金屬組件焊接夾具設(shè)計方法及步驟

吳 濤

（江西江鈴集團奧威汽車零部件有限公司，江西 南昌 330000）

在工業(yè)產(chǎn)品制造業(yè)不斷變革的大環(huán)境下，要想使市場需求得到滿足，關(guān)鍵是要對焊接夾具設(shè)計理念與方針進行更新，真正做到以客戶視角為切入點，通過提高焊接精度的方式，為汽車質(zhì)量提供保障。要想使焊接精度達到預(yù)期，實證有效的方法便是引入標準化設(shè)計模式，這也是本文所研究的主要內(nèi)容。

1 焊接夾具設(shè)計方法

1.1 材料及結(jié)構(gòu)

對夾具設(shè)計工作而言，選材是極為重要的環(huán)節(jié)，有關(guān)人員應(yīng)以耐用性為依據(jù)，對適合材料進行篩選。調(diào)查結(jié)果表明，國內(nèi)大部分焊接夾具所用材料，一般夾具本體采用45鋼調(diào)質(zhì)HRC30-35；定位板多用T10，淬火52-62HRC,這樣耐磨；焊接夾具定位元件可選用45、40Cr等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼制造，或選用T8、T10等碳素工具鋼制造，并經(jīng)淬火處理，以提高耐磨性。在開展相關(guān)工作時，以下內(nèi)容應(yīng)當(dāng)引起重視：其一，薄板件往往存在易變性和剛性差的問題；其二，作為沖壓成形的焊接件，普遍存在空間曲面，這也決定其具有相對復(fù)雜的形狀以及結(jié)構(gòu)；其三，如果沖壓件型腔較深，導(dǎo)致其出現(xiàn)形變的原因則是回彈和剛性差，而非傳統(tǒng)觀念所認為的只有剛性差。

1.2 焊接方法與流程

1.2.1 焊接方法

金屬組件所用焊接方法主要為電阻焊、氣體保護焊，前者對夾具所提出要求極為嚴格，其中，以機器人點焊、多點焊以及反作用焊尤甚。后者所采用保護氣體為CO2，該技術(shù)具有較電阻焊更廣的應(yīng)用范圍，對夾具所提出要求也相對寬松。

1.2.2 焊接流程

金屬組件焊接過程可被拆分為組件—部件—總成。而利用組件對車身進行總成焊接的各環(huán)節(jié)的關(guān)系，通常為承前啟后并且相互獨立，由此可見，對總成焊接精度具有決定作用的部分為組件焊接精度，在某種程度上，組件焊接精度還會給焊接后工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量帶來影響[1]。要想使產(chǎn)品質(zhì)量達到預(yù)期，關(guān)鍵是要確保組件/部件/總成夾具所對應(yīng)定位基準，既具有繼承性，同時又具有高度統(tǒng)一性。另外，一旦有質(zhì)量問題出現(xiàn)，有關(guān)人員應(yīng)做到從多個角度分析問題成因，通過制定糾正方案的方式，確保類似問題不會再次出現(xiàn)。

2 焊接夾具設(shè)計步驟

2.1 CBR夾具設(shè)計

夾具是讓工件按照特定技術(shù)要求定位并緊固的一種工藝裝置，目前，主要被用來輔助加工、裝配以及檢測工件等工作的開展，屬于具有極高專用化程度的復(fù)雜工藝裝備。

雖然利用計算機為夾具設(shè)計工作提供幫助的研究從未停止，但所取得成果十分有限，迄今為止，仍然沒有出現(xiàn)能夠大范圍推廣并得到運用的商品軟件。近幾年，集成制造以及柔性制造行業(yè)快速發(fā)展，對夾具設(shè)計使用軟件進行研發(fā)成為大勢所趨，在對多方因素加以考慮后，有關(guān)人員決定借助CBR技術(shù)，設(shè)計能夠充分利用設(shè)計經(jīng)驗的軟件，利用該軟件所開展設(shè)計工作，僅需對原有設(shè)計方案進行修改或組合，便可獲得符合項目需求的全新方案。

基于CBR開展夾具設(shè)計工作，強調(diào)利用計算機對人腦思維活動進行模擬，不僅使設(shè)計經(jīng)驗得到了科學(xué)利用，還能夠確保獲得方案與實際情況相符。如果以KBS為參照，CBR的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：第一，無需對模型/規(guī)則進行獲取，只收集現(xiàn)有事例即可，因此，即便缺少模型，有關(guān)人員仍可對CBR系統(tǒng)進行建立。第二，在落實相關(guān)工作時，只需對事例特征加以確定即可。此外，由于該系統(tǒng)始終處于擴充狀態(tài)，只要具有部分事例，便可完成夾具的設(shè)計。第三，無需從頭推算結(jié)果，而是以完整答案為依據(jù)，通過推理的方式得出最終結(jié)果，求解速度極快。第四，便于維護，對新事例進行增加，既滿足其學(xué)習(xí)的要求，還可使項目特點與需求得到準確反映。

