汽車車門焊接夾具結構的改進設計分析

徐興波

摘 要：車門焊接作為車輛制作中的重要工序之一，其加工精度與效率直接影響了汽車產品的質量與利潤。而夾具作為焊接工作的重要輔助裝置，其結構是否合理將影響焊接精度、加工效率?；诖?，文章在簡述車門焊接相關技術概念的基礎上，從三維設計角度深入探究了車門焊接夾具結構的改進設計，希望能為相關技術人員提供有價值參考。

關鍵詞：汽車加工 車門焊接 焊裝夾具

1 引言

汽車工業作為我國工業重要組成部分，長期推動國民經濟快速發展。汽車制造中，汽車車門需要經過焊接、機械連接等多種方法實現結構聯接，焊接過程中夾具發揮重要作用，當前定位誤差是其存在的主要問題，為解決這一問題，本文著重從三維設計角度，探究如何改進夾具結構設計，提升其定位精度。

2 汽車車門結構及焊接工藝簡述

2.1 車門結構

常見汽車車門一般由車門主體與相關附件組成，車門主體結構包括車門內板、車窗、門鉸鏈、門鎖等結構組成。以家用小汽車為例，一般在車身左前、右前、左后、右后位置分別有一個車門，且成對稱排列。車門有無窗框、有窗框、分開式、整體式等多種類型，家用汽車常使用有窗框分開式車門結構，具備強度高、成本低等優勢。本文主要針對分體式有框車門分析其焊接及夾具結構設計等問題，此類車門零部件包括內板、外板、鉸鏈等，經焊接、包邊及膠合固化裝配后成形，一般剛度、強度較高，因包含各種復雜功能部件和板材，因此整體結構復雜。以前門內板為例，主要包括窗框、窗框尾部、窗框合件、內板加強板、門鎖加強板、防撞梁合件、內板合件、內板合件、三角框支撐架、鉸鏈等。

2.2 車門焊接工藝

（1）車門內板總成焊裝一般過程為薄板沖壓零件→合件→分總成→總成?；趦劝蹇偝缮a計劃與結構特點，一般需要至少四個焊裝工位，如第一工位負責窗框、窗框尾部、內板加強板等結構的裝夾定位與焊接，第二工位負責門鎖加強板、螺鉸鏈、門窗合件等構件與前一工序所完成部分的焊接、裝配等工作，第三工位負責車門加強板等構件與前一工序完成部分的焊接與裝配工作，第四工位負責前一工序將完成的構件與內板防撞梁合件等構件的焊接裝配工作。

（2）用于車門焊接的接頭一般為自重型，細分為T型、搭接型、對接型、角接型，對接型與T型接頭最為常用?；诹W角度，對接接頭受力情況最為理想，焊接位置能承受較好靜載荷、動載荷，T形接頭次之。車身焊裝中，薄板沖壓件結構及各攻擊按間位置關系復雜，且不同構件件受力要求不同，因此內板焊裝一般采用搭接接頭，應用此接頭焊裝雖存在附加彎曲應力、焊接位置動載能力弱等問題，但應用于車身焊裝中，能降低焊接工件裝配的難度，提高裝配效率。

（3）基于內板裝配流程確定夾具定位基準。以第一工位為例，需要確定窗框、窗框尾部、內板加強板、內板的裝配順序及其在夾具上的具體位置，才能進行自動化焊接。這些構件橫截面積常為U形，鋼材強度與剛度高，材料細長，焊裝時變形量小，因此確定沖壓件定位夾緊點只需考慮車門分總成定位準確性、夾緊力、內板貼合間隙三個因素。車門內板面積大，合適加緊力能保證焊裝穩定進行，同時避免結構因焊裝過夾而變形，因此一般在確定各構件定位點的同時，增設多個定位點，如在內板上設定定位銷孔，以限制車門內板在XZ平面內的移動與繞Y軸的轉動，在車門下部邊緣位置設定定位點，以限制車門內板沿Y軸方向的移動。

