汽车车身焊接夹具设计

胸北咫车工小学隗

毕业设计（论文）

题目

学生姓名：

系另IJ:材料工程系

专业：材料成型与控制工程

学号：

班级：T733-4

指导教师:

（论文）

摘要

汽车焊装生产线及焊装夹具是汽车车身生产的关键设备，它对汽车生产制造水平

起着至关重要的作用，直接影响汽车生产规模、生产效率和生产质量。随着我国汽车

工业的迅速发展，激烈的市场竞争使汽车产品的更新换代越来越快，汽车车身设计越

来越个性化，对汽车焊装线的需求量巨大，必须自行设计适合我国国情的汽车焊装线,

努力提高设计和制造能力。本文设计了焊装夹具部件，对夹具运动机构模型简化，以前

围总成工位为重点，对焊装夹具的方案设计进行了探讨和优化设计。

关键词：汽车；前围；夹具；设计

（论文）

Abstract

Asthekeyequipmentforiheproductionofautomobilebodywork,(heautomobile

assembly-weldinglineandweldingjigareimportantfortheautomobileproductionlevel,

anddirectlyaffectstheproductionpattern,productionefficiencyandproduction

quality.Accompanyingtherapiddevelopmentofournationsautomobileindustry,the

competitionofautomobilemarketbecomesdrastic,itmakestheupdatingspeedof

automobileproductmoreandmorequickly,andthedesignofautomobilebodyworkmore

individuality,theneedingofautomobileassembly-weldinglinesbecomemoreandmore

large.Theautomobileassembly-weldinglineswhichfitthesituationofourcountrymustbe

indigenous,andthedesignandmanufactureabilitiesmustbeimproved.Inthispaper,the

modelofmovementmachineofjigispredigested,theprocessdesignandoptimization

designbyanexampleofihefrontwallisprobedinto.

