汽車(chē)車(chē)門(mén)焊接夾具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與研究

孔令云，楊劍輝

（1.江蘇省江都中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇 揚(yáng)州 225200；2.江蘇亞威智能系統(tǒng)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200）

焊接是汽車(chē)生產(chǎn)制造過(guò)程中非常重要的一道工藝。如何快速高效組裝液壓焊接夾具的各零件，減少焊接過(guò)程中如點(diǎn)焊鉗因?yàn)樽陨碓驅(qū)е碌暮附铀澜?，增加焊接夾具動(dòng)力源的種類(lèi)，改進(jìn)夾具結(jié)構(gòu)、提高夾緊可靠度等是目前筆者了解到的需要解決的問(wèn)題。本文以汽車(chē)的車(chē)門(mén)焊接為例，進(jìn)行焊接夾具的設(shè)計(jì)，主要的研究?jī)?nèi)容包括：①增加夾具水平周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)和自鎖功能，方便焊接，提高生產(chǎn)效率；②改變目前夾緊方式為純?nèi)斯C(jī)械夾緊或氣壓控制的半自動(dòng)化夾緊現(xiàn)狀，使焊接夾具動(dòng)力源多元化并設(shè)計(jì)與之相匹配的夾緊機(jī)構(gòu)；③改變夾具沒(méi)有合理的模塊化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，使在建造生產(chǎn)線及后續(xù)根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求改變時(shí)，方便焊接夾具的裝拆、調(diào)試、檢修等問(wèn)題。

1 焊接夾具的設(shè)計(jì)要求

夾具在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中需要承受一定的載荷，所以焊接夾具必須具有高強(qiáng)度、高剛度。焊接夾具需要有一定的靈活度，保證工人有一定的操作空間、焊接空間和視野。焊接夾具必須要方便裝拆，因?yàn)橐紤]到被焊接件在焊接完成后，是否能順利從夾具上進(jìn)行取件。焊接夾具必須要有一定的工藝性，方便焊接生產(chǎn)線的裝配調(diào)、檢修、維護(hù)等。

2 車(chē)門(mén)焊接工藝和點(diǎn)焊鉗

本文研究的是汽車(chē)車(chē)門(mén)與焊接件之間的定位、夾緊、焊接、張開(kāi)的過(guò)程，具體包括車(chē)門(mén)與門(mén)窗加強(qiáng)板間、車(chē)門(mén)與防撞桿之間的焊接。車(chē)門(mén)焊接夾具在生產(chǎn)線上只占1 個(gè)工位，焊接夾具調(diào)試完成后處于張開(kāi)狀態(tài)。首先車(chē)門(mén)要求被定位在夾具上，完成主定位；第二是焊接件經(jīng)過(guò)定位銷(xiāo)定位在車(chē)門(mén)相應(yīng)位置上；第三是焊接夾具進(jìn)行車(chē)門(mén)和焊接件的夾緊固定，完成次定位；第四是點(diǎn)焊鉗定點(diǎn)焊接；最后夾具張開(kāi)，等待工人檢測(cè)校核之后進(jìn)入下一工序。

目前在汽車(chē)的制造業(yè)中白車(chē)身焊接主要有點(diǎn)焊、弧焊、激光焊等多種焊接工藝，工業(yè)機(jī)器人取代人工焊接得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。焊鉗的選型也是車(chē)門(mén)焊接前最重要的準(zhǔn)備工作。根據(jù)板料厚度、板材用料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、作業(yè)習(xí)慣、合理的焊接工藝參數(shù)等選擇點(diǎn)焊鉗型號(hào)為QC25-430350D0F4。

3 定位基準(zhǔn)和定位元件

針對(duì)低剛性的薄壁類(lèi)零件，車(chē)門(mén)定位點(diǎn)選擇布置在面積最大的表面，即車(chē)門(mén)內(nèi)板采用“N-2-1”過(guò)定位方式。定位銷(xiāo)是與車(chē)門(mén)上預(yù)先留出的定位孔相配合，完成車(chē)門(mén)的主要定位。然后是通過(guò)若干個(gè)定位塊、定位銷(xiāo)完成車(chē)門(mén)與焊接件的夾緊和位置配合，完成車(chē)門(mén)的次要定位。

