汽車白車身焊裝夾具定位銷應(yīng)用研究

呂業(yè)成

（上海賽科利汽車模具技術(shù)應(yīng)用有限公司，上海 201209）

白車身是通常由數(shù)百個薄板沖壓工件在將近100臺裝配夾具上焊接而成，涉及的焊點多達4000多個。焊裝夾具設(shè)計及制造占整個汽車制造成本的10%～20%，而且統(tǒng)計表明，焊裝誤差有72%為定位夾緊所致。焊裝夾具的設(shè)計采用車身統(tǒng)一基準為基礎(chǔ)，即設(shè)計基準、沖壓基準、焊裝基準和檢測基準等基準統(tǒng)一，焊裝夾具是保證焊接基準統(tǒng)一的關(guān)鍵設(shè)備，焊裝夾具中的定位銷則是保證車身件焊接尺寸精度的關(guān)鍵部件。

定位銷主要作用是限制工件的在空間中某些方向的自由度，保證焊接總成達到規(guī)定的尺寸和公差要求，確保焊接的一致性和穩(wěn)定性，其最主要的目的是保持后續(xù)工序定位基準的一致性，確保零件能夠處于理論設(shè)計位置并固定，且能夠保證零件焊接精度的一致性和焊裝的穩(wěn)定性。

定位銷在車身焊裝領(lǐng)域十分常見，按照定位銷的形狀，可以分為圓銷、菱銷和鉤銷三種類型。安裝方式一般分為固定式與活動式兩類，其中活動式又可分為單導(dǎo)桿帶銷式、雙導(dǎo)桿帶銷式、翻轉(zhuǎn)銷式和鉤銷式。

目前，主流主機廠采用“一面兩銷”的定位銷定位組合有三種形式，如圖1所示，（a）、(b)是SVW標準的定位銷定位組合方式，主定位孔采用圓銷定位，且定位銷直徑設(shè)計比定位孔小0.1，輔助定位孔有兩種形式，一種圓孔，采用菱形銷定位，且定位銷直徑設(shè)計比定位孔小0.1，菱形銷的定位方向為兩銷連線的垂直方向；另一種是腰形孔，采用圓銷定位，且定位銷直徑設(shè)計比定位孔小0.1。(c)是SGM標準的定位銷組合，主定位孔采用圓銷定位，且定位銷直徑設(shè)計比定位孔小0.1，輔助定位孔也是采用圓銷定位，但定位銷直徑設(shè)計比定位孔小0.3。

1 定位銷的設(shè)計

1.1 定位銷三要素

定位銷由導(dǎo)向部分、定位部分和安裝部分組成，不同形式的定位銷雖然這三部分不盡相同，但都必須具備這三個部分，如圖2所示。

樣式一為SVW一款標準定位銷，樣式二為SGM一款標準定位銷，樣式三為一款銷釘缸專用定位銷。其中，導(dǎo)向部分盡量按照標準定位銷形式設(shè)計，理論上定位銷導(dǎo)向部分越長，對于放件越便利，但當(dāng)定位銷定位的是盲孔，定位銷將采用球頭或平頭形式，如圖3所示。

圖1 兩銷的三種定位組合方式

圖2 定位銷組成

圖3 非標定位銷導(dǎo)向類型

定位銷定位部分是對工件定位關(guān)鍵部分，定位銷的有效定位長度有要求：對于常規(guī)定位銷，其有效長度L必須大于等于4mm(見圖4)；當(dāng)使用螺母孔作為定位孔時，定位銷有效定位長度至少超過螺母的兩牙螺牙長度（見圖5）；當(dāng)定位銷定位的是盲孔，定位銷將采用球頭或平頭形式，定位銷的有效長度L需大于等于2.5mm（見圖6）。

圖4 定位銷有效定位長度

圖5 螺母定位有效定位長度

圖6 短導(dǎo)向定位銷有效定位長度

定位銷的安裝鎖緊方式主要有三種：外螺紋配合螺母鎖緊（SVW推薦樣式）、內(nèi)螺紋配合螺栓鎖緊（SGM推薦樣式）以及銷釘缸鎖緊方式，如圖7所示，其中銷釘缸的鎖緊方式又可分為頂絲鎖緊和銷釘鎖緊兩種方式，SVW使用頂絲進行鎖緊，SGM使用銷釘縮緊。