Keywords:Automobile;Frontwall;Jig;Design

（论文）

4.3.7定位销....................................................34

4.3.8螺钉与基准销.............................................35

第五章夹具中的垢构....................................................36

5.1手动夹紧器一一四连杆机构加.....................................36

5.2一节旋转销结构——摆动导杆机构................................36

5.3气动加紧机构及气缸的选取.......................................38

5.5焊接拼台的管路机构.............................................39

5.5.1确定拼台管道类型.........................................39

5.5.2气路原理图的设计.........................................39

5.6前围夹具的总成图及工作过程....................................40

5.6.1前围分总成夹具总成图及工作过程...........................40

5.6.2前围总成焊装夹具总成图及工作过程.........................42

结束语.................................................................44

致谢...................................................................45

参考文献...............................................................46

（论文）

第一章绪论

汽车车身制造是汽车制造业中的一项系统工程，随着我国汽车制造

业的飞速发展，对汽车焊装线的需求量巨大，对其质量上的要求也日

益提高。汽车车身是经过冲压、焊接、涂装、总装这四个主要工艺过

程生产出来的，焊装作为汽车生产的四大工艺之一，其技术、设备、

生产布局、自动化水平、柔性化水平等对整个汽车生产的作用至关重

要。本文基于UG软件，结合东风渝安汽车有限公司“东风小康车身

焊装夹具设计开发工程”项目中汽车微型车前围焊装夹具的设计，通

过虚拟设计的思想，同时结合标准化设计，优化设计的理论，针对汽

车车身焊装生产线设计的关键技术和难点展开研究。

1.1课题的来源及意义

汽车工业是我国国民经济支柱产业之一，在国民经济发展中有特殊地位和作用，

汽车工业能极大地带动和促进其它工业和产业的发展，并且成为显示一个国家工业发

达水平的重要标志。随着汽车市场竞争的日益加剧，加快了汽车产品的更新换代步伐,

汽车新产品的开发和制造周期越来越短。2006年，国内汽车厂家共推出117款轿车、

SUV和MPV新车型。增加新车型冲压模具和焊接工装夹具虽必不可少，但汽车换型

最主要的是改造焊接生产线。在汽车制造业中，汽车焊装夹具在汽车焊装线投入中占

有相当大的比例，焊装夹具的设计制造直接影响汽车的生产规模、效率和生产质量。

-6-

（论文）

车身焊装是车身制造的重要组成部分，它是将已经冲压成形的车身

零件在夹具上定位夹紧后，通过点焊、凸焊、C02保护焊、钎焊以及

粘接工艺（主要是电阻点焊）装配成为白车身的过程。目前，国内的

焊接装备生产厂家综合技术实力不足，不具备设计制造高水平的成

套焊装线的能力，面对汽车行业的日益激烈的竞争又不允许国内的

汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内接装

备生产厂家近年来与国外水平的差距越来越大。国内汽车焊接生产水

平与国外逐渐接近，而国内焊接装备制造水平与国外差距却逐渐加

大，提高我国焊装线及焊装夹具自主设计和制造水平迫在眉睫。

1.2焊装夹具国内外研究概况

中国的汽车制造业已有50年的历史，只是在近几年中才得到了飞速的发展。相比

之下，我国汽车制造业的工艺水平，特别是焊接工装夹具水平，显得越来越不适应这

种快速发展速度的要求，这种现象的存在，原因在于在我国机械加工行业的传统习惯

中，焊接制造工艺的地位不高。在中国众多的汽车制造生产厂家中，焊接工装夹具通常

采用的是专用工装夹具，它是针对一道或几道特定的焊接工艺而配备的。随着目前汽

车生产小批量、个性化的发展趋势，这类工装的使用就越来越受到限制，其设计生产的

周期较长，场地占用较大，重复使用率较低的缺点充分的暴露出来。这种现状很大程度

制约了我国汽车制造业焊接工艺水平的提高，延长了新车型研发的周期。在世界先进

国家的汽车制造业，对广泛使用的焊接工装夹具已经标准化、系列化，设计时进行合理

选用即可［1］。

（论文）

在国内对焊接夹具的系统研究不够重视，汽车焊接夹具的开发设计

更是一个薄弱环节。在我国现有的所有引进车型中，焊接夹具几乎无

一例外全部依赖进口。焊接夹具开发的滞后状态严重制约了我国汽车

工业的进一步发展。这与国外的技术封锁有关但更主要的是我们重引

进轻研究开发重眼前利益，轻长远打算。我国不少科研部门和制造单

位从事了这项有益的作，如机械工业部第四设计研究院、沈阳牡机制

造公司、成都飞机制造公司和一汽、东风等国内著名汽车大集团都是

其中的佼佼者。由于国产焊装起点都不高，批量不大，与西方汽车大国

相比水平还有待在实践中进一步提高。

在世界先进发达国家，焊接工艺及柔性焊接生产线备受关注，特别

是柔性焊装生产线适应不同产量、不同生产率、不同自动化程度、不

同工厂环境的特点，柔性生产系统是车身焊装线的主流发展趋势。而

且在工业发达国家和汽车大国，焊装的研制开已形成一个相对独立的

新兴工业部门焊装的开发与设计已形成子标准化、系列化、通用化人

们能够紧随汽车车身车型更新换代的步伐，及时地为新产品提供相应

的焊接生产线为汽车厂家早上批量占领市场提供了坚实的技术装备

保证,争得了宝贵时间。应该看到汽车焊接夹具是一项利润丰厚的智

力型产品，占一个车身车型开发费用的1/6左右。按目前国际上一个

轿车车身正常开发费用5000-8000万美元计算，焊接夹具至少占800

万美元以上。它真正的材料费用是很低的，大部分是在设计制作费用

±o

1.3夹具设计的基本理论及方法

（论文）

~~经过多年的发展,在汽车焊装夹具的分析和设计方面已经形成了较为系统的夹具

设计的基本理论。如N-2T定位原理，形闭合和力闭合，螺旋理论等。N-2T定位原

理车用焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴,其中包括定位元件,夹紧元件,连接元

件,骨架及紧固元件等基本组成部分,设计中最重要的部分是定位元件的设计:往常设

计时大多采用六点定位:即“3-2-1”定位原理。对于车身零件,定位夹具除了具备限制

零件刚体运动的基本功能外，还必须能够限制过多的工件变形。如果还是用普通的六点

定位的话,工件将因为没有进行可靠的定位而发生定位不准的问题。要对薄板柔性件进

行可靠定位，必须有更为有效的夹具设计理论来支持。

“227”定位原理是一种新的定位原理,该定位原理与广泛应用于刚性件的

"3-2-1"定位原理相比更适用于薄板件的定位。我们可以根据“N-2T”定位原理,

提出夹具优化设计算法:即利用有限元分析和非线性规划方法去找到最优的“N”定位

点，以使得薄板件的总体变形最小。

“N-2T”定位原理认为⑵:

