金属组件焊接夹具设计方法及步骤

吴 涛

（江西江铃集团奥威汽车零部件有限公司，江西 南昌 330000）

在工业产品制造业不断变革的大环境下，要想使市场需求得到满足，关键是要对焊接夹具设计理念与方针进行更新，真正做到以客户视角为切入点，通过提高焊接精度的方式，为汽车质量提供保障。要想使焊接精度达到预期，实证有效的方法便是引入标准化设计模式，这也是本文所研究的主要内容。

1 焊接夹具设计方法

1.1 材料及结构

对夹具设计工作而言，选材是极为重要的环节，有关人员应以耐用性为依据，对适合材料进行筛选。调查结果表明，国内大部分焊接夹具所用材料，一般夹具本体采用45钢调质HRC30-35；定位板多用T10，淬火52-62HRC,这样耐磨；焊接夹具定位元件可选用45、40Cr等优质碳素结构钢或合金钢制造，或选用T8、T10等碳素工具钢制造，并经淬火处理，以提高耐磨性。在开展相关工作时，以下内容应当引起重视：其一，薄板件往往存在易变性和刚性差的问题；其二，作为冲压成形的焊接件，普遍存在空间曲面，这也决定其具有相对复杂的形状以及结构；其三，如果冲压件型腔较深，导致其出现形变的原因则是回弹和刚性差，而非传统观念所认为的只有刚性差。

1.2 焊接方法与流程

1.2.1 焊接方法

金属组件所用焊接方法主要为电阻焊、气体保护焊，前者对夹具所提出要求极为严格，其中，以机器人点焊、多点焊以及反作用焊尤甚。后者所采用保护气体为CO2，该技术具有较电阻焊更广的应用范围，对夹具所提出要求也相对宽松。

1.2.2 焊接流程

金属组件焊接过程可被拆分为组件—部件—总成。而利用组件对车身进行总成焊接的各环节的关系，通常为承前启后并且相互独立，由此可见，对总成焊接精度具有决定作用的部分为组件焊接精度，在某种程度上，组件焊接精度还会给焊接后工业产品的质量带来影响[1]。要想使产品质量达到预期，关键是要确保组件/部件/总成夹具所对应定位基准，既具有继承性，同时又具有高度统一性。另外，一旦有质量问题出现，有关人员应做到从多个角度分析问题成因，通过制定纠正方案的方式，确保类似问题不会再次出现。

2 焊接夹具设计步骤

2.1 CBR夹具设计

夹具是让工件按照特定技术要求定位并紧固的一种工艺装置，目前，主要被用来辅助加工、装配以及检测工件等工作的开展，属于具有极高专用化程度的复杂工艺装备。

虽然利用计算机为夹具设计工作提供帮助的研究从未停止，但所取得成果十分有限，迄今为止，仍然没有出现能够大范围推广并得到运用的商品软件。近几年，集成制造以及柔性制造行业快速发展，对夹具设计使用软件进行研发成为大势所趋，在对多方因素加以考虑后，有关人员决定借助CBR技术，设计能够充分利用设计经验的软件，利用该软件所开展设计工作，仅需对原有设计方案进行修改或组合，便可获得符合项目需求的全新方案。

基于CBR开展夹具设计工作，强调利用计算机对人脑思维活动进行模拟，不仅使设计经验得到了科学利用，还能够确保获得方案与实际情况相符。如果以KBS为参照，CBR的优势主要体现在以下方面：第一，无需对模型/规则进行获取，只收集现有事例即可，因此，即便缺少模型，有关人员仍可对CBR系统进行建立。第二，在落实相关工作时，只需对事例特征加以确定即可。此外，由于该系统始终处于扩充状态，只要具有部分事例，便可完成夹具的设计。第三，无需从头推算结果，而是以完整答案为依据，通过推理的方式得出最终结果，求解速度极快。第四，便于维护，对新事例进行增加，既满足其学习的要求，还可使项目特点与需求得到准确反映。

