夾具設(shè)計(jì)對前蓋內(nèi)板總成焊裝質(zhì)量影響的探究論文
焊裝作為制造汽車車身的四大基本工藝之一，對車身結(jié)構(gòu)和尺寸精度都起著至關(guān)重要的作用。車身焊裝質(zhì)量關(guān)系到整車裝配的匹配性、整車的安全性，因此，有效地控制和提高車身的焊裝質(zhì)量，是確保整車質(zhì)量及其市場競爭力的重要途徑。
1 車身件焊裝偏差的來源
白車身通常是指完成所有焊接工序，還沒有進(jìn)入涂裝工序的車身焊接總成，主要由地板總成，左、右側(cè)圍總成，頂蓋，“四門兩蓋”(行李箱蓋，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋，左、右門及前、后門等)焊接組成。白車身焊裝質(zhì)量因素概括起來包括三個(gè)大的方面——精度、強(qiáng)度和外觀。其中，由于車身尺寸精度直接影響到整車的裝配和功能，因此減少焊裝偏差是提高車身焊裝質(zhì)量的關(guān)鍵。導(dǎo)致車身焊裝偏差產(chǎn)生的原因有很多，主要涉及零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)、零件初始偏差、焊裝夾具、焊裝過程中產(chǎn)生的偏差以及焊裝后沖壓件的回彈變形等多個(gè)方面。
a.零件產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定了車身零件的幾何尺寸和形狀特征，同時(shí)也決定了車身零件的制造工藝，而車身零件的制造工藝決定了車身零件的初始偏差大小。在焊裝過程中，可以通過將夾具上定位銷和定位夾緊面的位置盡量調(diào)整至理論上的最佳位置來減少零件初始偏差對焊裝精度的影響。
b.焊裝過程中產(chǎn)生的尺寸偏差以及車身件焊接完成后的回彈變形與焊接工藝、車身件的幾何尺寸和形狀、焊接夾具有關(guān)。
汽車焊接夾具是焊裝線的重要組成部分，其作用是保證每臺(tái)夾具下所屬焊裝零件之間的相對位置和焊接件的尺寸精度，減少焊接件在焊裝過程中的變形，提高焊裝生產(chǎn)率。美國汽車工業(yè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，72%的車身制造誤差來源于焊裝夾具定位誤差。因此，減少焊裝夾具定位誤差可以在很大程度上提高車身焊裝精度。焊裝夾具的設(shè)計(jì)流程為;夾具設(shè)計(jì)→夾具加工→夾具裝配→車身件焊接→車身件焊裝精度檢驗(yàn)→夾具驗(yàn)收。在這個(gè)流程中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)都有可能產(chǎn)生誤差，并影響最終的焊裝質(zhì)量。其中夾具設(shè)計(jì)是夾具制造、安裝和調(diào)試的基礎(chǔ)，良好的設(shè)計(jì)是保證車身焊裝質(zhì)量的前提。本文應(yīng)用CATIA V5軟件進(jìn)行前蓋內(nèi)板總成焊裝夾具的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中從以下幾方面控制該總成件的焊裝質(zhì)量：夾具夾緊方案、焊槍選型、焊接位置、人機(jī)工程、夾具零件材料以及夾具裝配測量。夾具實(shí)際使用結(jié)果表明，針對上述因素，在夾具設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)措施可以減少夾具定位誤差、提高夾具精度、減少焊點(diǎn)缺陷，提高焊接效率。
2 前蓋內(nèi)板總成焊裝質(zhì)量評價(jià)
某車型前蓋內(nèi)板總成由以下零件組成：前蓋內(nèi)板，左、右鉸鏈安裝板和鎖鉤固定板。由圖2可見，組成前蓋內(nèi)板總成的各個(gè)車身件上孔洞和溝槽較多，零件曲面變化較為平緩，車身件形狀整體呈對稱分布，夾具設(shè)計(jì)時(shí)可充分利用各個(gè)車身件上的定位孔和重要型面進(jìn)行定位夾緊。前蓋內(nèi)板總成焊裝時(shí)常見的質(zhì)量問題有焊接變形、焊點(diǎn)缺陷、工人操作困難、與車身件接觸的夾具零件由于和車身件頻繁摩擦引起的磨損、夾具定位夾緊面和車身件不貼合等。
3 控制前蓋內(nèi)板總成焊裝質(zhì)量的夾具設(shè)計(jì)方案
