焊接工装夹具剖析

1、焊接工装夹具及其在汽车上的发展一. 焊接工装夹具1.1 夹具夹具是加工时用来迅速紧固工件，使机床、刀具、工件保持正确相对位置的工 艺装置。也就是说 Workholding工装夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术 向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、 高效、模块、组合、通用、经济方向发展。夹具又称卡具。从广义上说，在工艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安 全地安装工件的装置，都可称为夹具。例如焊接夹具、检验夹具、装配夹具、机床 夹具等。其中机床夹具最为常见，常简称为夹具；在机床上加工工件时，为使工件 的表面能达到图纸规定的尺寸、几何形状以及与其他表面的

2、相互位置精度等技术要 求，加工前必须将工件装好（定位）、夹牢（夹紧）；应用机床夹具，有利于保证 工件的加工精度、稳定产品质量；有利于提高劳动生产率和降低成本；有利于改善 工人劳动条件，保证安全生产；有利于扩大机床工艺范围，实现“一机多用”；夹 具通常由定位元件（确定工件在夹具中的正确位置）、夹紧装置、对刀引导元件（确 定刀具与工件的相对位置或导引刀具方向）、分度装置（使工件在一次安装中能完成 数个工位的加工，有回转分度装置和直线移动分度装置两类）、连接元件以及夹具 体（夹具底座）等组成；夹具在电子厂商使用也是非常高的，在生产中为了提高生 产效率和产品质量，在生产的中段和后段就常用工装夹具来进行

3、功能测试或者辅助 装配（能装配出固定的外形及高度等）。从菲克雄和广大电子厂商打交道的情况来 看还有很多工装夹具是用在测试时的一个信号转接和电气老化工位。实际在电子生 产制造厂中的用途是非常广，因为是非标定制的在，所以只有想不到而没有做不到 的。焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠加紧，便于焊件进行装配和焊接、保 证焊件结构精度方面要求的工艺设备。在现代焊件生产中积极推广和使用与产品结 构相适应的工装夹具，对提高产品质量，减轻工人的劳动强度，加速焊接生产实现 机械化、自动化进程等方面起着非常重要的作用。在焊接生产过程中，焊接所需的工时较少，而约占加工工时的2/3以上的时间是用于备料、装配及其他辅

4、助的工作，极大地影响着焊接的生产速度。为此，必须 大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配焊接工艺装备。1.2 夹具的作用焊接工装夹具的主要作用有以下几方面：（1）准确、可靠的定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和划线工作。 减小制品 的尺寸偏差，提高了零件的精度和可换性。（2）有效地防止和减轻了焊件变形。（3）是工件处于最佳的施焊部位，焊缝的成形性良好，工艺缺陷明显降低，焊 接速度得以提高。（4） 以机械装置代替了手工装配零件部位时的定位、夹紧及工件翻转等繁重的 工作，改善了工人的劳动条件。（5）可以扩大先进的工艺方法的适用范围， 促进焊接结构的生产机械化和自动 化的综合发展。二. 汽车焊接工装

5、夹具汽车作为20世纪最显著的人文标志之一，己成为人类社会科技与文明进步的一 个象征。中国汽车工业经历了从无到有、从小到大，从货车时代到轿车时代，从“公 车”到“私车”的发展过程，其创建、成长的每一步都成为中国制造业发展与开拓 的见证。而作为汽车生产四大工艺之一的车身焊装生产线，也经历了一个从低端到 高端，从手动到自动的发展过程。为了赶上国际水平，在提高产量的同时，要求努 力提高汽车制造质量，因此对焊装夹具也提出了新的要求，以满足更快的新品开发 速度。在研发新车型的过程中，需要一种柔性化、模块化的三维组合工装替代传统 的专用工装，可以大量缩短设计、制造时间，并可以反复使用，节约研制成本。同 时，

6、在专用车辆，工程车辆和大客车的生产中，由于批量小、客户要求不同，使用 柔性化工装制造也是非常实用和经济的方法。焊装工装夹具的发展焊装夹具也称焊接工装夹具，它与焊接变位机械装备在焊接结构生产中总称为 工艺装备。其中，工装夹具包括夹紧器、定位器、推拉装置等。夹紧器是焊装夹具 中最基本、应用量最多的设备，通过夹紧器对焊接工件的夹紧，可有效保证焊接工 件的焊接精度和焊接质量。从50年代开始发展的中国汽车制造业，以手工焊和电阻点焊作为主要加工手 段，跨出了汽车制造的第一步，其焊装夹具也主要是以手工操作为主。夹紧器的应 用经历了以手动夹紧器为主，到以拉杆式气缸驱动夹紧机构为主，再到现今的以气 动一体式夹紧