2.2 标准化建库

对夹具进行三维设计，前提是建立标准参数库，按照行业标准，对参数库存储元件进行分类。在开展设计工作时，有关人员可以调用所需常用元件，通过更改参数的方式，获得尺寸符合需求的元件，与此同时，参数库也能够得到扩充。在完成标准化建库工作后，有关人员只需从中选用元件并装配夹具，便可达到设计夹具的目的，事实证明，如果以原有方案为参考，该方案无论是设计耗时还是设计有效性，均更加接近理想状态。

焊装夹具适用参数库的结构见图1[2]。目前，被用来建立参数库的工具，主要是具有部件族功能的UG，该功能强调以模板部件为依托，在建模电子表单的辅助下，快速获得拥有相同形状和不同参数的部件。事实证明，利用该功能建立通用件/标准件的参数库，通常能够取得事半功倍的效果。要想使其优势得到充分发挥，以下内容需要有关人员引起重视：如果选择利用该功能对一系列相似部件进行建立，无需对部件文件进行逐个建立，而是可以先对模板文件进行定义，再借助表格对其他部件参数进行定义。

图1 夹具参数库

2.3 夹具设计步骤

第一步，在对焊接夹具进行设计前，有关人员应深入了解产品特征、生产纲领和工艺要求，另外，生产线所采用布置方案，同样是需要引起重视的部分。等到工艺调研环节告一段落，便可参考先进结构对夹具方案加以确定，方案应标明自动化、机械化水平需要达到的高度，以及能否共用主要夹具。

第二步，结合焊接设备规格与型号，参考焊接结构所展现出特点，对其定位和可用夹紧方式加以确定。随后，根据冲压件固有特点，以装配工艺需求为导向，分别确定关键定位点还有一般定位点。

第三步，先确定主体机构，再确定可用辅助装置。例如，液动元件/气动元件；水电气回路；在焊点外部覆盖、为焊点提供保护的铜板。

第四步，由于焊接夹具普遍具有极为庞大的尺寸和复杂的空间结构，因此，对其进行设计所使用方法以模块设计、坐标设计为主，这样做可使设计效率得到显著提高[3]。

第五步，当工作进行到设计具体结构的步骤时，有关人员应尽量增加标准化元件数量。若项目不具备大量使用标准化元件的条件，则应将工作重心转向对元件系列化以及通用化水平进行提高上。

2.4 实际案例分析

在对金属组件所用焊装夹具进行设计时，有关人员所遵循原则如下：其一，对设计要求加以明确。其二，确保设计方案符合实际需求。其三，通过干涉检查设计夹具的方式，为其质量提供保证。而本项目的设计要求，主要可被归纳为三点，分别是：①只需添加调整垫片，就可使空间坐标轴方向发生更改；②结合不同部位所输入热量，对材料以及热处理方法加以选择；③着重考虑夹具操作是否方便，以及焊枪干涉情况。

上述焊装夹具的设计步骤如下：首先，将底板添加到数模中，确保底板高度为整数，这样做的目的是保证不同组件对应支座地面处于相同平面。其次，以产品定位为开端，对零件设计进行逐个添加，其顺序为①定位销②连接块③连接板④支座，最应当引起重视的部分为定位销（如图2）。待底板添加环节告一段落，有关人员便可获得一个完整的单元组件。再次，以工件数模对应定位基准为依据，对所需部件进行设计。最后，添加脚轮以及其他所需附件。至此，夹具设计工作结束。

图2 定位销的位置尺寸精度

3 结语

文章围绕金属组件焊接夹具设计适用标准化技术展开了讨论，在对标准数据库进行建立的基础上，结合实际案例对该方案的使用效果进行了分析。事实证明，基于标准参数库开展设计工作，可使设计周期得到有效缩短，随着市场需求得到满足，工业制品生产企业所获经济效益也更加符合预期，这对相关企业及行业发展而言，均具有重要意义。