圖7 定位銷的鎖緊方式

1.2 定位銷的材料及硬度要求

由于定位銷與白車身工件直接接觸，在其材料和表面處理方式上有一定的要求，不同的主機廠要求不同的，表1為SVW和SGM對定位銷材料及表面處理方式的要求。在定位銷設(shè)計加工時，需要嚴格按照各自主機廠的要求執(zhí)行。

1.3 定位銷選用原則

優(yōu)先使用廠內(nèi)標準定位銷，一是廠標定位銷經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐，對于不合理的部分進行多次標準優(yōu)化迭代，無論是定位精度控制還是安裝拆卸便利性方面都趨于成熟；二是廠標定位銷規(guī)格有限，對于定位銷的備件無須按照每臺夾實際定位銷使用數(shù)量進行備件，只需對標準定位銷和個別非標定位銷進行備件，由此可以節(jié)約定位銷備件成本。

表1 SVW與SGM定位銷材料及表面處理方式對比

2 定位銷的安裝方式的確定

定位銷的安裝方式按照定位銷在焊裝夾具中是否需要運動分為固定式和活動式兩大類。在焊裝夾具設(shè)計過程中，具體如何選擇定位銷的安裝方式，下文作具體介紹。

2.1 固定式定位銷應(yīng)用

優(yōu)先選擇固定式定位銷安裝方式，因其安裝精度高且穩(wěn)定，對于調(diào)整和維護十分便捷。固定式定位銷最常用的三個應(yīng)用場合：定位銷軸線與取件方向一致的情況；工件主定位銷優(yōu)先選擇固定式定位銷；對于補焊工位優(yōu)先選擇固定式定位銷。

2.2 活動式定位銷應(yīng)用

2.2.1 單件定位孔不平行

在焊裝夾具設(shè)計時，有時會出現(xiàn)一個工件的兩個定位孔軸線不平行，存在夾角α，如圖8所示，這時在工裝設(shè)計時，這兩個定位孔不能全部設(shè)定為固定銷，全部設(shè)為固定銷無法實現(xiàn)工件的取放。設(shè)計時，需要考慮這兩個定位孔中是否有一個定位孔軸線是和焊接后總成取件方向平行，如果存在平行情況，則可以將軸線平行于取件方向的定位孔設(shè)置為固定銷定位，另一定位孔必須設(shè)置為活動銷，在放件和取件時先將活動銷縮回，工件沿著固定銷方向取放即可；如果不平行，這兩個定位孔必須全部設(shè)置為活動銷，否則，無法實現(xiàn)焊接后的取件。因此，單件兩定位孔不平行情況，兩定位孔至少要設(shè)置一個活動銷，至于是選擇一個還是兩個，需要視具體情況而定。

圖8 工件兩定位孔軸線不平行

2.2.2 多工件定位孔軸線不完全平行

在焊裝夾具設(shè)計時，經(jīng)常遇到所要焊接的幾個工件，每個工件的兩個定位孔是平行的，但各個工件之間的定位孔不完全平行情況，如圖9所示，設(shè)計時，往往將定位孔軸線與取件方向平行的其中一個工件采用固定式定位銷對其定位，其余的工件的定位銷形式全部選擇活動銷形式，滿足焊接后取件需求。

2.2.3 軸線平行的定位孔數(shù)量超過兩個

在焊裝夾具設(shè)計時，會遇到所要焊接的幾個工件，其軸線全部平行，如圖10所示，此種情況，從理論上講，所有工件即使全部使用固定式定位銷定位，也不會影響取件。但生產(chǎn)實踐經(jīng)驗告訴我們，如全部使用固定式定位銷進行定位，焊接后無法取件，因為焊接完成后產(chǎn)生的焊接應(yīng)力作用在定位孔和定位銷之間，同時，焊接完成后成為一個焊接總成件，此時，焊接總成可以看作一個大工件，那么，一個工件超過兩個定位銷定位，屬于過定位情況，因此，焊接完成后，最多保留兩個固定銷，其余定位銷需全部退出定位孔，一方面釋放焊接應(yīng)力，另一方面解除過定位情況。因此，對于軸線平行的定位孔數(shù)量超過兩個的情況，通常最多選擇兩個定位銷為固定式，其余定位銷均為活動式。

