簡析鋁合金型材在新能源樣車焊接工裝上的應用

岑延清　易澤武　韋冰

摘 要：新能源純電動車的主要特點是環(huán)保、能源清潔、取之不盡，是一個發(fā)展趨勢，也是交通工具的一種變革。本文主要總結探討新能源純電動車前期框骨架焊接工裝夾具的設計制造。從整個設計制造工藝考量，符合企業(yè)“低成本，高價值”的先進管理方式，焊接工裝夾具已在實踐操作中驗證。新能源純電動車車身框骨架在焊接質量上效果良好，達到設計要求，工裝夾具使用方便可靠。

關鍵詞：新能源純電動車;焊接工裝夾具;設計;制造工藝

1 引言

新能源純電動車是國家近年來提出的一項環(huán)保規(guī)劃，同時也是世界汽車制造業(yè)的發(fā)展走向，在設計制造方面都會有很多全新的元素出現(xiàn)，因此，要在短時間內設計制造完成一款新型純電動車，前期試制是一個關鍵環(huán)節(jié)。此次純電動樣車車身結構與通常的汽車車身結構完全不同，是一個全新設計。主要因素是突出實用性，為前期研發(fā)試制獲取各種性能數(shù)據(jù)，縮短試制周期，降低成本。然而，其焊接工裝夾具設計制造工藝在秉承傳統(tǒng)工裝夾具特點的基礎上，必須在結構定位夾緊方面有所突破和創(chuàng)新，才能滿足在最快時間內試制出一款全新的新能源純電動樣車，并且各方面的性能指標符合國家規(guī)定要求，具有市場競爭潛力，為批量生產(chǎn)奠定堅實基礎，搶占市場先機，適應不同車型的結構變化制造需求。本文主要簡單論述了工裝夾具在新能源純電動車樣車的車身設計制造中的應用。

該新新能源樣車的車身是框骨架結構，框骨架全部由多根鋁合金型材組成，其型材截面長寬規(guī)格分別為：40mm×40mm，30mm×30mm，80mm×40mm及40mm×20mm，厚度均為2mm。車身總長度為2368mm，寬度為1332mm，高度為1312mm，如圖1所示。

2 樣車車身框骨架焊接工裝夾具設計方案

設計焊接工裝夾具必須考慮以下基本原則：實用性原則、經(jīng)濟性原則、可靠性原則以及藝術性原則。本著四項原則的設計宗旨，樣車車身框骨架焊接夾具的結構形式設計，選用了三維焊接組合夾具這一類型，它屬于專用組合夾具。選用這一類型結構的工裝夾具，都是根據(jù)焊接工藝決定的。它由四面帶槽的鋁合金型材組成的一種三維焊接組合夾具結構，與通常的組合夾具中的兩大系統(tǒng)之一槽系組合夾具有著異曲同工之處，不同的是標準件模塊、材料及結構形狀，是一種三維焊接專用組合夾具。那么，三維焊接專用組合夾具在同一焊接夾具基體的不同位置上可安裝不同機構，可滿足不同產(chǎn)品焊裝的需要。在這種焊裝夾具結構中，可最大限度采用公用部分機構，按不同產(chǎn)品要求的部分機構布置在夾具基體的不同位置。這些機構結構和尺寸盡量模塊化、標準化、通用化。然后，再用一個滑移式的側框機構，取代沿胎模長度上布置的多個夾緊機構，使夾具結構大大簡化，該設計方案既經(jīng)濟又實用。

3 焊接工裝夾具的構造組成

樣車車身框骨架焊接工裝夾具主要組成部分，如圖2所示，它以一塊底板平臺為基準，利用槽型鋁合金型材，配備各種功能的模塊標準件相互連接，形成框架式三維焊接專用組合夾具，根據(jù)需要配備多種形式的夾緊裝置，最后選擇適當?shù)亩ㄎ粏卧岸ㄎ环绞竭M行定位。

（1）地板平臺是為框體焊接夾具提供一個水平支撐基準，安裝搭建型材框體夾具和緊固夾緊工件的工作平臺，在底板平臺中間X方向刻有坐標中心線，Y方向制作了4個基準孔，圓孔直徑為Φ12mm，均布在兩條Y軸線上，底板X向坐標中心線作為框體 焊接夾具X方向的分中坐標線，圓孔作為焊接夾具底框在Y向 的定位基準。

（2）框體搭建材料是采用4面6槽和4面4槽的鋁合金型材搭建，是標準的長方形、正方形直條鋁合金型材，由不同長度不同規(guī)格的三種直條鋁合金型材搭建組成框體焊接組合專用夾具。