（1）第一基准面上所需的定位点数为N（N23）

对绝大部分薄板件加工过程,其最主耍的尺寸问题是薄板件法向方向上的变形,甚

至其自重所引起的变形就不容忽视。有关分析表明,对一块长宽各400mm,厚1mm的薄

板，用原理定位，在其自重作用下就可能产生卜31nm的平均变形。因此，对于

薄板件而言，最合理的夹具系统是要求其第一基准面上存在多于三个定位点去限制这

一方向上的零件变形。

（2）第二、第三基准面所需的定位点为二个和一个

在第二、第三基准面上分别需要二个和一个定位点去限制薄板件的刚体运动。二

个和一个定位点是完全足够的，因为实际加工所产生的力通常不会作用在这两个基准

面上，以避免弯曲和翘曲。更进一步的分析表明，第二基准面上的两个定位点应布置在

薄板件较长的边上。这是因为当两个定位点间距尽可能大时，零件将更稳定，司时还可

以更好的弥补零件表面或定位元件的安装误差。

（3）禁止在正反两侧同时设置定位点

必须强调禁止在工件正反两侧同时设置定位点，因为甚至极小的几何缺陷都可能

导致薄板件相对巨大的挠度和潜在的不稳定或翘曲。

1.4汽车焊装夹具发展趋势

目前，中国汽车有市场两个特点：一是有很高的增长率，二是市场竞争非常激烈。

汽车市场的竞争点越来越集中在产品的更新换代上，面对如此快速的产品更新，汽车

行业过去采用那种大批量单车型专机生产模式已不太适应当前发展的要求。因此多品

种的柔性化生产也越来越多地应用在汽车生产中，概括起来，目前汽车焊装夹具的发

展显现以下两方面的特点[3]:

（1）车身焊接夹具设计的智能化趋势

-9-

（论文）

~~车身焊接夹具的设计受车身零件结构形状、焊接JL艺、焊接方法、焊接设备等多

种因素的影响和制约，设计周期长，设计工作量大.设计过程复杂，在一定程度上制约

了汽车柔性化的发展方向。随着AI技术和CAD技术的飞速发展，探索其结沟的特点

和规律，建立一个具有零部件库、实例知识库、领域知识库和推理规则的智能化系统,

对于提高设计效率，缩短新车型的开发周期具有较大的实用价值。

（2）自动化、柔性化程度普遍提高趋势

-10-

（论文）

汽车制造的个性化、批量化、高效率和对产品质量一致性的要求，使

汽车焊装生产线的自动化、柔性化程度日益提高。由于焊接机器人可

以提高焊装生产的自动化程度，减轻操作者的劳动强度，提高生产效

率，保证焊接质量，是实现了车身装焊的柔性化、自动化生产方式的

有效手段，这样焊接机器人在汽车焊接生产中获得了大量应用。随着

机器人自动化成套焊装系统的广泛应用，我国汽车焊装生产线的自

动化、柔性化程度将显著提高。

1.5本文主要工作

本文以东风渝安汽车有限公司〃东风小康

微型车〃项目微型车前围总成焊装夹具的设计

为基础，对焊装夹具运动机构进行分析，并对

前围1序分总成工位夹具方案设计过程进行了

探讨和优化设计，对焊点的分布与数量进行分

析随后在夹具实际设计过程中进行了验证和应

用。

-11-

（论文）

第二章焊接工艺分析在夹具设计中影响

2.1焊装夹具的基本概念

把车身冲压件在一定工艺装备中定形、定位并夹紧，组合成车身组件、合件、分总

成及总成，同时利用焊接的方法使其形成整体的过程称为装焊过程。焊装过程中所使用

的夹具称为焊装夹具（图2.1）。

图2.1某工位焊装夹具

2.2焊接夹具的基本作用与要求

装配焊接是车身制造中的重要环节之一，它直接影响车身质量、生产率和

经济性，提高装配精度和焊接质量是车身制造的核心工作。焊装夹具就是

为了保证车身的装配精度、提高生产率。

2.2.1焊装夹具的基本作用

（1）给车身的部件定位、央紧，保证装配精度。

-12-

（论文）

（2）保证焊接工艺能正常进行。（如焊接变位机），保证装焊质量。

（3）减轻劳动强度，提高劳动生产率，改善劳动条件，降低产品成本。

2.2.2对焊装夹具的基本要求

（1）保证产品的形状和尺寸精度符合图纸和技术条件要求。这是夹具设计的首要

问题。在装配时，夹具必须使被装配的零件或部件获得正确的位置和可靠的夹紧，并

且在焊接时它能够防止和减少焊件产生变形。

（2）保证焊接工艺能顺利进行，夹具结构应开敞，工人操作方便，焊接设备容易

接近工作位置，必要时可在夹具上切去影响开敞性的部分，以改善夹具的开敞性。

（3）保证有良好的可操作性，降低劳动强度，提高生产效率。

（4）尽量低的制造成本，为此所设计的夹具结构应尽量简单，制造

和维修应容易，应尽量采用标准化夹具元件，对易损件便于更换。尽

量少用可拆卸的活动夹具元件［4］。

2.3焊装线发展过程及目前的现状

焊装线发展经过四个阶段，即手工操作阶段、半自动化阶段、自动化阶段、柔性

化阶段。随着焊装线的发展，焊装机器人大量应用，焊装线的自动化、柔性化程度日益

加深，并且有向智能化发展的趋势［5］。

（1）手工操作阶段

随着汽车的发明及开始商品化，相应的工装设备也被需求，由于批量和技术原因,

设备简陋，主要为手工操作阶段。

（2）半自动化阶段

技术的提高和批量的增大，对工装设备的要求也随之提高，为保证生产时间和减

轻劳动强度，在关键位置及繁重劳动位置采用自动化。

（3）自动化阶段

对汽车的需求和质量的要求越来越高，为了满足这种市场要求，汽车生产进入自

动化阶段。

（4）柔性化阶段

随消费者对汽车品味要求的不同，多品种小批量的生产越来越成为汽车生产的主

-13-

（论文）

流，因此对JL装设备的柔性要求越来越高，焊装线的柔性表现在两个方面：全面柔性，

即能生产各种不同规格的车；替换柔性，即生产线上的某一部分出现故障，只要降低生

产仍可工作。

车身焊装夹具种类繁多，根据对象不同有小型装焊夹具、分总成装焊

夹具、总成装焊夹具等；根据工作位置是否变化有固定式装焊夹具和

移动式装焊夹具等。

汽车车身装焊夹具的设计是一项涉及面很广的综合性技术，在设计

时首先要确定生产纲领、投资额度及车间厂房结构、面积等；掌握产