2.2 標準化建庫

對夾具進行三維設(shè)計，前提是建立標準參數(shù)庫，按照行業(yè)標準，對參數(shù)庫存儲元件進行分類。在開展設(shè)計工作時，有關(guān)人員可以調(diào)用所需常用元件，通過更改參數(shù)的方式，獲得尺寸符合需求的元件，與此同時，參數(shù)庫也能夠得到擴充。在完成標準化建庫工作后，有關(guān)人員只需從中選用元件并裝配夾具，便可達到設(shè)計夾具的目的，事實證明，如果以原有方案為參考，該方案無論是設(shè)計耗時還是設(shè)計有效性，均更加接近理想狀態(tài)。

焊裝夾具適用參數(shù)庫的結(jié)構(gòu)見圖1[2]。目前，被用來建立參數(shù)庫的工具，主要是具有部件族功能的UG，該功能強調(diào)以模板部件為依托，在建模電子表單的輔助下，快速獲得擁有相同形狀和不同參數(shù)的部件。事實證明，利用該功能建立通用件/標準件的參數(shù)庫，通常能夠取得事半功倍的效果。要想使其優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，以下內(nèi)容需要有關(guān)人員引起重視：如果選擇利用該功能對一系列相似部件進行建立，無需對部件文件進行逐個建立，而是可以先對模板文件進行定義，再借助表格對其他部件參數(shù)進行定義。

圖1 夾具參數(shù)庫

2.3 夾具設(shè)計步驟

第一步，在對焊接夾具進行設(shè)計前，有關(guān)人員應(yīng)深入了解產(chǎn)品特征、生產(chǎn)綱領(lǐng)和工藝要求，另外，生產(chǎn)線所采用布置方案，同樣是需要引起重視的部分。等到工藝調(diào)研環(huán)節(jié)告一段落，便可參考先進結(jié)構(gòu)對夾具方案加以確定，方案應(yīng)標明自動化、機械化水平需要達到的高度，以及能否共用主要夾具。

第二步，結(jié)合焊接設(shè)備規(guī)格與型號，參考焊接結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)出特點，對其定位和可用夾緊方式加以確定。隨后，根據(jù)沖壓件固有特點，以裝配工藝需求為導(dǎo)向，分別確定關(guān)鍵定位點還有一般定位點。

第三步，先確定主體機構(gòu)，再確定可用輔助裝置。例如，液動元件/氣動元件；水電氣回路；在焊點外部覆蓋、為焊點提供保護的銅板。

第四步，由于焊接夾具普遍具有極為龐大的尺寸和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，因此，對其進行設(shè)計所使用方法以模塊設(shè)計、坐標設(shè)計為主，這樣做可使設(shè)計效率得到顯著提高[3]。

第五步，當(dāng)工作進行到設(shè)計具體結(jié)構(gòu)的步驟時，有關(guān)人員應(yīng)盡量增加標準化元件數(shù)量。若項目不具備大量使用標準化元件的條件，則應(yīng)將工作重心轉(zhuǎn)向?qū)υ盗谢约巴ㄓ没竭M行提高上。

2.4 實際案例分析

在對金屬組件所用焊裝夾具進行設(shè)計時，有關(guān)人員所遵循原則如下：其一，對設(shè)計要求加以明確。其二，確保設(shè)計方案符合實際需求。其三，通過干涉檢查設(shè)計夾具的方式，為其質(zhì)量提供保證。而本項目的設(shè)計要求，主要可被歸納為三點，分別是：①只需添加調(diào)整墊片，就可使空間坐標軸方向發(fā)生更改；②結(jié)合不同部位所輸入熱量，對材料以及熱處理方法加以選擇；③著重考慮夾具操作是否方便，以及焊槍干涉情況。

上述焊裝夾具的設(shè)計步驟如下：首先，將底板添加到數(shù)模中，確保底板高度為整數(shù)，這樣做的目的是保證不同組件對應(yīng)支座地面處于相同平面。其次，以產(chǎn)品定位為開端，對零件設(shè)計進行逐個添加，其順序為①定位銷②連接塊③連接板④支座，最應(yīng)當(dāng)引起重視的部分為定位銷（如圖2）。待底板添加環(huán)節(jié)告一段落，有關(guān)人員便可獲得一個完整的單元組件。再次，以工件數(shù)模對應(yīng)定位基準為依據(jù)，對所需部件進行設(shè)計。最后，添加腳輪以及其他所需附件。至此，夾具設(shè)計工作結(jié)束。

圖2 定位銷的位置尺寸精度

3 結(jié)語

文章圍繞金屬組件焊接夾具設(shè)計適用標準化技術(shù)展開了討論，在對標準數(shù)據(jù)庫進行建立的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際案例對該方案的使用效果進行了分析。事實證明，基于標準參數(shù)庫開展設(shè)計工作，可使設(shè)計周期得到有效縮短，隨著市場需求得到滿足，工業(yè)制品生產(chǎn)企業(yè)所獲經(jīng)濟效益也更加符合預(yù)期，這對相關(guān)企業(yè)及行業(yè)發(fā)展而言，均具有重要意義。