常見的汽車焊裝夾具由定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)以及一些輔助結(jié)構(gòu)組成。定位機(jī)構(gòu)通常包括定位銷、支撐塊、調(diào)整墊片和安裝支座;夾緊機(jī)構(gòu)通常包括夾緊器、夾頭、支撐塊和安裝支座;工作臺(tái)是安裝定位機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)的平臺(tái)。針對前蓋內(nèi)板總成焊裝中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題，在夾具設(shè)計(jì)中可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改善。
3.1 夾具夾緊方案
尺寸大的車身件焊接時(shí)彈性變形較大，是易變形的車身覆蓋件;尺寸小的車身件焊接時(shí)彈性變形較小，可作為普通零件對待。前者在焊接時(shí)的定位依據(jù)是“N-2-1”定位原理，后者在焊接時(shí)的定位依據(jù)是“3-2-1”定位原理。如果工件上有定位孔，可首先選擇以定位孔為定位點(diǎn)，再根據(jù)焊點(diǎn)分布情況和工件大小設(shè)置定位夾緊面，最后根據(jù)車身件的形狀確定夾具單元的結(jié)構(gòu)形式。本文中的前蓋內(nèi)板總成件共有23個(gè)焊點(diǎn)，分兩個(gè)工位焊完，其中定位焊工位焊接12 個(gè)焊點(diǎn)，補(bǔ)焊工位焊接11 個(gè)焊點(diǎn)。由于定位焊工位具有固定零件間相對位置的作用，因此研究其夾具夾緊方案和焊點(diǎn)分布對控制總成件的焊裝質(zhì)量更為重要。
前蓋內(nèi)板總成定位焊夾具的夾緊方案。黑色小圓點(diǎn)為焊點(diǎn)，圓形為工件的主定位銷，菱形為輔助定位銷，矩形框?yàn)槎ㄎ粖A緊面，X、Y、Z 為被定位點(diǎn)限制的工件運(yùn)動(dòng)方向。左鉸鏈安裝板上有2個(gè)焊點(diǎn)，由于工件尺寸小，因此只設(shè)置了2 個(gè)定位銷和3 個(gè)定位夾緊面;右鉸鏈安裝板上有3個(gè)焊點(diǎn)，同樣原因設(shè)置了2個(gè)定位銷和3個(gè)定位夾緊面;鎖鉤固定板總成有7個(gè)焊點(diǎn)，工件尺寸較大，設(shè)置了2 個(gè)定位銷和7 個(gè)定位夾緊面;前蓋內(nèi)板是大型薄壁彈性件，同時(shí)也是其它零件焊裝的基礎(chǔ)，除了和上述零件共用的定位夾緊面外，還設(shè)置了2 個(gè)定位銷和5 個(gè)定位夾緊面。另外由圖3 可見，前蓋內(nèi)板總成的零件形狀和焊點(diǎn)分布總體上是對稱的，為減少焊接變形，設(shè)置夾緊點(diǎn)時(shí)也要考慮盡量使之對稱分布。值得注意的還有焊點(diǎn)附近定位夾緊面的設(shè)置，在焊點(diǎn)之間設(shè)置定位夾緊面可以減少工件焊接時(shí)產(chǎn)生焊接變形，但夾緊點(diǎn)過多或離焊點(diǎn)太近會(huì)影響焊槍的.進(jìn)出，因此夾緊點(diǎn)位置要根據(jù)焊點(diǎn)間的距離和車身件形狀綜合考慮。
3.2 焊槍選型
常見的焊槍類型有C型和X型，焊槍的選擇要根據(jù)車身件形狀和焊點(diǎn)分布情況而定。為節(jié)約成本、便于操作以及減少焊槍切換對節(jié)拍的影響，同一個(gè)工位應(yīng)盡量使用1 把焊槍焊完所有的焊點(diǎn)。當(dāng)焊點(diǎn)焊接方向平行于地面時(shí)，適合使用C 型焊槍;當(dāng)焊點(diǎn)焊接方向垂直于地面時(shí)，適合使用X型焊槍。由圖3可見，前蓋內(nèi)板總成件的焊點(diǎn)焊接方向均垂直于地面，因此適合使用X型焊槍。
3.3 焊接位置
