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;工作臺是安裝定位機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)構(gòu)的平臺。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
夾具工作臺是安裝夾具單元的平臺，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，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)識的150 mm和高度方向的600 mm 是工人操作時(shí)下肢的活動空間范圍，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，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.對夾具工作臺的人機(jī)工程進(jìn)行了校核。結(jié)果表明，夾具工作臺應(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強(qiáng)度，減少了人員，提升了產(chǎn)能，每天按單班產(chǎn)能10 臺車創(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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