品结构，熟悉产品技术条件要求，明确夹具设计技术标准，通晓工艺

要求。只有做到上述内容，才能对焊接夹具进行全方位的设计，才能

设计出满足工艺要求的装焊夹具，才能保证车身整体骨骼精度及各

项功能。

2.4生产纲领对焊装夹具设计的影响

年生产纲领决定了夹具的设计节拍，工位的生产节拍由夹具动作时间、装配时间、

焊接时间、搬运时间等组成。

以东风小康焊装线为例：

生产纲领：1万台/年

工作制度：两班制：全年工作244天，每班工作时间8小时。

生产节拍:T=21分/台

（T=244天*2班*8小时*60分/10000辆*0.9=21）

-14-

（论文）

生产节拍:T=夹具动作时间+工作时间（装配时间+焊接时间+搬运时

间）由上述时间我们不难看出生产纲领决定了生产节拍，

而夹具的自动化水平将很大程度上影响到生产纲领。因此，我们在对

夹具设计时，必须考虑生产纲领来设计夹具，保证能够在生产节拍内

完成该夹具上所有作业内容。

2.5投资额度及车间厂房结构和面积对车身装焊夹具设计的影响

车身焊接的投资额度及车间厂房结构和面积是车身夹具设计的基础，其决定焊接

夹具的自动化水平、柔性化、通用化程度、分总成焊接夹具及焊装线夹具的工位分布、

吊运夹具的合理编排、零合件的输送方式等。

在夹具工位布置时，我们必须考虑的一个因素就是厂房的面积结构，

我们需要结合厂房的面积结构合理的布置和安排夹具的工位数量、体

积及结构形式等，厂房结构、工艺布置等也是我们在夹具设计初始阶

段应该考虑的。

2.6焊点工艺分布对焊接夹具设计的影响

在夹具设计的时候，需要重点考虑的一个问题就是焊点工艺分布，考虑焊接夹具

的可操作性，夹具不能与焊机焊接有干涉，因此在夹具设计过程中，在三维数模中，用

焊钳模拟在夹具平台上焊接过程，如图2.3夹具设计过程中，焊钳干涉性模拟。

-15-

（论文）

图2.3焊钳干涉性模拟图

微型车前围焊点方句复杂，所以应当选用较为合适的焊钳极臂。在保证接头强度

和技术要求的前提下应尽可能减小搭边宽度，以减轻结构重量。为保证焊点质量、对焊

点中心离边板最小尺寸要求，可参考表2.1。

表2.1焊接结构钢时焊点中心到板边的距离⑹

一个焊件厚度/mm12346

焊点中心到板边最小距离/mm812182530

焊点的距离应该选择适当，在满足焊缝强度和技术要求的前提下焊点距离尽可能

大些，在焊缝长度一定的范围内，焊点布置越多，点距越小，分流越大，焊点核心尺寸

越小，反而降低了焊缝强度。车身装焊合理点距如表2.2所示。

表2.2焊接结构钢时的点距⑹

一个焊件的厚度/mm12346

焊二层板的最小点距Am1525304060

-16-

（论文）

图2.4微型车前围零件焊点分布图

-17-

（论文）

第三章汽车车身零部件分析及对夹具的

要求

3.1汽车车身零部件的特点

汽车车身一般由外覆盖件、内覆盖件和骨架件组成，覆盖件的钢板厚度一般为

0.8-1.2mm范围内，骨架件的钢板厚度多为1.2-2.5mm也就是说它们大都为薄板件，对

焊接夹具设计来说，有以下特点［7］。

（1）结构形状复杂，构图困难

汽车车身都是由薄板冲压件焊接而成的空间壳体，为了造型美观和壳体具有一定

的刚性组成车身的零件通常是经过拉延成型的空间曲面体，结构形状相当复杂.

（2）刚性差，易变形

经过成型的薄板冲压件有一定的刚性，但和机械加工件相比，刚性要差得多，而

且单个的大型冲压件容易变形，只有焊接成车身壳体后，才具有较强的刚性。

（3）以空间三维坐标标注尺寸

-18-

（论文）

汽车车身产品图以空间三维坐标来标注尺寸，为了表示覆盖件在汽

车上的位置和便于标注尺寸，我国的汽车车身一般每隔200mm或

400mm划一坐标网线,3个坐标的基准是:前后方向（丫向）——以汽车

前轮中心为0往前为负值，往后为正值；上下方向亿向）——以纵梁

上平面为0,往上为正值，往下为负值；左右方向（X向）——以汽

车对称中心为0,左右不分正负。

3.2微型车前围焊接夹具设计制造过程中的主要要求

3.2.1前围各个零件的主要定位方式

图3.1前围侧板工艺图

-19-

（论文）

图3.2前围前板图定位方式

图3.3前围后板的主要定位方式

-20-

（论文）

图3.4总成零件的三维造型

-21-

(论文)