焊接時(shí)，焊槍電極帽軸線和被焊接區(qū)域表面的角度十分關(guān)鍵，當(dāng)焊槍電極帽軸線垂直于零件焊接區(qū)域表面時(shí)，所得到的焊點(diǎn)質(zhì)量最好。車身件是復(fù)雜的曲面，每個(gè)部位的曲率都不一樣。手動(dòng)焊接工位的工人往往憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行焊接操作，對于工人焊接時(shí)憑肉眼難以將焊槍放到正確位置的焊點(diǎn)以及看不見的焊點(diǎn)，很難保證電極帽軸線垂直于焊接區(qū)域表面。這種情況下，可以在焊槍電極帽固定端根據(jù)焊接區(qū)域表面的法向和電極帽直徑大小設(shè)計(jì)焊槍導(dǎo)向裝置(對焊槍起導(dǎo)向作用的零件)。如焊接位置，由于此處車身件遮住了下面的夾具結(jié)構(gòu)，而且焊接空間小，工人焊接時(shí)難以快速、準(zhǔn)確地將焊槍放到正確位置，因此設(shè)計(jì)了圖5b所示的焊槍導(dǎo)向裝置。該裝置可以幫助工人在焊接時(shí)快速、準(zhǔn)確地找到焊接位置，調(diào)整焊接角度，以確保焊點(diǎn)質(zhì)量。另外，設(shè)計(jì)夾具時(shí)還要考慮給焊槍留出焊接通道和活動(dòng)空間，避免焊槍與車身件或夾具發(fā)生干涉。
3.4 人機(jī)工程
夾具工作臺(tái)是安裝夾具單元的平臺(tái)，其高度和夾具單元安裝面與地面的角度決定了工人的操作范圍。因此，夾具工作臺(tái)的高度要根據(jù)工廠工人的人機(jī)工程圖確定，角度要根據(jù)車身件的形狀和焊點(diǎn)的分布狀態(tài)確定，使工人在合適的位置操作焊槍，方便焊接操作，并有利于保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。某工廠站立操作工位工人的人機(jī)工程，深灰色區(qū)域?yàn)槠胀üと说淖罴巡僮鲄^(qū)域，淺灰色區(qū)域?yàn)槠胀üと丝梢赃_(dá)到、但操作困難的區(qū)域，灰色以外的區(qū)域是工人無法操作的區(qū)域，各部分的區(qū)域大小可根據(jù)工廠工人的身高范圍確定。圖6 中所標(biāo)識(shí)尺寸的單位為mm，帶“*”的尺寸為校核人機(jī)工程時(shí)需要特別注意的尺寸，以地面為基準(zhǔn)，當(dāng)操作高度<900 mm="">1 000 mm時(shí)，普通工人操作時(shí)手臂可以自由活動(dòng)，1 100 mm 是普通工人在最佳操作區(qū)域內(nèi)操作時(shí)肘關(guān)節(jié)的最低位置。另外，方框內(nèi)水平方向標(biāo)識(shí)的150 mm和高度方向的600 mm 是工人操作時(shí)下肢的活動(dòng)空間范圍，L1和L2是工人的雙臂操作寬度范圍，當(dāng)1個(gè)工位只有1個(gè)工人操作時(shí)，L1可取值1 100 mm、L2可取值1 600 mm。由于前蓋內(nèi)板總成件曲面變化不大，因此夾具工作臺(tái)的操作面可設(shè)計(jì)為平行于地面，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)焊接順序模擬工人的整個(gè)動(dòng)作過程，盡量使工人操作高度在1 000～1 300 mm之間，且工人在焊接和行走過程中不會(huì)碰到夾具或車身件。
3.5 前蓋內(nèi)板總成焊接
夾具易磨損零件的材料前蓋內(nèi)板總成焊接夾具在使用過程中，由于頻繁地取件和上件，與車身件接觸的部位容易磨損，導(dǎo)致夾具精度降低，影響車身的焊裝精度。與車身件接觸的零件是定位銷和型塊，為延長其使用壽命，設(shè)計(jì)時(shí)要選用耐磨性好的材料，并根據(jù)需要進(jìn)行熱處理。定位銷一般采用15CrMn，還要對與車身件接觸的部分進(jìn)行硬化處理;與內(nèi)板接觸的型塊一般采用45號鋼，并對定位夾緊面進(jìn)行硬化處理。
3.6 夾具裝配測量
焊裝夾具調(diào)試時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)夾具定位夾緊面和車身件不貼合的問題，這可能是由沖壓件尺寸超差引起的，也可能是夾具上與車身件接觸的零件沒有調(diào)整到理論位置而導(dǎo)致的。在沖壓件尺寸合格的情況下，為避免出現(xiàn)這個(gè)問題，必須注意以下幾點(diǎn)。