圖9 多工件定位孔周線不平行

圖10 軸線平行的定位孔數(shù)量超過兩個

2.2.4 工件定位孔下方無空間

在焊裝夾具設(shè)計時，有時會遇到這種情況：所需焊接的幾個工件中，所需定位的工件處于其他工件上方，如圖11所示，這樣對于處于上方的工件，定位銷無法從工件下方進行定位，定位銷只能在工件上方進行定位，因此，該工件的定位銷只能選擇活動形式，焊接完成后，定位銷單元移走，讓出取件空間，才能順利取件。

圖11 工件定位孔下方無空間

2.2.5 打開補焊

在焊裝夾具設(shè)計時，有時因定位銷單元與焊槍干涉，如圖12（a）所示，只能完成部分焊接，有部分焊點焊槍無法可達。剩余的焊點的完成，要基于定位銷單元縮回，讓出焊接空間，才能完成補焊，如圖12（b）所示。顯而易見，這種情況下定位銷形式需要選擇活動式。

圖12 定位銷單元與焊槍干涉補焊

2.2.6 夾具與抓手共用定位孔

在焊裝夾具設(shè)計時，工件的定位孔只有兩個，這兩個定位孔工裝夾具需要使用，抓手也要使用，如圖13所示，這種情況下，工裝夾具和抓手上的定位銷均需使用活動式。

2.3 活動式定位銷設(shè)計選型

焊裝夾具設(shè)計中的活動式定位銷的主要有單導(dǎo)桿伸縮銷形式、雙導(dǎo)桿伸縮銷形式、翻轉(zhuǎn)銷形式以及鉤銷形式四種形式，下面就這四種活動銷的設(shè)計選型進行介紹。

2.3.1 單導(dǎo)桿伸縮銷設(shè)計選型

單導(dǎo)桿伸縮缸上有專門提供定位銷安裝的位置，氣缸的運動帶動定位銷的伸出和縮回。此種定位銷安裝方式，定位銷的定位精度較高，但單導(dǎo)桿伸縮銷主要用于空間相對富裕的場合，如圖14所示，從圖中可以看出，定位銷正下方空間被單導(dǎo)桿伸縮銷單元占用。因此，空間相對富裕的情況下，可以優(yōu)先考慮此種活動銷形式。

圖13 夾具與抓手共用定位孔

圖14 單導(dǎo)桿伸縮銷應(yīng)用

2.3.2 雙導(dǎo)桿伸縮銷設(shè)計選型

雙導(dǎo)桿缸不像單導(dǎo)桿缸有專門適合定位銷安裝的位置，定位銷與雙導(dǎo)桿缸的連接是通過連接塊過渡實現(xiàn)的，由于連接塊的設(shè)計隨機性很強，因此其安裝方式十分靈活。雙導(dǎo)桿缸可以帶一個或兩個定位銷。設(shè)計時，當(dāng)伸縮銷受力或采軸用銷帶面，定位銷心（或定位面）與氣缸軸心最大偏心距離小于等于100mm（如圖15所示），才能保證定位銷定位的穩(wěn)定性。雙導(dǎo)桿伸縮銷尤其適合需求攜帶兩個定位銷、安裝空間相對緊湊的場合。