某車(chē)型車(chē)門(mén)內(nèi)板的材料選擇為St14，厚度t為1 mm，本文主要研究的是車(chē)門(mén)與焊接件之間的3 個(gè)焊接部位。焊接件有門(mén)窗加強(qiáng)板、防撞桿；焊接部位有車(chē)門(mén)內(nèi)板與車(chē)門(mén)加強(qiáng)版、車(chē)門(mén)內(nèi)板凸臺(tái)與防撞桿左支座、車(chē)門(mén)內(nèi)板凸臺(tái)與防撞桿右支座。某型號(hào)汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板及焊接件模型如圖1 所示。

圖1 某型號(hào)汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板及焊接件模型

無(wú)論汽車(chē)門(mén)的結(jié)構(gòu)形狀是什么樣的，都是通過(guò)對(duì)車(chē)門(mén)、車(chē)門(mén)內(nèi)板和焊接件的局部的幾個(gè)區(qū)塊面進(jìn)行定位、夾緊，從而完成整個(gè)車(chē)門(mén)的焊接。對(duì)于車(chē)門(mén)來(lái)說(shuō)，按它的定位點(diǎn)形狀，可分為孔定位和面定位，在汽車(chē)焊接夾具的結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的零件是定位銷(xiāo)和壓塊。

定位銷(xiāo)可分為圓柱銷(xiāo)和菱形銷(xiāo)，在通常情況下，每個(gè)車(chē)門(mén)或焊接件都至少有一個(gè)定位孔，而用定位銷(xiāo)去定位是決定車(chē)門(mén)、車(chē)門(mén)內(nèi)板和焊接件位置精度、定位精度的主要定位方法。壓塊分為上壓塊和下壓塊，是通過(guò)與車(chē)門(mén)或焊接件的表面某塊區(qū)域相接觸配合，完成對(duì)車(chē)門(mén)及焊接件的定位。

4 主要零件設(shè)計(jì)說(shuō)明

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品根據(jù)使用要求，分成若干個(gè)部分，即若干個(gè)模塊，每個(gè)模塊都是具有獨(dú)立功能的單元[2]。汽車(chē)車(chē)門(mén)焊接夾具結(jié)構(gòu)包括夾緊機(jī)構(gòu)模塊和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模塊。夾緊機(jī)構(gòu)模塊由若干夾緊機(jī)構(gòu)部分和定位功能部分組成。其中，定位銷(xiāo)和壓塊都屬于夾緊機(jī)構(gòu)的組成零件。

夾緊機(jī)構(gòu)：夾緊機(jī)構(gòu)模塊由若干夾緊機(jī)構(gòu)部分和定位功能部分組成。夾緊機(jī)構(gòu)部分包括L 形板、連接板、上壓塊、下壓塊、調(diào)整墊片、鉸鏈銷(xiāo)、定位銷(xiāo)、限位塊、連接塊、連接板、油缸等；定位功能部分包括支撐板、支撐柱、基板等部件。

L 形板：L 形板是通過(guò)螺栓固定在基板上，用以聯(lián)接連接板、上壓塊、下壓塊等零件。其豎板高度設(shè)計(jì)為300 mm，具有4 個(gè)螺孔和2 個(gè)銷(xiāo)孔。銷(xiāo)孔距離L 形板底250 mm，底板尺寸為14 mm×80 mm，螺、銷(xiāo)孔個(gè)數(shù)與豎板相同，銷(xiāo)孔距離L 形板前面100 mm。底板與豎板通過(guò)肋板聯(lián)接。

連接板：連接板與液壓缸、連接塊通過(guò)鉸鏈銷(xiāo)聯(lián)接起來(lái)；與L 形板通過(guò)螺栓固定連接，定位銷(xiāo)定位，連接板不參與任何工件的定位和夾緊。在不影響液壓缸和連接塊工作的情況下，連接板板型可調(diào)整，連接板所用材料為Q235。

