焊接工裝夾具在機械裝備制造業(yè)中的發(fā)展與應用

【摘要】隨著先進焊接技術的發(fā)展和進步，焊接工藝在機械裝備制造業(yè)中的應用越來越廣泛。合理地使用焊接工裝夾具是保障零部件焊接工藝質(zhì)量的基本要素之一。近些年來，基于模塊化標準化思想的精密組合焊接夾具系統(tǒng)憑借其在技術和生產(chǎn)應用方面的優(yōu)異特點成為未來重點發(fā)展趨勢，是確保焊接質(zhì)量的根本保障。本文對模塊化組合焊接工裝夾具系統(tǒng)以及后期發(fā)展做一概述。

【關鍵詞】焊接；工裝夾具；模塊化

隨著焊接工藝技術的快速發(fā)展，面向焊接工藝的工裝夾具對零部件焊接工藝的質(zhì)量、焊接的生產(chǎn)率和成本有著直接影響。工裝夾具合理使用，正確安裝和固定各個零部件成為進行零部件焊接的先決條件。因此，面向焊接工藝的工裝夾具同期得到了迅猛的發(fā)展并且在制造業(yè)中得到了廣泛的應用。

1、面向焊接工藝的工裝夾具系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的切削工裝夾具相比，焊接工裝夾具有如下的幾個特點及差異：

（1）切削工裝夾具的裝夾對象大多是一個零部件，而焊接工藝的產(chǎn)品對象則是幾個零部件組成的裝配體，因此，本質(zhì)上焊接工裝夾具是裝配工藝夾具的一種。

（2）焊接工藝及焊接工裝夾具控制的精度一般都要比切削加工工藝能控制的精度低一些。

（3）焊接過程中零部件和夾具的受力遠比切削加工的低很多，但是零部件焊接過程的安裝夾緊常常需要考慮焊接的熱變形或者熱應力的影響。

通常，根據(jù)工裝夾具的使用柔性，夾具可以被分為專用夾具和通用夾具（最主要類型就是模塊化的組合夾具）。專用工裝夾具在制造業(yè)中有著非常重要的應用，主要用在復雜且很精密的高價值零部件生產(chǎn)或者是一些機械裝備產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)中。因為專用夾具的設計初衷就是為某種零部件的生產(chǎn)過程特別定制的，所以在夾具初期設計階段就充分考慮各種因素，比如定位精度、穩(wěn)定性、系統(tǒng)剛性等基本夾緊定位要求外，也考慮到盡可能方便零部件裝載，夾緊，拆卸等因素，提高生產(chǎn)過程的效率。近年來生產(chǎn)加工技術和設備的改進，模塊化組合工裝夾具的技術改進（諸如安裝使用的效率改進、零部件精度的大幅提高等等），也都促進了組合夾具的應用和普及。模塊化組合夾具通過使用標準化的裝夾元件而具備了較大的柔性，有助于減少中小批量多類型產(chǎn)品的生產(chǎn)制造時間和成本。技術驗證表明，零部件制造質(zhì)量無差異的情況下，使用組合夾具具有較低的成本、更快的響應速度和更大的柔性。

2、工程機械制造中的焊接組合夾具的應用

在世界上一些知名的工程裝備制造企業(yè)，現(xiàn)代化的焊接技術和工藝在產(chǎn)品及零部件的制造中已經(jīng)有很廣泛的應用。工程機械裝備中的很多大型部件單獨制造是異常困難的，常常由幾個零件焊接起來，而焊接技術和工藝的進步使得焊接起來的零部件依然有著很好的物理機械性能，這就推動了先進焊接工藝和技術在工程裝備制造業(yè)中的廣泛應用。模塊化的組合焊接工裝夾具在這些工程裝備制造企業(yè)中的應用同樣非常廣泛。工程機械裝備的生產(chǎn)相對于汽車生產(chǎn)那種百萬級的生產(chǎn)規(guī)模，只是中小型的批量，不宜采用高剛性的專用生產(chǎn)線系統(tǒng)。因此，組合夾具的優(yōu)點在工程機械制造的生產(chǎn)中可以較好地發(fā)揮出來。

3、計算機輔助技術在焊接組合夾具上的應用

目前，相對于計算機輔助設計在各個方面的飛速發(fā)展和應用，夾具設計還有待深入開發(fā)。一個重要原因就在于夾具設計從技術傳統(tǒng)上來說主要還是一個基于經(jīng)驗的工作過程，例如設計加工制造工藝較復雜的零部件的裝夾方案常常要求工程師有許多年的專業(yè)工作經(jīng)驗。因此，對企業(yè)生產(chǎn)工藝知識的積累和運用就成為先進計算機輔助夾具設計技術發(fā)展和應用的一個重要熱點問題，特別是工裝夾具設計知識和經(jīng)驗的建模與利用。

當前計算機輔助裝夾工藝設計領域的另一個熱點問題就是對設計的分析和優(yōu)化。精密薄壁零部件制造的工裝夾具設計是一個相當復雜的工作，容易受到加工過程中的力、熱等因素的影響。而反復物理實驗的方法成本太高，可行性低。通過結(jié)構(gòu)、力、熱等多因素耦合的仿真分析能夠?qū)︿X合金薄壁零部件在設定的工裝夾具方案下的應力、變形、精度進行研究，從而對工藝方案做出評估。盡管基于有限元技術的零部件工裝夾具工藝方案數(shù)值分析和仿真技術發(fā)展迅速，但是目前的研究還大多集中在結(jié)構(gòu)應變的研究上。對工裝夾具工藝方案有較大影響的因素還包括了加工過程中的熱因素（特別是薄壁焊接工藝中）。另一項比較重要的技術就是通過對加工工藝和過程的數(shù)值模擬與仿真，模擬在完整的裝夾環(huán)境下，刀具、機器人焊槍等工具的操作和運動過程，從而對零部件的工裝夾具設計方案在加工過程中進行全局仿真分析，并進行優(yōu)化。

4、結(jié)論與展望

先進焊接技術的進步和發(fā)展，推動了焊接工藝在世界先進制造企業(yè)零部件生產(chǎn)中的使用。這也就是為焊接工裝夾具的使用提供了巨大的空間。模塊化組合焊接夾具系統(tǒng)以其標準化、柔性化、快捷化和低成本的特點，在柔性化中小批量生產(chǎn)中應用越來越普及，具有越來越大的發(fā)展應用前景，并且隨著近年來焊接技術的發(fā)展以及焊接零部件在大型精密機械裝備上的廣泛應用，焊接夾具系統(tǒng)也在快速地向著高精度、高效率的方向發(fā)展。先進的計算機輔助工裝夾具設計系統(tǒng)也在一些世界領先的制造企業(yè)中逐步得到應用，這些先進的設計技術和系統(tǒng)在改進工裝夾具的設計效率、檢校仿真并完善設計方案、降低開發(fā)成本等方面都有著非常巨大的潛力，并將在工裝夾具的設計領域產(chǎn)生深遠的影響。

參考文獻

[1]RIPPEY William.We Need Better Information Connections for Welding Manufacturing[R].NIST Whitepaper，2004.10.

[2]American Welding Society and Edison Welding Institute.Economic Impact and Productivity of Welding[R] .Heavy Manufacturing Industries Report，2001.

[3]王亞軍.中國航空焊接/連接技術的發(fā)展與未來[OL].