柔性试制夹具在新车开发中的应用

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随着中国汽车行业不断发展，国人对汽车的要求越来越高，各汽车公司为满足不同消费人群，不断研发新产品和进行技术创新，以及改进各款车型外观等，车型换代速度越来越快。与此同时，行业间竞争也越来越激烈，各汽车公司打质量战、价格战，在保证产品质量的前提下，降低开发过程中每个环节的成本，缩短开发周期。在新产品开发的过程中，白车身试制起着承前启后的重要作用，是验证设计正确与否的关键环节。通过试制解决产品质量、性能、工艺等缺陷，以便减少后期量产阶段中产品的设变量，从而降低不必要的设备、工装等成本投入。目前，在试制阶段，降低产品试制成本，短周期内制造出合格的白车身样车，成为各汽车公司最核心的竞争力。焊装试制夹具是试制阶段特别重要的一个部分，其投资成本、开发周期、精度、质量及效率等，直接影响试制白车身的投资成本、开发周期、精度、质量及效率。

焊装试制夹具开发，行业普遍做法是每款新车型开发一款简易试制夹具，开发周期相对较长，成本投入相对较高。一般试制结束后，简易试制夹具将不再使用，行业普遍采用仓库存储，占据空间大、利用率低，或直接报废，成本浪费高。如何在保证试制夹具质量、精度的基础上，降低焊装试制夹具开发成本，缩短开发周期，提升白车身试制效率，业内一直都在探索。目前，结合已开发新车型试制的尝试，试制夹具柔性设计将很好的解决此问题。

试制夹具概述

国内汽车行业中，试制焊接夹具开发有三种形式：气动试制夹具、简易试制夹具和柔性试制夹具。气动夹具与正式批产夹具一致，采用气缸加紧，按照正式量产的夹具标准要求进行设计、制造等。简易夹具是正式批产夹具的简化版，采用手动夹紧器（部分关键部位采用气动形式），精度和定位方式等夹具标准要求与正式夹具要求基本一致。柔性夹具与简易夹具类似，其BASE板、支撑角座、补高座等采用柔性标准模块化的结构，满足各车型试制夹具使用。

因气动试制夹具整体投资成本高、开发周期长，各汽车公司已不采用气动夹具进行新产品试制，采用相对投资成本低、开发周期短的简易试制夹具。但在试制开发过程中，发现柔性夹具比简易夹具投资成本更低，开发周期更短，柔性夹具整体比简易夹具投资成本约降低30%，周期约减少1/5。

试制夹具特点

新车型整体设计和车身零部件设计基本完成之后，开始进行样车试制，在试制阶段需要对新车型进行外观、动力、结构及密封等各种评价，性能试验和改进。一款设计优良的汽车产品，离不开高技术含量的试制过程。试制样车一般分为概念车、验证车和试验车，概念车更多关注外观和造型，验证车和试验车更多强调精度、质量合格等。

样车试制特点如下：

1）产量小（50～100台）。

2）生产灵活，对生产节拍要求不严。

3）不要求零件所有焊点都在夹具上实现焊接。

4）产品数据发生变更时，快速实现夹具更改，保证设计变更要求。

5）对关键车身精度要求较严，需要保证和满足总装关键零部件装配要求。

6）为保证车身碰撞法规，需保证焊接质量要求。

白车身样车在焊装试制过程中，试制焊接夹具需要把车身冲压件定形、定位并夹紧，组合成车身组件、分总成及总成，同时利用焊接的方法使其形成整体。在样车试制阶段，为减少投资，加快试制速度，保证试制样车的精度、质量等要求，试制夹具相对生产线量产夹具有所不同。

