
　　在整个生产流程中，车架使用滚轮和轨道进行各工序间的转运，避免行吊在工件上的使用，节省了行吊的使用时间，降低劳动强度，提高了工作效率，保证安全使用。
　　4 结束语
　　通过合理的工艺布局，有力的工装保证，极大地提高了生产效率及产品质量，提高了生产工艺水平，将流水线快节奏的生产方式嫁接到集装箱运输半挂车生产过程中，实现现场定员、定岗、定任务、模式化作业，实行目视化管理，给企业利益最大化创造提供一个全新模式。
　　该集卡线减轻了劳动强度，减少了人员，提升了产能，每天按单班产能10 台车创利润5 万元计算，一年创纯利润约为1 500 万，经济价值和社会效益较为显著。其生产工艺及工装结构设计也为专用车行业提供了一定的参考借鉴之处。