7、器为主的一个发展过程。2.1国内篇目前，国内夹紧器主要分为两大类：一类是以主流汽车厂如上海大众、一汽大 众、上海通用、武汉神龙等欧系汽车厂应用为代表的一体式夹紧器；另一类是以北 京现代、广州本田、天津丰田等日韩系汽车厂应用为代表的拉杆式气缸驱动夹紧机 构。而一体式夹紧器以其优越的技术性能被越来越多的国内汽车制造企业所青睐， 在焊装夹具上使用一体式夹紧器已成为一种趋势和潮流，如长安汽车厂的6350线,长安汽车五厂的CV9线，长安福特的340线，东南汽车的戴-克线，上海汇众及一些 汽车零配件制造厂都已经开始使用一体式夹紧器，并逐步开始由原先的日韩系拉杆 式气缸夹紧机构向一体式夹紧器升级换代。II图

8、2夹具设计2.1.1焊装夹具对夹紧器/机构的基本要求1 、夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠;2 、夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损坏零件表面质量；3 、夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调的；4 、结构力求简单，便于制造和维修。2.1.2夹紧器/机构的标准制定由于国内汽车工业发展较晚，技术力量薄弱，国内汽车生产厂还没有形成完善 的标准制造体系，对焊装夹具夹紧机构技术指标工作做的也不十分详细。目前，主 要靠焊装夹具厂根据自己的标准制造夹紧机构，而汽车厂焊装线较多，因此造成了 如下问题：1 、国内焊装夹具厂的发展水平参差不齐，主要采用拉杆式气缸驱

9、动的夹紧机构, 虽然驱动气缸可以得到统一，但与其配合使用的支座连接件、连杆等零配件没有统 一的标准。如果一个汽车厂有几条焊装线，且由几个夹具制造厂以拉杆式气缸夹紧 机构制造，会造成非标件的数量较多，不仅增加了备件压力，而且也使维修成本增 高。2 、由于没有细致的制造标准，汽车厂在采购焊装夹具时，对夹紧机构单元无法 准确得到真实的采购成本预算。在目前成本预算压力日渐增大的形势下，汽车厂越来越需要明确细分的成本构成，以进行采购比价核算。拉杆式气缸夹紧机构非单独 的工作单元，由拉杆式气缸、连杆压臂、支座等元件共同组成，评价项目多，难以 树立标准、统一规格。3 、随着焊装线自动化程度越来越高，对夹紧机

10、构要求状态信号输出的需要也越 来越多。尤其需要输出气动信号时，拉杆式气缸夹紧机构由于没有统一的标准规定 信号输出端口的位置，易使夹具布局紊乱。同时，汽车厂对工装夹具的合格性评审 也缺乏依据，为今后的正常生产和设备维修留下了隐患。2.2外国篇-一体式和三维组合焊接在欧美，汽车制造工业已经相当发达，焊装夹具95沖上应用的是一体式夹紧器。其中，欧系汽车厂所使用的一体式夹紧器90%以上来自于德国Tue nkersMaschinenbau Gmbl公司。Tuenkers公司有40多年的汽车厂焊装设备制造经验， 并 已在上海成立了分公司，以实现一体式夹紧器的国产化。此外，Tuenkers公司还与各大汽车厂

11、合作制订各项一体式夹紧器制造技术标准和要求，如德国大众标准（DIN标准），美国通用标准（NAAM标准），法国PSA标准（CNOM标准）等，保证了汽 车厂对焊装夹具技术性能的评审以及采购成本核算的紧密控制。2.2.1 一体式夹紧器的特点纵观整个汽车工业的焊接现状，不难分析出汽车工业焊接夹具的发展趋势，即 发展自动化柔性生产系统。而一体式夹紧器，因集自动化生产和标准化一体式结构 可灵活性设计等特点于一身，近年来快速在轿车焊装生产线上得到大规模的推广使 用。其特点主要体现在以下几个方面：1 、“连杆机构”原理设计，用相对较小的工作气压就可以产生很大的夹紧力；消耗同等的压缩空气，一体式夹紧器比拉杆式夹