由于微型车前围总成焊接装配的零合件有多个，它们的装配和焊接应按

工艺要求的顺序逐步进行，定位和夹紧是分别单独的或是一批批联动的

进行，故在设计微型车前围总成焊接夹具时应充分考虑这一点。车身前围

焊装夹具大都以冲压件的曲面外型、在曲面上经过整形的平台、拉延和压

弯成型的台阶、外部边缘、装配用孔和工艺孔定位，这就在很大程度上决

定了它的定位元件形状比较特殊,很少能用标准元件。焊接夹具上要分别

对各被焊工件进行定位,并使其不互相干涉，在设置定位元件时要充分利

用工件装配的相互依赖关系作为自然的定位支承。有的工件焊接成封闭体,

无法设置定位支承，可要求产品设计时预冲平台、翻边作为定位控制点，

总之，对于要求不严格的装配，尽量不使用焊接夹具。车身焊装夹具上，

板状定位较多，定位板一般用Q235钢板，厚度为12〜19mm。定位块间

距既要保证定位精度，又要保证焊钳伸入的方便性。定位件按坐标标注尺

寸，标注公差车身冲压件装配后，使用电阻焊接，工件不受扭转力矩，当

工件的重力与点焊时加压方向一致，焊接压力足以克服工件的弹性变形，

并仍能保持准确的装配位置与定位基准贴合，此时可以省去夹紧机构。焊

接通常在两个工件间进行，夹紧点一般都比较多，电阻焊是一种高效焊接

工艺，为减少装卸工件的辅助时间，夹紧应采用高效快速装置和多点联动

机构。对于薄板冲压件，夹紧力作用点应作用在支承点上，只有对刚性很

好的工件才允许作用在几个支承点所组成的平面内，以免夹紧力使工件

弯曲或脱离定位基准。

3.2.2焊接结构零件在零件装配到夹具上时所受的夹持力与料厚关系

夹持力一般要求在30()〜1500N。通过装配定位使焊接合件在夹具中形成一个刚性

型腔，并使它们的尺寸稳定的保持在相应的坐标系中，以抵抗冲压件在装配搭接上所

-22-

（论文）

产生的变形。在通过点焊时，耍克服焊接变形力和机械冲击力。同时操作人员也必须

严格按工艺要求焊接，以避免产生点焊顺序不一致造成的变形、超差等焊接质量不合

格现象。

对于薄板冲压件，夹紧力作用点应作用在支承点上，只有对刚性很好的工件才允

许作用在几个支承点所组成的平面内，以免夹紧力使工件弯曲或脱离定位基准。夹紧

力主要用于保持工件装配的相对位置，克服工件的弹性变形，使其与定位支承或导电

电极贴合，对于1.2mm厚度以下的钢板，贴合间隙不大于0.8mm,每个夹紧点的夹紧

力一般在3OO-75ON范围内；对于1.5-2.5mm之间的冲压件，贴合间隙不大于1.5mm每

个夹紧点的夹紧力在500-1500N范围内［8］。

3.2.3装焊夹具的设计精度取决于车身产品分总成的装焊精度

车身产品零合件的精度取决于车身产品冲压件的自身精度和装焊夹具的制造精

度。只有两者的精度得到保证，在调试及生产中才能提高夹具的操作性和产品的质量。

在车身焊接分总成出现超差时，工艺人员才能容易地对夹具、冲模的各环节进行协调

修正。

-23-

（论文）

根据夹具中各部分所起的作用不同，其制造精度也不尽相同。定位部

件应有较高的制造精度；夹紧部件、底座则应有足够的强度和刚度。

故在设计中所选用的定位导向板、支承板、定位销等部件制造精度的

要求较高，而设计的底板、角支座均有较高的强度和刚度。

在本夹具设计过程，定位销位置精度要求控制在±0.02mm以内，定

位销表面淬火处理，硬度HRC40〜45。定位型面、底座等位置精度

控制在±0.02mm,定位板、压头厚度不小于19mm,挡块表面需要

热处理，硬度HRC40~45o

3.3夹具设计中部件的自由度限制原则

在设计车身装焊夹具时，设计宗旨就是限制6个方向运动的自由度，

这种限制不仅依靠夹具的定位夹紧装置，而且依靠制件之间的相互

制约关系。因此，只有正确认识薄板冲压件产生的形变和回弹等装焊

生产的特点，同时又正确理解了同位法则定位方法，才能设计出合理

装焊夹具。同位法则定位方法的原理就是总是能够使零件放置到夹具

上的同一位置。那么，针对车身零件特点，从定位原则看，首先要使

零件在夹具上固定，可采用定位销和定位面的形式，限制其6个自由

度。支承对懑板来说是必不可少的，可消除由于工件受夹紧力作用而

引起的变形。合理的过定位使零件消除变形和回弹，保证定位更稳

定。对于过定位产生装配位置上的干涉，只要在调整夹具时认真修磨

支承面，其过定位引起的不良后果是可以控制在允许范围内的［刀。

3.4定位销、定位块三维可调原则

-24-

（论文）

微型车前围总成零件的外形尺寸大，定位元件及央紧压头形状复杂，制造难度大,

很难做成整体结构，是由一个个部装、定位板、定位块及压头块构成，保证车身表面的

空间形状及车身骨骼精度，这些部装在装配时，调整工作量比较大。由于冲压零合件孔

位精度状态往往不稳定，如果将定位元件做成一个整体结构，在生产过程中存在冲压

零合件无法落料的风险，因此，在设计前围总成夹具过程中，我们要求定位销、定位块

图3.5定位元件三维可调

-25-

（论文）

第四章夹具的主要设计流程及参数

目前焊接夹具的一般设计流程

-26-

（论文）

4.2一套完整夹具包含的内容和主要的定位方式

4.2.1焊装夹具组成

-27-

（论文）

~~汽车车身焊装夹具设计属于专用夹具设计的范畴，尽管各类车身焊接夹具的结构

形式、复杂程度和零件数量不同，但按功能来分，车身焊接夹具通常由工作零件、夹紧

器、固定零件、辅助零件组成，如图所示（图4.1）

301：H支板

302：L支板

303：安装版

304：连接块

305：销座

306：定位销

307：定位块

308:定位块

309：压转臂

310：连接板

图4.1夹具零件的结构图

表4.1夹具零件的属性

组成结构信息零件信息属性值

-28-

(论文)