3 車門焊裝夾具相關概念簡述

3.1 焊裝夾具基本概念

車門焊接夾具是保證將車門沖壓件固定在正確的焊接位置，通過夾緊裝置將其夾緊，使用焊槍與相應焊接工藝，對沖壓件進行焊接，形成組件、合件、分總成、總成，通過焊接方法將各部件連接為一個車門整體。裝配焊接作為汽車各部件制造工藝中核心工作部分，對各部件的質量、生產效率與經濟性的影響十分明顯。當前車門焊接制造的核心問題是提高焊接效率與裝配精度。車門夾具構造復雜，夾具體積也較大，是為了滿足車門焊接制造與裝配的便利與效率。在定位方面，夾具為滿足車門存在的曲面外形沖壓件的固定焊接，需要綜合使用型面定位、定位孔定位等多種方式，這些使得車門夾具不僅需要使用到很多標準原件，還可能用到一些特殊結構的元件，且要求夾具結構間不存在相互干涉。車門焊接涉及多個工件、工序，焊接的板材厚度不一，在焊接薄板工件時，為防止其變形，需要確定合理夾緊力度并結合點焊等工藝，保證焊接后車身工件不受應力等有影響存在變形。夾緊裝置內部結構可采用快速裝置、多點聯動機構，以提升裝卸效率。

3.2 夾具設計基本要求

（1）保證焊接件尺寸在精度、形狀等方面滿足車門圖紙技術要求，是焊裝夾具設計重要意義所在。零件裝配工作中，一定要保證待焊接制件在夾具中空間位置的準確性，保證夾緊狀態穩定且力度合力，使夾具在焊接中抵消部分震動等因素的影響，以減少焊件形變。

（2）為保證工人能順利、輕松開展焊接工作，一般將車門夾具設計為開放式結構，以保證焊鉗等焊接設備能方便的深入夾具進行焊接，如若必要需切去夾具中的干涉部分，以保持焊接工作順利進行。

（3）為盡量降低架構成本，需盡量簡化夾具結構，選用常見的氣缸等零部件，以方便夾具維修保養等工作的開展，同時應保證焊裝夾具具備良好操作性，以降低工人勞動難度與勞動量。

4 汽車車門焊接夾具結構的改進設計

4.1 夾具結構分析

夾具關鍵部件為其定位夾緊構件，其作用在于定位焊接工件加工位置，限制工件移動，保證工件間貼合度，并防止工件在焊接時發生變形，限制工件自由度。其基本結構包括基板、支撐架、壓塊、定位塊、定位銷、氣動夾緊裝置及氣墊等。

（1）夾具基板。其精度直接影響夾具定位工件的精確程度，基板表面有多個基準孔與坐標刻度線，用于判斷夾具基準和安裝支撐架。車門焊裝夾具使用的基板常為20mm-40mm的鋼板。

（2）支撐架。常見L型、H型兩種支撐架，用于過渡塊、基板等結構的連接與固定，一般高度規格為100mm-500mm。在基板之上安裝支撐架，將過渡板一般安裝于支撐架上端，一般使用螺栓實現連接固定。此結構構型簡單、尺寸標準化、強度高、制造簡便且成本低。

（3）壓塊。一般使用螺栓將其連接到夾緊裝置的夾臂中，壓塊連接方式決定了夾緊單元是否容易更換。為滿足不同車門工件焊接時快速調節夾緊單元的需求，需要通過柔性化設計保證壓塊可輕松調節。車門焊接中壓塊夾緊力一般小于300N。

（4）定位塊。車門工件焊接時，定位塊與沖壓件外表面直接接觸，而沖壓件構型較復雜，因此要求定位孔表面與工件表面的形狀向一致，且有較高尺寸精度需求。制造時為了滿足定位面尺寸精度及定位面形狀等方面的精度要求，一般采用模具或數控機床進行加工。定位塊常見厚度為16mm、19mm、22mm，為節約材料、合理受力，一般會使定位塊長度盡可能短。為方便更換、調整定位塊，設計時常將其與過渡板分離，兩者間使用墊片實現高度調整，使用定位孔與插銷以保證定位精度。定位塊一般采用厚鋼板制作，表面經淬火等處理達到較高硬度，以增加其耐磨性。