12、紧机构产生的压力大46倍；2 、在夹紧位置自动锁死，即使失去工作气压，工件也能被安全夹紧；而拉杆式 夹紧机构本身不具备自锁功能，需另外设计增加锁死机构；3 、全封闭的一体式设计，可防止焊接过程中，焊渣飞溅对气缸活塞杆的损伤； 拉杆式气缸的活塞杆暴露在外，容易磨损，需要经常维修；4 、标准模块化结构，输出扭矩值固定，方便了夹具设计及型号选择；而用拉杆式夹紧机构设计时，需根据夹紧力要求分别计算气缸行程，额外设计拉杆支点及连杆，并且需要另行安排连杆及支点机构的零件加工，费时费力；5 、一体式夹紧器可内置电感式或气动传感器，以实现自动化控制；而拉杆式气缸只能外置传感器，尤其对于气动传感器，需另外设计结

13、构来实现，占用额外的夹具空间。综上所述，一体式夹紧器无论是在功能性、可维护性方面，还是在夹具的设计 制造性上都远比拉杆式气缸夹紧机构优越，这也是一体式夹紧器逐步取代拉杆式气 缸机构，成为现在和将来汽车焊装夹具制造主流趋势的原因。2.2.2德国西格芒三维组合工作台焊接工装夹具过去一直没有受到机械焊接与切削行业的重视。各厂家都实行自 己开发设计制造，专用性强，费时费工，工装成本非常高。柔性组合焊接工装基本 上是一个空白。德国西格芒公司在自身承接客户变化多样的结构件的生产过程中， 应用组合夹具的设计思想，以其创意和创新的巧妙构思、灵活多样的结构组合，独 创了组合式三维焊接工作台，并逐渐从满足自我的使

14、用到供应给各行各业的用户。 柔性化的焊接工装免除了设计人员重复设计和制作工装的投入,在短短10年左右的时间内，就已经在几千家欧美著名的机械焊接与切削行业成功应用。在德国金属加 工领域是有口皆碑的工装助手。西格芒公司三维柔性化组合焊接工作台技术在欧洲、 美国和中国已经获得了多项专利。三维组合焊接夹紧系统介绍德国西格芒公司三维组合焊接工作台有 D28和D16两个系列。在高精度的台面 上,每隔100mn均布D28的圆孔或每隔50mn均布D16的圆孔，这些孔可用于拼接各 种功能的定位模块和夹具。各种功能模块除台面外，还有定位块，直角块，立柱， 任意角度调整，V形块，销栓，各类快速夹具，间隙调整片及各种

15、辅助模块。模块 的设计构思巧妙，可以进行各种组合和反复应用。用于模块之间互相紧固连接的销栓，内部采用五个同心钢珠。销栓松开时，钢 珠退入销栓内，此时销栓可方便地插入模块的孔内。当用手逐渐拧紧时，五个钢珠 逐渐弹出，自动对中并夹紧模块。用扳手扳紧后，其对模块的夹紧力可达5吨，剪切力可达25吨。1. 台面台面采用带孔格板形式。在台面的上面和侧面，每隔100mn均布 28mm勺圆孔 (system28系列)，或每隔50mm均布 16mmt勺圆孔(system16系列)，并以同样的间 隔划有尺寸线，台面边缘有毫米刻度线。这些圆孔可用于拼接各种功能的定位模块 和夹具。台面尺寸从500mm 1000mn到

16、2000mr 4000mm并且可以根据需要组合成 任意大小的尺寸和条块形状。台面的支撑脚有标准脚、伸缩脚、带移动轮脚、固定 脚和剪式升降脚等，以适应各种不同的需要。这一系列的精心设计，给使用者提供 了极大的方便。2. 销栓一套孔系夹紧系统的关键就在于固定销栓。西格芒销栓采用钢球夹紧结构，既 简单实用安全稳固，又便于清洁，而且只要单手就可以使用。夹紧销栓用优质材料 制造，并具有一定的硬度。3. 直角块直角块可用于止位、定直角、构建三维立体结构和延伸工作台面等。大型的直 角块上还配有宽度为28mm或 16mnt勺滑槽，可以前后、上下滑动，并在任意需要的 位置用销栓紧固定位。4. 立柱各种长度的立柱

17、有(100*200*h)或(200*200*h)工作面，工作面上配有 28mm或 16mm勺系统孔。立柱可用于构建三维立体结构，或者与台面配合，构成各种异形 台面。5. 夹具夹具品种繁多，可归纳为以下三种形式：(1) 悬臂夹具 按照夹具的插入方向与夹紧力方向，有 180、90、45三种。 按照夹紧手柄的类型，有手工螺旋式、快速夹紧式、短六角螺钉式等。（2）补偿悬臂夹具由于夹具在台面上是采用圆棒插入孔中的形式，棒孔间的间 隙和夹具本身的微小柔性，使得夹具在夹紧过程中有带动工件偏转的倾向。为了防 止这种偏转，西格芒公司发明了补偿悬臂夹具。 这种夹具在悬臂中增加了弹性伸缩， 化解掉夹紧时的侧向分力，