工作零件定位快L型、U型

压块L型、U型

定位销圆形、菱形

夹紧气缸工作行程、缸径

连杆较支点距离

夹紧器连接板安装孔间水平距离、垂直距离

压转臂安装孔间水平距离、垂直距离

限位块孔数、垂直距离

链接零件支座高度

辅助零件垫片长度、孔数、孔距、厚度

螺栓、基准销直径、长度

(1)工作零件：与车身零件直接接触的零件，是夹具的核心零件，它确定被装配薄

板件在夹具中的位置，从而保证被装配的薄板件间相互位置符合技术要求，有时还直

接确定焊接结构的外形，工作部件主要有三类：

定位块一一定位车身型面：压块一一夹紧定位面；定位销一一定位车身的孔，一

般压点的数量NW定位点的数量M,且压块与定位块是一一对应的。定位销的安装与

车身零件上孔的位置是相适应的。

(2)夹紧器：实现夹具的夹紧动作，由气缸或手动夹紧器驱动，保证定位元件与薄板

件紧密接触，同时保证薄板件在焊接时位置不会应焊接和装配受力而发生变化。根据零

件断面结构及设计要求不同，可以分为一节旋转销式、两节旋转销式和手动四连杆式二

种。

(3)固定零件：用以承装工作零件和夹紧器，或使夹具安装固定在工作台上，是夹具

安装和检验的基础。这类零件通常做成标准化结构，供设计者根据需要进行合理选用，

可以分为固定式、旋转式两种［10］。

-29-

（论文）

U

图4.2基板

（4）辅助零件：紧固连接或完成辅助功能的零件，通常是国标件和按照行业标准

设计企业标准件。

按各部分的名称来分，车身焊接夹具通常由定位块、压块、定位销、夹紧气缸、连

杆、压转臂、限位块、支座、垫片、螺栓、基准销等组成。

夹具设计中对同一零件可能有不同的结构形式，如定位销分为固定销、移动销几种,

其中移动式有旋转、直线移动等种类（图4.3）。

图43固定销、移动臂和旋转销

-30-

（论文）

4.3夹具零件目前的行业标准化建库

为适应汽车改型快、研制周期短的发展要求，在进行夹具的具体结构设计

时应尽可能多的采用标准化元件。在焊装生产线的设计中，大量系列化的

标准件的使用，可极大缩短生产线的设计与制造周期。

4.3.1基板

基板一般由槽钢与钢板焊接而成，槽钢多采用10#、12#、14#、16#、20#、25b#

等，钢板厚度多采用t=20mm或t=25mm。对于小夹具或滑台等可采用t=3（）-4（）mm的

钢板焊接而成，对于总拼接夹具以及顶盖焊装夹具，其滑台及支架可采用矩形方管与

钢板焊接而成。基板的设计尺寸应充分考虑加工工艺性，以及吊装、运输等方便性。

对于本套夹具基板只需要加工顶底两面，宽度不得大了2000imn,能够运输的最大宽

度。（图4.4）

图4.4基板示意图

4.3.2L板及H腿

L板是固定在基板或H腿上的，用以连接支板、夹紧臂及定位块等专用支座。其高度自

100mm至500mm之间，每个50mm划为2类9种规格，已形成标准。（图4.5）

-31

（论文）

图4.5工件与基板面尺寸较大时需要在L支板与基板之间使用H腿

4.3.3安装板工艺要求

安装板大部份都为非标准件，其本身并不直接定位工件，板的材料一般使用Q235A,

依据合同及技术协议其厚度分为16mm及19mm两种规格。为了方便气缸的摆动以及防止

与气缸碰撞其吊耳处应适当去除。（图4.6）

-32-

（论文）

4.3.4定位块及压头标准

定位块毛配已经成为标准件，常用的高度可以划分为三种规格50mm、70mm、90mm,

（但根据车身零件的不同可以调整），宽度己经形成标准可以化为两准规格16mm、

19mm。材料常常采用45#使用数控加工，表面发蓝。表面加工成型后表面高频淬火

HRC38-42o（图4.7）

1AI.秋HRC珈12

2QC*工

图4.7定位块

4.3.5夹紧臂

在普通加紧单元中夹紧臂夹紧力不得小于300、当夹紧单元为双级夹紧臂时，第一

级气缸直径为63mm，第二级汽缸直径为50mm，此外，当夹紧单元为双加紧臂且分为支板

和夹紧臂时，支板侧汽缸直径为63mm,夹紧臂侧气缸直径为50mm。（04.8）

图4.8压臂

-33-

（论文）

4.3.6垫片

垫片一般与定位块配合使用，因为UG设计中所有设计都为理想状态，夹具的零件

在机加工中会出现误差，安装中也会出现误差，零件在冲压过程中也会出现偏差，这些

误差都是不可避免的，所以在安装的过程中需要使用三坐标测量仪测试每个点的绝对坐

标后，通过增减垫片调整坐标误差。垫片厚度一般有两种规格t=0.5mm及匚1.0一般而言

一组垫片的厚度为3mm，有四片垫片组成（0.5+0.5+1.0+1.0=3mm）,宽度配合定位块的

尺寸，宽度分为两种规格16mm及19mm。长度垫片主要的有两种规格，长度为50mm,