（3）標準模塊的連接固定件有直角連接固定件、45°角連接固定件、T槽螺塊固定件、標準固定螺栓、45°角型材連接頭、肘節(jié)鉗固定墊板。其標準模塊連接固定件具體規(guī)格如圖3所示。

由于工件在焊接過程中要受到外來的壓力、慣性力以及工件的自重作用，這些作用都會使工件產(chǎn)生位移或振動，從而破壞工件的焊接位置。因此，在夾具中都設有夾緊裝置，以產(chǎn)生適當?shù)膴A緊力把工件夾緊，使工件在焊接過程中始終固定在定位元件上。然而，對夾緊裝置的基本要求幾點：1）能保證焊接精度，使工件定位準確，在加工過程中不產(chǎn)生振動和受壓變形最小。2）夾緊作用準確·安全可靠，有自鎖作用，原始作用力去除后，工件仍能保持夾緊狀態(tài)不會松開。3）操作時要迅速可靠，安全省力。4）結構簡單·緊湊·并有足夠的剛度。

這次設計的框式三維焊接專用夾具中，主要考慮焊件是小批量單件試制生產(chǎn)，所以采用經(jīng)濟實用的手動夾緊方式。夾緊器選用品種繁多，其中帶補償旋轉壓頭夾緊器比較實用，然而這款夾緊器就作為整體焊接工裝主夾緊器，同時也選用了兩種補助夾緊裝置，分別是大力鉗和F鉗，如圖4所示。

（4）工件在定位時與定位元件接觸的表面稱為定位基準。工件在夾具中定位，實際上是確定工件上定位基準的位置。所以定位元件的選用主要取決于定位基準的形狀、尺寸和位置精度要求，因此、應根據(jù)定位元件的結構形狀，支持點數(shù)目和布置、以及如何保證工件定位穩(wěn)定可靠和定位誤差最小來予以綜合考慮。由于樣車車身框骨架全部都是方形鋁合金型材組焊而成，因此工件定位是以平面定位。對于定位元件的選用，主要是夾具本身框體型材和各種標準通用件。從整套三維焊接專用組合夾具中、可以看出在很多場合，各部位的定位元件和各類元件功能都是模糊的，只是根據(jù)實際需要和元件功能的可能性加以靈活使用。因而，同一工件的同一套夾具，因不同的功能需要，可以裝配出千姿百態(tài)的各種夾具。該套組合夾具主要定位元件是采用標準四T型槽和六T型槽鋁合金型材加工而成，按用途分，T型槽鋁合金型材定位元件的定位功能主要是控制坐標高度Z方向的自由度，而標準直角定位元件是控制坐標長度、寬度X＼Y方向的自由度，但也不是絕對的，有些地方裝置還是可以互通靈活使用布置的，如圖5所示。

另外，定位方式是夾具設計關鍵的一步，定位方式的好壞，將直接影響裝配焊接質量和效率。在裝焊作業(yè)中，焊件按圖樣要求，在夾具中得到確定位置的過程稱為定位。焊件在夾具中要得到確定的位置，必須遵循物體定位的“六點定則”。在焊接金屬結構中，零件之間都有確定的位置關系，可利用先裝好的零件作為后裝配零件某一基面上的定位支撐點，這樣，就可以簡化夾具結構，減少定位元件的數(shù)量。為了保證裝配精度，應將焊件幾何形狀比較規(guī)則的邊和面與定位元件的定位面接觸，并完全覆蓋。在夾具體上布置定位元件時，應注意不防礙焊接和裝卸作業(yè)的進行，還要考慮焊接變形的影響。如果定位元件對焊接變形有限制作用，則多制作成拆卸式或退讓式。而操作式定位元件應設置在便于操作的位置上。為了工件在夾具中的位置得以確定，六個定位支撐點應根據(jù)工件的形狀和加工要求做合理分布。對于新能源樣車的車身框骨架而言，其車身由無任何定位孔的鋁合金方管組成，在三維框體焊接夾具上工件裝配時都不是單一部件，而是整個車身的組裝過程，就是把車身全部框骨架型材按順序逐個地在夾具上進行定位和夾緊，從下至上、先主后次的裝焊順序前提下，對每個位置進行選擇確認，主要工件都采取兩點一直線的定位原則對其進行位置確定，對于一些輔助部位的零件采用一點輔助定位調整。該樣車焊接夾具的三大框體作為定位元件安裝基礎，分別為底框、右側框和左側框，如圖6所示。

4 三維焊接專用組合夾具的特點

采用T型槽鋁合金設計制造的這種三維焊接專用組合夾具，在新能源純電動車樣車車身框骨架前期研發(fā)試制過程中，是一種探索與創(chuàng)新的新工藝。這種專用組合夾具出具有一般組合夾具的優(yōu)點外，還具有以下特點：