上壓塊：上壓塊呈“L”形，通過(guò)螺栓與壓轉(zhuǎn)臂聯(lián)結(jié)，壓塊與壓轉(zhuǎn)臂間置有調(diào)整墊片。夾緊機(jī)構(gòu)中的上壓頭要求能施加300 N 以上的夾緊力。而上壓頭壓力的動(dòng)力源來(lái)自于液壓缸，通過(guò)簡(jiǎn)單的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

壓頭夾緊面與焊接件或車(chē)門(mén)表面發(fā)生直接接觸，所以壓頭的形狀是根據(jù)車(chē)門(mén)或焊接件夾緊點(diǎn)處幾何特征三維建模出來(lái)的，形狀的配合度較高。若車(chē)門(mén)或焊接件結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)夾緊點(diǎn)處的單一夾緊機(jī)構(gòu)有夾緊不可靠的問(wèn)題，可以采用2 個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)相互疊加拼裝成新的夾緊機(jī)構(gòu)，要求設(shè)計(jì)出來(lái)的夾緊機(jī)構(gòu)可以模塊化組裝拼接，保證車(chē)門(mén)或焊接件夾緊的可靠度。

若采用2 個(gè)夾緊機(jī)構(gòu)相互拼裝的形式，則會(huì)使用2個(gè)液壓缸，第一個(gè)液壓缸和第二個(gè)液壓缸的油缸直徑選擇為Ф63 mm 和Ф50 mm。但本論文只討論夾緊機(jī)構(gòu)使用一個(gè)液壓缸的情況。通過(guò)查閱機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)可知油缸缸徑選為Ф75 mm，而通常情況下液壓系統(tǒng)的工作壓力P為0.4 MPa，則油缸的效率為80%，查液壓缸選型手冊(cè)，油缸理論輸出力表如表1 所示。

表1 油缸理論輸出力表

下壓塊：上、下兩壓塊的材料選擇45 號(hào)鋼，因?yàn)閮?yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼存在一定的塑韌性，防止夾傷車(chē)門(mén)或者焊件。壓塊需要經(jīng)歷鑄造、表面高頻淬火等工序。完成熱處理工序后的硬度可達(dá)HRC32～35。但目前壓塊與焊接件等覆蓋件是面與面的直接接觸，為避免劃傷車(chē)門(mén)或焊件表面，下壓塊45 號(hào)鋼材料改為尼龍，厚度t為22 mm。

調(diào)整墊片及限位塊：調(diào)整墊片一般與限位塊或上、下壓塊配合使用。若與上、下壓塊一同使用，則為防止個(gè)別壓塊旋轉(zhuǎn)，需在調(diào)整墊片上加裝限位片。

定位銷(xiāo)：為保證焊接件或車(chē)門(mén)在夾具上的定位可靠度以及方便點(diǎn)焊鉗的焊接，車(chē)門(mén)焊接夾具上需要大量采用銷(xiāo)定位。通常情況下，一個(gè)焊接件與車(chē)門(mén)間采用2 個(gè)及以上的定位銷(xiāo)定位，保證焊接件的相對(duì)位置精度。但由于車(chē)門(mén)內(nèi)板的強(qiáng)度、剛度較低，且板料具有一定的塑韌性，所以允許焊件板料個(gè)別的部位出現(xiàn)過(guò)定位的現(xiàn)象，而重復(fù)的定位對(duì)焊件及車(chē)門(mén)不會(huì)有太大的影響。對(duì)于車(chē)門(mén)的板面面積較大的情況，為保證定位的可靠性，定位孔的孔間距不能太小，所以要盡可能大點(diǎn)，而當(dāng)兩孔間距較大時(shí)，其中一銷(xiāo)孔應(yīng)采用菱形銷(xiāo)定位，防止車(chē)門(mén)板面變形。