圖15 定位銷軸心（或定位面）與氣缸軸心偏心距離

2.3.3 翻轉(zhuǎn)銷設(shè)計選型

在設(shè)計翻轉(zhuǎn)銷結(jié)構(gòu)時，一個很容易出現(xiàn)的問題就是，翻轉(zhuǎn)銷翻入時或者翻出時和工件發(fā)生干涉，導(dǎo)致后期解決問題繁瑣，為了避免該問題出現(xiàn)，必須在設(shè)計階段予以解決。其中，氣缸的轉(zhuǎn)點位置的選擇是否合理直接關(guān)系到定位銷能否順利翻入或翻出工件定位孔。圖16是翻轉(zhuǎn)銷的一個應(yīng)用實例，從圖中可以看出，氣缸轉(zhuǎn)點與工件中心處于同一個平面內(nèi)，這樣的設(shè)計有何依據(jù)，下面進行較為詳細的說明。圖17為翻轉(zhuǎn)銷定位工件的簡化模型，翻轉(zhuǎn)氣缸的轉(zhuǎn)點在工件的中心，箭頭所指的方向是翻轉(zhuǎn)銷的插入方向，此時，定位銷左側(cè)距離轉(zhuǎn)點較遠的一邊很容易插入工件，右側(cè)只有滿足一定條件才可以插入工件，下面對該條件進行分析，圖18為右側(cè)局部放大圖。其中，L是翻轉(zhuǎn)氣缸轉(zhuǎn)點到定位銷的最遠距離，S是工件的厚度，A是定位銷伸出工件的距離。根據(jù)SVW和SGM定標準定位銷的直徑比工件的基準孔小0.1mm，所以半徑小0.05 mm。取臨界位置，得

根據(jù)圖4可知，A越小，L越大，越利于翻轉(zhuǎn)銷的旋入和旋出。即。

圖16 翻轉(zhuǎn)銷定位實例圖

圖17 翻轉(zhuǎn)銷定位工件簡化模型

在設(shè)計時，A盡可能滿足A≥2.5mm，L盡可能的大，但是，并不是無限大，翻轉(zhuǎn)臂的長度增加，不但增加加工成本，而且對定位的精度也會產(chǎn)生影響。

2.3.4 勾銷設(shè)計選型

在焊裝設(shè)計時，會遇到無法同時滿足定位夾緊的場合，如后地板的縱梁定位夾緊，縱梁開口的一面正好被后地板的面板蓋住，無法對其夾緊，而產(chǎn)品尺寸控制要求這里必須夾緊，這種場合適合采用鉤銷形式，可以同時滿足定位夾緊。鉤銷的一般由定位銷、夾緊鉤和托塊三部分組成，如圖19所示。鉤銷中的定位銷中部開槽滿足夾緊鉤的活動空間需求，因此，為保證定位銷和夾緊鉤強度，定位銷的直徑不能太小，一般要求直徑不小于19.8mm。鉤銷機構(gòu)中的定位銷有圓銷和菱形銷兩種形式，根據(jù)具體工件定位需求進行選擇。定位銷、托塊和夾緊鉤根據(jù)產(chǎn)品的形狀和特征進行設(shè)計，圖20為鉤銷設(shè)計選型實例，設(shè)定工件定位孔為D1，工件的板厚為t，托快的高度h，通常鉤銷集成于勾銷缸，由工裝設(shè)計人員將相關(guān)參數(shù)（D1、t和h）提供給鉤銷缸供應(yīng)商，由鉤銷缸供應(yīng)商加工集成成品。

圖18 翻轉(zhuǎn)銷定位工件簡化模型右側(cè)局部放大圖

圖19 鉤銷的組成

圖20 鉤銷設(shè)計選型實例

鉤銷雖然既具備定位功能有滿足夾緊需求，但這這種形式僅限用于特殊場合，而不能作為常規(guī)設(shè)計形式，一是鉤銷缸成本高；二是維修更換備件不便。

3 結(jié)語

定位銷是焊裝夾具的核心元素，如何正確設(shè)計定位銷對焊裝夾具至關(guān)重要。文結(jié)合SVW和SGM焊裝夾具設(shè)計標準及多年從事焊裝夾具設(shè)計經(jīng)驗，對于如何設(shè)計定位銷的，進行了梳理和總結(jié)，希望能給到焊裝夾具設(shè)計的同行們一些借鑒。