（1）柔性化：夾具元件均實現(xiàn)模塊化、標準化和系列化，互相匹配，可在三維空間任意拼裝，一次性完成樣車車身框骨架整體拼裝定位，同時進行車身框骨架的穩(wěn)固焊接。幾乎可以達到所有專用夾具同樣的定位和夾緊功能。

（2）高精度：樣車框體夾具所有功能標準模塊都具有較高的加工精度。樣車框體夾具底板平臺的平面度誤差在0.08mm以內，定位元件的定位面位置誤差在±0.1mm以內，夾具支撐面的垂直度和平行度為0.02mm/500mm。在加工元件方面，主要是T槽型材長度兩端的加工，精度為0.05mm。

（3）重復性：采用三維焊接專用組合夾具后，可以使用電腦系統(tǒng)設計最佳模擬裝配方案，對樣件進行模擬裝配，可有效降低研制成本。在制造方面、工藝簡單，大大縮短試制時間，并且每個元件和框體型材都可以重復使用。

（4）焊接夾具的性能：整套夾具的操作使用全部都是手工作業(yè)，對于框骨架車身而言，它的柔性度很高，通過改變夾具可調元件位置的方法，實現(xiàn)不同產(chǎn)品的拼裝焊接要求。當不同外形尺寸大小的框體骨架車身需要改變時，只需調整夾具各部位置的長寬高定位形面位置及支撐位置。調整方式是由可調節(jié)式定位件及輔助支撐件和框體構成，它們之間相互尺寸調節(jié)移動都是通過T槽固定螺栓在T槽內移動完成，然后確認固定。另外，夾具的設計是長方體框架式焊接結構，而左右側框體沿胎模的裝配焊接作業(yè)都是相同的，所以，將左右框體夾緊機構設計成滑移式，滑移框體的限位固定元件和滑移元件分別有，滑移框體限位元件為80mm×80mm的直角標準連接件，滑移框體固定元件為螺栓插銷式，銷子直徑為φ10±0.02mm，插銷孔件為40mm×40mm直角標準連接件?；撇糠质抢每蝮w型材之間T槽放入一根滑條作為導向，滑條加工尺寸為800mm×22mm×8mm，滑移面精度為0.8，公差為±0.02mm，整套夾具需要滑條8根，如圖7所示。這種三位焊接專用組合夾具采用滑移式結構，它給作業(yè)時提供了方便的空間，使裝夾更加靈活快捷，同時夾具的敞開性好，便于施焊，更好地實現(xiàn)車身框骨架的整體定位和整體焊接。

（5）夾具的操作：夾具在實際運用過程中，從裝夾定位到焊接整個操作工藝流程合理簡單，符合人機工程要求，也得出了一套比較完善的槽作步驟。其作業(yè)流程為：首先將夾具左右滑移側框體打開并固定，將車身框骨架底部基準定位焊件、前后橫樑及左右前后縱樑按定為單元放入、進行定位夾緊，然后在將其它底部焊件依次放入定位單元定位夾緊，再將框骨架左右基準焊件放入左右滑移框體夾具定位單元內定位夾緊，然后檢查確認焊件裝夾定位是否正確，然后合攏左右滑移框體夾具，鎖緊定位。緊接著按順序從底部依次往上裝夾前后框骨架焊件直至最后頂部縱橫樑的裝夾定位，并檢查確認整體車身框骨架裝夾定位是否合理正確，進行點焊成形。然后將夾具左右滑移框體夾緊器及框體連接定位支撐件松開，推開左右框體夾具，對車身框骨架進行牢固焊接，之后從夾具中取出車身框骨架對底部進行補焊即可完成整個操作過程。

5 結束語

對汽車整體而言，車身的作用很大，車身將發(fā)動機、驅動系統(tǒng)懸架裝置及各種零件組裝在一起形成了汽車的骨架。在設計新能源純電動車樣車車身時，需要注意以下幾點制約因素，才能發(fā)揮其結構特性。

（1）剛度、強度、耐久性、防銹性能對車骨架形成和形狀維持以及確保強度耐久性非常重要。

（2）為了通過減輕質量、慣性力矩提高性能，在追求構造合理化的同時，必須采用高抗拉強度鋼板和鋁合金材料。

（3）確保組件的裝配剛度以保證各功能件間的配合及相互支撐。

（4）乘坐空間及后備箱的形成是車身的基本功能，需優(yōu)先考慮。

（5）設計車身時必須考慮碰撞性能，對車身的性能和特性有很大影響。

（6）考慮車身的耐熱性能以提高與空氣動力學特性相關的車身性能。

（7）嚴格的新能源純電動車樣車車身結構如何采用有效可靠的制造方法來實現(xiàn)其預期設計，對更好的達到純電動車樣車的性能和功能就顯得尤為重要。

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