18、以补偿夹具本身的变形和插入过程中的间隙，保证夹具 的夹紧力与夹紧方向一致。（3）快速夹具西格芒产品中揉合了德国另一家著名的 AMF公司的手动或气动快 速夹具。垂直压紧式、水平推拉式等品种繁多的手动、气动夹具，通过一 28mm勺 过渡件，可方便地安装在需要的地方。6. 任意角度调整块可以连续调节0225。的任意角度，在需要的角度处可以用油压的方式锁 紧，可平卧或竖立使用。夹角臂上的两侧分别有系统孔和槽，可在其上面进一步安 装模块定位或夹紧。7. 止位块各种小型的止位块设计有系统孔或槽，以便在构建工装时方便地在需要的地方 定位。止位块的尺寸设计非常科学合理，可以达到最小25mm勺调整量。进一步调整

19、 25mm以下尺寸时可用配套的间距调整套件。理论上使用西格芒工作台构建工装时， 量具变得是多余的了。8. 各种辅助模块这类模块中包括：专门用于定位圆管的 V形块和链式夹具；定位法兰的标准法 兰板；台面角上45方向延伸时用的角模块；间距调整套件； 28mn和 16mm系统过渡销；使用一件夹具压紧两点（夹紧圆管）的夹紧桥；用于用户自制件与西格芒 标准件连接的过渡接口块；起重吊环；防止焊接时台面与焊接电缆间出现电火花的 专用插头及防止焊接飞溅用的专用套件等。三维组合焊接夹紧系统特点：德国西格芒三维柔性组合焊接夹具系统广泛应用于各类钢结构、工程机械制造、 压力容器、建筑框架、汽车工业、自行车（摩托车）

20、制造、钣金加工、金属家具、工 业管道（法兰）、机器人技术以及设备装配和检测设备等。这种组合夹具的突出优点 是：1 ）模块化：所有组件分门别类，进行了标准化和系列化，互相匹配。选用最 少的模块，就可以实现各种快速定位和夹紧的功能。2 ）柔性化：拼装方式多样，用户只要充分发挥想象力，几乎可达到任何专用 夹具同样的定位和夹紧功能。拼装快速，装拆方便；工作台面可以根据工件形状、 大小进行拼装组合。台面上的刻度和模块尺寸的设计，使操作工人不用量具就可以 根据工件尺寸迅速搭出所需要的工装。3 ）高精度：工作台面和各种功能模块上每隔50或100mm配套的D16或D28的圆孔，任意孔的孔间距尺寸公差小于 0.

21、02mm这种精度将会反映在用户所加工的 产品中。所以，也有用户将此工作台用作检具的基准平台。4 ）专利设计：各功能模块中有不少是专利产品，如模块间连接采用的销栓， 为防止工件在夹紧过程中移位而特殊设计的带补偿的弹性夹具等。5 ）三维立体设计：模块中的立柱，直角块可用于向三维空间拼接，便于生产 各类立体构件。三维组合焊接夹紧系统的应用实例有了这种组合焊接工作台，对于不断重复设计工装的用户来说，就可大大节约 重复投资耗费在工装上的设计制作时间和资金。用户可根据需要快速拼接出不同要 求的工装，就像儿童玩拼装式玩具一样。这种三维柔性工装可用于汽车制造行业， 工程机械行业，钢结构生产行业，扳金加工行业，

22、自行车（摩托车）制造行业，与 焊接机器人或专用焊机配套等等。女口：德国Benz公司（斯图加特工厂）在汽车模具 和检具上的应用；Liebherr和MAN公司在生产工程车辆和机械中应用 siegmund工 装，焊接拼装底盘和车架；Schwing Stetter公司应用siegmund工装生产搅拌车和 建筑机械；用siegmund工作台作为Trumpf公司的激光焊接和切割设备的工作平台。 当然，作为日常工作必不可少的辅助工具，siegmund产品更广泛地应用在各种焊接场合中。相信在我国焊接工艺不断发展中，siegmund产品一定能得到越来越多的 中国用户欢迎。（1）应用实例一 下图所示为某厂生产装载机的承重臂。由于这一承重臂规格多， 批量不大，以前在焊接前必须制作专用焊接工装，以保证左右臂的平行度及弯角的 角度。这样仅从设计到制作完成工装，就至少需要4周的时间，而且要投入大量资金；用完以后，工装还需要一定的空间存放，以备下次使用。有了西格芒柔性组合 工装后，从考虑构思工装到拼装完成，最多一天时间(随着对西格芒柔性工装熟