基板：基板是由切割好的鋼板焊接而成，鋼板板材選擇45 號(hào)鋼，鋼板厚度t為20 mm，但是它是加工完成后基板板料的厚度。所以在選擇毛坯時(shí)，考慮到加工余量的問(wèn)題，毛坯基板板料厚度t取25 mm。而基板長(zhǎng)、寬尺寸選擇由車(chē)門(mén)的大小決定，因此長(zhǎng)寬分別取1 141 mm、954 mm。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模塊即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。為了便于電焊鉗的焊接，提高生產(chǎn)率，故在焊接夾具中設(shè)置旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)并增加了自鎖裝置。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由上墊板、下墊板、分度盤(pán)、自鎖彈簧、自鎖鋼球、轉(zhuǎn)軸電磁拉桿、電磁裝置等組成，它可以使整套夾具在水平面上做360°周轉(zhuǎn)。這樣可方便點(diǎn)焊鉗少死角、無(wú)死角焊接，提高了點(diǎn)焊鉗使用的便捷性，再也不會(huì)因?yàn)辄c(diǎn)焊鉗連接電纜長(zhǎng)度不夠無(wú)法焊接。帶有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的夾具使焊點(diǎn)移動(dòng)到焊鉗的工作區(qū)域進(jìn)行焊接，既能方便焊接也保證了焊接質(zhì)量。另外，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還設(shè)置了自鎖裝置，若電磁裝置通電后會(huì)吸引電磁拉桿向下移動(dòng)，鋼珠落下，基板就可正常旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁裝置斷電后，滾珠復(fù)位，當(dāng)基板及基板下的分度盤(pán)轉(zhuǎn)至一定角度時(shí)，鋼珠就會(huì)嵌入分度盤(pán)卡槽中，完成自鎖。重復(fù)前面電磁裝置通電，鋼珠落下，則無(wú)自鎖作用。保證夾具可以水平多角度被點(diǎn)焊鉗及裝拆車(chē)門(mén)使用時(shí)能處于穩(wěn)定狀況。夾具的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

支撐板：支撐板是焊接夾具中較為簡(jiǎn)單的零件，它主要承擔(dān)車(chē)門(mén)和焊接件的大部分重量，整個(gè)支撐板呈矩形板狀，在與車(chē)門(mén)直接接觸的表面上設(shè)置有3 個(gè)定位銷(xiāo)，并為車(chē)門(mén)起到主要定位的作用，防止薄壁類(lèi)車(chē)門(mén)發(fā)生變形，影響后序加工。除了定位銷(xiāo)孔，板面上還開(kāi)有3 個(gè)螺栓孔，用于與支撐柱和基板之間的固定。

支撐柱：支撐柱屬于夾緊機(jī)構(gòu)部分，包括柱體和底座，柱體上各有一個(gè)螺孔，與支撐板連接；底座上的螺孔用于與基板固定連接。支撐柱的主要作用是保持支撐板在一定高度，承受支撐板、車(chē)門(mén)、焊接件的重量。這樣的設(shè)計(jì)可保證車(chē)門(mén)和焊接架空時(shí)的穩(wěn)定性，防止車(chē)門(mén)及焊接件因自身負(fù)載導(dǎo)致變形。

5 相關(guān)計(jì)算

5.1 壓轉(zhuǎn)臂張開(kāi)角計(jì)算

壓轉(zhuǎn)臂是夾緊機(jī)構(gòu)的基本組成，它與液壓桿、上壓塊、連接塊、限位塊、連接板通過(guò)鉸鏈銷(xiāo)連接，形成鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，夾緊機(jī)構(gòu)張開(kāi)狀態(tài)及夾緊狀態(tài)圖如圖3 所示。

圖3 夾緊機(jī)構(gòu)張開(kāi)狀態(tài)及夾緊狀態(tài)