a.夾具設(shè)計(jì)時(shí)采用的坐標(biāo)系要和車身坐標(biāo)系保持一致。夾具調(diào)試時(shí)，需要測量定位銷和定位夾緊面的位置數(shù)據(jù)，測量前要先從夾具數(shù)模上提取其理論值，然后與實(shí)際測得的夾具定位銷和定位夾緊面位置的數(shù)值對比，并將夾具上零件的位置調(diào)整至理論位置。如果夾具設(shè)計(jì)時(shí)采用的坐標(biāo)系和車身坐標(biāo)系不一致，從夾具數(shù)模上提取的數(shù)據(jù)要通過坐標(biāo)系變換轉(zhuǎn)為車身坐標(biāo)系下的理論值才可以用于測量;如果直接根據(jù)夾具數(shù)模上的數(shù)據(jù)調(diào)整，可能會(huì)與車身件上定位孔和定位夾緊面的理論位置產(chǎn)生偏差，而且坐標(biāo)系變換過程中由于計(jì)算精度的問題也會(huì)帶來誤差。
b.夾具設(shè)計(jì)時(shí)，零件的加工精度和裝配精度要和車身件的精度相匹配，避免夾具零件尺寸偏差超出車身件尺寸偏差。
c.夾具裝配完成后，要按規(guī)定對定位銷位置、型塊定位面進(jìn)行測量和調(diào)試，將與車身件接觸的夾具零件調(diào)整到理論位置。
4 結(jié)論
a.采用“N-2-1”原理定位被焊接零件時(shí)，根據(jù)車身件形狀對稱設(shè)置定位夾緊點(diǎn)可減少焊接變形。前蓋內(nèi)板總成上共有23個(gè)焊點(diǎn)，分兩個(gè)工位焊完，其中定位焊工位焊12個(gè)焊點(diǎn)，補(bǔ)焊工位焊接11個(gè)焊點(diǎn);
b.前蓋內(nèi)板總成件上的焊點(diǎn)焊接方向均垂直于工作臺(tái)，因此使用X型焊槍;
c.為前蓋內(nèi)板總成焊槍焊接設(shè)計(jì)了焊槍導(dǎo)向裝置，有利于快速、準(zhǔn)確地找到焊接位置和調(diào)整焊接角度，保證了焊點(diǎn)質(zhì)量;
d.對夾具工作臺(tái)的人機(jī)工程進(jìn)行了校核。結(jié)果表明，夾具工作臺(tái)應(yīng)平行于地面，操作高度在1 000～1 300 mm 之間，且工人在焊接和行走過程中不會(huì)碰到夾具或車身件;各類掛車在主線上的等節(jié)拍運(yùn)轉(zhuǎn)。
車架左右側(cè)翻焊接能實(shí)現(xiàn)所有焊縫在平面焊接，減少了焊接缺陷的產(chǎn)生，確保了產(chǎn)品質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)多種車型的共線生產(chǎn)，高低梁和直梁集卡車并用，集卡線生產(chǎn)工藝極大提高了集裝箱運(yùn)輸半掛車的產(chǎn)能和質(zhì)量，保證了各類集裝箱運(yùn)輸半掛車型在主線生產(chǎn)的通暢性。
在整個(gè)生產(chǎn)流程中，車架使用滾輪和軌道進(jìn)行各工序間的轉(zhuǎn)運(yùn)，避免行吊在工件上的使用，節(jié)省了行吊的使用時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，保證安全使用。
4 結(jié)束語
通過合理的工藝布局，有力的工裝保證，極大地提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，提高了生產(chǎn)工藝水平，將流水線快節(jié)奏的生產(chǎn)方式嫁接到集裝箱運(yùn)輸半掛車生產(chǎn)過程中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場定員、定崗、定任務(wù)、模式化作業(yè)，實(shí)行目視化管理，給企業(yè)利益最大化創(chuàng)造提供一個(gè)全新模式。
該集卡線減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人員，提升了產(chǎn)能，每天按單班產(chǎn)能10 臺(tái)車創(chuàng)利潤5 萬元計(jì)算，一年創(chuàng)純利潤約為1 500 萬，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益較為顯著。其生產(chǎn)工藝及工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也為專用車行業(yè)提供了一定的參考借鑒之處。
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