（5）定位銷。其主要作用為保證工件裝夾定位精確度。其作為標準件，基于焊接件定位孔孔徑決定其孔徑，定位銷直徑一般略小于定位孔直徑，焊接件定位面裝配精度?？刂圃凇?.2mm內，而定位銷精度?？刂圃凇?.1mm內。定位銷的頭部一般為圓弧形、錐形，作用為定位導向。定位銷表面一般超出焊接件定位孔3mm。定位銷有固定銷、擺動銷、伸縮梢等形式，車門焊接常使用固定定位銷。

（6）氣動夾緊裝置。作為核心執行部件，其由氣缸、電氣部分和機構部分組成。氣缸作用為提供動力；電氣部分基于感應開關實現夾緊裝置的打開與閉合，機構部分作為為將氣缸直線運動轉為輸出軸夾緊臂的轉動。氣動夾緊裝置需要有足夠動力、剛度與強度，其輸出的夾緊力一般較大，需保證夾緊臂轉角調節方便，能在夾緊狀態下自鎖。

（7）調整墊片。作為重要輔助零件，其結構簡單、易制造，常見厚度為0.5mm、1mm，常見長度為25mm、50mm，常見寬度為16mm、19mm，根據實際情況選擇和增減不同尺寸墊片以滿足夾具空間位置的需求。

4.2 三維設計

（1）裝配環境的參數設定。在進行車門總成焊裝夾具裝配前，需要進行三維設計與空間模擬，模擬工作中空間分配、模型定義等工作尤為關鍵，基本步驟為：①基于車門總成方案建立基礎的焊裝夾具結構三維模型；②基于方案定義模型結構裝配層次及裝配區域；③基于工件結構等參數確定焊裝夾具模型各結構間裝配時的約束關系；④基于焊接要求進行具體的焊裝夾具三維設計；⑤基于設計要求進行三維模擬裝配與干涉檢查。

為保證裝配設計合理、順利進行，必須基于裝配對象設定具體且合理的裝配環境參數。在三維軟件中點選工具欄，打開環境參數設定界面，進行各項標簽參數的設定，主要包括：①更新，即選擇自動更新裝配設計的進度，選擇動作層則只更新當前子裝配層設計進度，選擇所有層則跟更新所有子裝配層設計進度；②存取至幾何，首先選擇自動轉換到設計模式，然后才能進行快速移動、多重引用、偏移、旋轉、重復使用圖樣等操作；③移動組件，該命令在移動任意一個固定于一起的分件時會發出警告，并對以后操作起作用，使用羅盤可進行快速移動、偏移、旋轉等操作；④粘貼組件，該命令可粘貼無約束條件的分件，在選擇剪切后，可以通過粘貼幾個裝配分件應用于裝配約束中，在選擇剪切后與組立約束操作時，可通過粘貼幾個分件到裝配約束中；⑤建立約束于快速約束，選擇需使用的幾何要素，然后對所需幾何要素進行約束操作，若選擇使用分件，則可選擇發布中的元素并進行復制分件的操作，使用快速約束時可將其設為默認約束命令，從而改變約束順序。

（2）確定基準面高度。熟悉焊裝夾具結構及設計要點后，對焊接夾具進行三維設計，為實際加工提供圖紙依據。車門三維設計中，需要應用人體工程學，以170身高為例，其直立狀態下雙手離地距離為800mm-1200mm，因此為保證工作體感舒適度，并保證焊鉗不干涉人工操作，可將基準面設計在待焊工件下方離地高度500mm-800mm左右高度。因車門內板夾緊定位點十分多，若基準面過低，則支撐座高度過高，這樣一來需要更多夾緊單元，夾具重量也增加，為避免材料浪費，一般將基準面高度設定在300mm左右，為保證焊件的離地地面充足，保證焊鉗順利出入，常選擇380mm左右支座與40mm左右基板。