结合样车试制特点，试制夹具的特点如下：

1）相对于量产夹具而言，夹具数量少，投资成本低，开发周期短。

2）夹具机构相对复杂，每套夹具焊接的冲压零件数量多。

3）夹具机构简单，便于产品结构变化时的调节与更改。

4）夹具设计、制造等满足汽车行业夹具标准要求。

5）夹具焊接操作空间尽量满足车身关键定位焊点的焊接。

试制夹具介绍

1.气动试制夹具

气动夹具与正式量产夹具一致，采用气缸夹紧，一般按照汽车行业正式量产的气动夹具标准要求进行设计、制造，如图1所示。试制夹具开发数量少，每套夹具焊接冲压零件较多，定位夹紧单元较多。由于气动夹具有气缸、气管、气控等，所以导致焊接操作空间小，影响试制关键及定位焊点焊接，试制车身精度、质量不易控制，且产品结构设计更改时，气动夹具不便于调节和更改。试制结束后，部分汽车公司将气动夹具分解改造，使其满足正式投产夹具的使用要求。由于试制周期与正式夹具调试周期重叠，若将试制气动夹具分解改造，将影响整个车型开发周期，且试制气动夹具一次性投资成本较高，开发周期长。

图1 某车型气动试制夹具

2.简易试制夹具

简易试制夹具是气动试制夹具的简化版，采用手动夹紧器（部分关键部位采用气动夹紧），夹具标准与气动夹具基本一致，如图2所示。由于简易试制夹具没有气缸、气管、气控等，所以焊接操作空间大，试制关键及定位焊点焊接方便，且夹具机构简单，便于产品结构变化时的调节与更改。相对气动试制夹具一次性投资成本低，开发周期短。试制结束后，简易夹具将不再使用，因其可重复利用性几乎没有，直接报废，成本浪费高。部分公司在试制车间进行存储，占据空间大，造成车间空间利用率低。

图2 某车型简易试制夹具

3.柔性试制夹具

1）第一种与简易试制夹具类似，同样采用手动夹紧器（部分关键部位采用气动夹紧），夹具标准与气动夹具基本一致，夹具BASE板布置矩阵孔，支撑角座、补高座等采用标准通用化形式，如图3所示。试制结束后，BASE板、支撑角座、补高座等标准通用部分，继续供下一款新车型使用，仅需要更换新车型零件的定位夹紧机构、型板等差异部分，即可完成新车型试制夹具的开发。这样在一定程度上减少了重复投资，比简易试制夹具投资成本更低、开发周期更短，是目前常用的焊装试制夹具方式。

图3 某车型柔性下部车身试制夹具（部分单元）

2）第二种为万能工作平台，是目前柔性化较高的试制夹具。其主体主要有万能工作平台、通用安装座、定位夹紧机构及型板等，其中万能工作平台、通用安装座带有矩阵孔，如图4所示。试制结束后，万能工作平台、通用安装座继续供下一款新车型使用，同样仅需要更换定位夹紧机构、型板等差异部分，即可完成新车型试制夹具的开发，但万能工作平台比第一种柔性夹具一次性投资成本高，开发周期长。

图4 万能工作平台

柔性试制夹具开发

1.柔性夹具结构

柔性夹具结构与简易夹具机构大致相同，主要结构包括BASE板、角座、补高座、型板及定位夹紧机构（连接块、压臂、销座、定位销及调整垫片等）等部分组成，复杂定位单元需要增加限位块、导轨等功能件。其中BASE为柔性BASE，角座、补高座为标准通用结构。

2.柔性夹具开发要求

1）根据夹具BASE板面积S，选用合适厚度的钢板，作为BASE面，BASE面加工完厚度要求见表1。

表1 BASE面加工完厚度要求

2）夹具BASE上布置矩阵孔（一般孔数×间距约为200×200mm），矩形阵列上同一行或同一列上相邻两个M12装配螺孔的间距为200mm，相邻两个φ12H7定位柱销销孔的间距为（200±0.02）mm，相邻装配螺孔与定位柱销销孔的距离为（100±0.05）mm。

3）根据需要在BASE上设计厚度为20mm过渡钢板，过渡板通过定位柱销定位到BASE上，并用装配螺栓紧固，标准支撑角座、补高座定位装配到过渡板上。型板、定位机构、夹紧机构等差异部分，按车型零件数据结构进行设计。

4）其他夹具机构要求，按照汽车行业夹具标准规范要求执行。

结语

随着汽车行业的发展，以及不断的经验积累总结，试制夹具已能保证试制白车身的精度、产品质量等，满足总装试制零部件装配要求及验证车、试验车要求。柔性试制夹具的设计应用，在简易试制夹具的基础上，做到试制夹具柔性部分的重复使用，达到减少项目投资成本、缩短项目周期的目的。