當(dāng)液壓缸進(jìn)油，推動(dòng)活塞液壓桿向上直線移動(dòng)，此時(shí)液壓缸會(huì)繞鉸鏈銷(xiāo)點(diǎn)B擺動(dòng)。液壓桿推動(dòng)壓轉(zhuǎn)臂通過(guò)連接塊繞鉸鏈銷(xiāo)點(diǎn)A順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，壓塊與壓轉(zhuǎn)臂落下，對(duì)焊件夾緊，同理當(dāng)液壓缸出油時(shí)，壓轉(zhuǎn)臂繞鉸鏈銷(xiāo)點(diǎn)A逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，壓塊與壓轉(zhuǎn)臂一同向上移動(dòng)并松開(kāi)，它的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖為擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)。

圖中AC1B是活塞液壓桿伸出時(shí)且上壓塊處于夾緊狀態(tài)，AC2B是液壓桿收縮時(shí)且上壓塊處于松開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)活塞液壓桿收縮時(shí)，BC2沿液壓桿方向的距離值為106 mm。BC1取決于液壓缸的行程S。因此，設(shè)液壓缸的工作行程為S，因?yàn)橐簤焊讑A緊時(shí)需預(yù)留5 mm的行程來(lái)保證液壓缸的輸出力，液壓缸的工作行程S為70 mm，壓轉(zhuǎn)臂繞鉸鏈銷(xiāo)點(diǎn)A回轉(zhuǎn)，所以AC1=AC2，∠C1AC2為壓轉(zhuǎn)臂的工作角度。設(shè)∠C1AC2為θ，A、B之間的水平和垂直間距為X和Y，X=36 mm，Y=112 mm，相關(guān)公式如下：

式（4）中，θ是夾緊機(jī)構(gòu)中要確定的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它的數(shù)值影響了夾緊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)和夾具張開(kāi)的角度大小。θ值越大，夾緊機(jī)構(gòu)趨于張開(kāi)狀態(tài)，張開(kāi)角度也越大，則方便焊接件取件和上件留有足夠的空間；θ值的大小也受到鉸鏈銷(xiāo)點(diǎn)A尺寸位置和液壓缸行程影響。

5.2 油缸夾緊力計(jì)算

液壓夾緊是利用液壓油作為工作介質(zhì)，通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)，機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力夾緊焊接件的過(guò)程。在液壓缸選型后，要對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)上壓塊處夾緊力進(jìn)行計(jì)算。列力矩平衡方程，對(duì)B點(diǎn)取矩。

式（5）（6）中：T為夾緊力；F為液壓缸作用力，F(xiàn)=P·A；P為液壓缸的實(shí)際工作壓力；D為活塞直徑。

焊接上每個(gè)夾緊點(diǎn)的夾緊力T受到板材厚度t和貼合間歇δ的影響，通過(guò)查焊接夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：當(dāng)t≤1.2 mm，δ≤0.8 mm 時(shí)，T=300～750 N；當(dāng)1.5 mm≤t≤2.5 mm，δ≤1.5 mm 時(shí)，T=500～3 000 N。

以液壓缸活塞直徑D=75 mm 為例，液壓缸通常情況下工作壓力P取0.4 MPa，所以P=0.4 MPa。已知AB=114 mm，BC=76 mm。由公式（5）可得出：T=F1·（BC/AB）=831.3 N。為方便實(shí)現(xiàn)工件夾緊，盡量保證焊接件或車(chē)門(mén)厚度t在1.5～2.5 mm，貼合間歇δ≤1.5 mm。

6 展望

汽車(chē)車(chē)門(mén)焊接夾具涉及了機(jī)械、車(chē)輛、液壓等多學(xué)科領(lǐng)域，是將專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)和行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的一門(mén)工程設(shè)計(jì)。在現(xiàn)實(shí)生活中，一扇車(chē)門(mén)完整的焊接過(guò)程需要多個(gè)焊接工位，它們是焊接裝配生產(chǎn)線的基本組成，包括點(diǎn)焊、包邊等多道工序。而工序與工序之間一體相關(guān)性、柔性化的焊接夾具等都是可以進(jìn)行深入研究的。