（3）夾具三維設計方案?；谲囬T內定位基準，結合內板分總成曲面結構進行分析，一般而言車門內板定位孔與定位面方向不同、結構復雜。為方便工件能便捷的放入、取出夾具，可將部分定位基準及定位件設計為可移動結構，并使用聯動定位件實現部分定位基準的定位夾緊。處理與定位孔相重合的定位基準時，需使用定位銷實現定位夾緊，若定位基準時需通過焊件型面實現定位夾緊，夾具設計中應進行設計與焊件型面的形狀擬合，保證接觸面與焊件接觸面完美貼合。

（4）夾緊裝置結構設計?；谲囬T內板總成定位基準設計，焊接夾具三維設計流程大體為：轉換平面設計文件→截斷面→設計定位塊與壓板→裝配外購件與標準件單元→焊接干涉檢查→輸出總裝圖。以第三步為例，首先構建壓塊、壓臂、定位塊等夾緊機構構件大致輪廓，然后確定旋轉點、確定氣缸型號、尺寸及具體安裝坐標，然后在二維草圖中基于拉伸、倒角等操作獲得完整組件三維圖，。壓塊間、壓塊與壓臂間一般采用兩銷一釘方式實現緊固安裝，定位塊與支撐座、過渡塊間采用兩銷兩釘方式實現緊固連接，同時設計需保證壓塊與壓臂、定位塊與支撐座、定位塊與過渡板間有5mm左右間隙，以滿足墊片的安裝與調整。

（5）氣動夾緊裝置設計。設計重點為氣缸的選擇，打開角度的確定。設計時需根據杠桿平衡公式計算，確定夾緊作用力、打開角度，選擇合適機構類型，確定氣缸型號及缸徑。氣缸選擇可遵循以下原則：①若單個夾頭單向調整，可選擇缸徑為40mm的氣缸；②若型面角大于等于15°，夾頭需兩向調整，且氣缸搖臂的旋轉點無法與焊接件型面處于同一平面時，可選用缸徑為50mm的氣缸；③若型面角度大于等于15°，夾頭需兩向調整，且氣缸搖臂旋轉點能與焊接件型面處于同一平面時，可選擇缸徑為50mm的氣缸；④若兩個夾頭需多向調整，且壓緊扭矩設計為大于160Nm時，可選擇缸徑為63mm的氣缸。三維圖設計完成后，輸出對應二維工程圖，并標注尺寸與加工技術要求，然后繪制總裝圖并進行檢查，再繪制夾具各單元體組裝圖與零件圖。

（6）干涉檢查。當焊裝夾具中每個具體結構及整體結構設計完成后，應對基本元件進行結構細化設計，以檢驗焊鉗在伸入夾具各個焊點實施焊接時，是否會存在與夾具結構相互干涉的問題，并檢驗夾具結構設計合理型，對發生干涉的位置或夾具結構存在不合理的位置進行重新分析與設計，直至完全滿足焊裝工藝要求。

實操中可利用CATIA等軟件的運動分析功能，進行焊裝夾具運動結構的運功仿真分析，基于空間旋轉等功能進行模塊分析，分析各部分結構空間關系，判斷是否存在干涉問題。仿真分析中，需根據實際加工環境將要求選擇不同型號、不同喉深喉寬的焊鉗，進行多重分析，焊鉗喉深等參數會直接影響焊接深度等焊接細節，而不同型號焊鉗的結構、工作行程的范圍也不一樣，而這些參數決定了其是否會干涉焊接工作，因此需要針對各工種不同型號焊鉗，結合工件形狀、焊點分布等要求，進行仿真觀察，以檢驗焊鉗活動空間能否滿足焊鉗運動、放置、移動的要求。最終經過多次調整，需保證焊槍與焊裝夾具等裝置之沒有干涉，保證焊裝夾具內部結構間不存在干涉。

5 結束語

綜上，本文詳細介紹了如何優化車門焊接夾具結構設計工作。實際操作中，需基于加工環境、產品要求，綜合考慮加工成本，合理選擇和確定夾具各零部件的結構、尺寸，并積極使用三維建模、仿真等技術，進行運動仿真實驗、干擾檢查，以大幅提升夾具設計合理性與定位精度。

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