25mmo垫片的加工一般采用多板料焊接后采用线切割的加工方式［10］。（图4.9）

厚度形式

3=<1+1+0.5+0.5>5=(2+1■十1+0.5+-51

图4.9垫片的标准

4.3.7定位销

定位销是定位车身部件的重要方式，一般定位销与白件的孔配合，定位销的直径一

般比工件相应孔减0.2mm-（）.5mm,形状根据工件上的空的形状，长度一般首先,呆证伸出

工件5-10mm,长度一般选取为15mm、20mm、25mm三个系列，尽量选用长度大于20的长

销。定位销的材料一般选用45#钢，前部高频淬火，硬度为HRC42-45,发黑处理，表面粗

糙度要达到0.8。定位销的安装一般要与销座配合，销座的尺寸长度根据夹具尺寸的需要,

宽度与定位块类似16mm,19mm。销座的使用一般要考虑到是否与工件干涉，如果遇到

干涉可以改变销座尺寸或通过倒角。（图4.10）

-34-

（论文）

图4.10销与销座

4.3.8螺钉与基准销

夹具安装中使用的螺钉一般为内六角螺钉，为了方便安装直径尽量选用统一的标

准。基准销一般选用圆柱销，长度一般大于20mm,直径为8mm。

-35-

（论文）

第五章夹具中的结构

5.1手动夹紧器——四连杆机构⑹

手动四连杆机构（图5.1a）是利用四连杆机构自锁的原理来实现对工件的夹紧，如

图5.1b所示为四连杆松开状态，通常由一限位挡块来限制AB绕A点向下继续运动下

去，此时机构打开角度最大。当推动手柄AB直至四连杆运动到图5.1c的状态，即

AB运动至垂直位置，由压杆CD的结构形式将限制AB的运动，此时压杆CD将工

件压紧，此时夹紧力最大，且机构处于自锁状态，只有对手柄施加外力产生力矩，才能

破坏机构自锁，使夹紧件松开。

5.2一节旋转销结构—摆动导杆机构

一节旋转销结构是最简单、最常用的车身焊装夹具运动机构，如图5.2所示。夹紧气缸活塞

杆的直线运动推动压转臂绕A点的旋转运动，同时气缸绕连接板上的旋转支点B点转动，其运动

机构可以简化为一摆动导杆机构。AC1B是气缸压紧状态即活塞杆伸出时的状态,AC2B是气缸打

开状态即活塞杆缩回时的状态。当气缸缩回时,BC2沿活塞杆方向的距离为定值97,则

-36-

(论文)

图5.2•节旋转销结构及其机构简图

BC2==103.12为固定值。BC1取决于气缸的行程S,假设气缸的工作行程为S,

由于气缸压紧时需预留5mm的行程来保证气缸的输出力，则

BC1=o由于压转臂绕A点旋转，所以AC1=AC2,NC1AC2为压转臂的打开角

度。

假定NC1AC2=O,A、B之间的水平、垂直间距为X、Y,则

AC2=AC2=7(35+X)2+(97+S-Y)2

o=H-arctan2L.arctan35+X-arccos

Y97+S—丫2AC2AB

O^-arctan^-arctan35+X

Y97+S-y

(35+X)2+(97+S-y)2+(X2+y2)-1()3.1竺

arccos

2•J(35+X)2+(97+S-y)2•J(X2+y2)

-37-

（论文）

它是焊装夹具设计中要确定的一个关键变量，决定了气缸行程的选

择。它的值必须保证夹具处于打开状态时，焊接件上、下料有足够的

运动空间。夹具设计过程中，选择合适的A点位置及气缸行程，保证

夹具合理的打开角度。各点位置的优化选择已有一些优化的计算机辅

助设计，能有效地减少设计中的反复调整过程，大大提高效率。

5.3气动加紧机构及气缸的选取

本轮罩工位采用气动夹紧机构，需选择合适的气缸类型、缸径等。气动夹紧是利

用工业压缩空气为动力来夹紧工件，其夹紧力大小为：

由杠杆平衡原理有：

TAB=FBC(5.1)

下「沃P/rD2BC

1=卜・・・・=----==--(5.2)

AB4AB

式中T-夹紧力,N

P-实际使用气缸压力,Mpa

F-气缸作用力,N

D-气缸缸径,mm

图5.3气缸示意图

夹具设计中，一旦选定气缸，的比值就决定压块的夹紧力。一般应保证定位型面

对车身板件的压力在500N左右，现场压缩空气压力:0.4〜0.6MPa,一般保证在0.5MPa

以上。

对单杆双作用气缸，其理论输出力（即气缸压紧力）FOUT=，气缸缩回拉力，其中

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（论文）

D代表缸径大小，R代表杆径大小，P代表实际使用压力。

以63缸径气缸为例，使用压力为0.5MPa时，为保证对工件500N

的压力，的值应小于3,实际中这个比值在2〜3之间。

当选定气缸，确定气动夹紧机构的结构形式后，设计其它各个自制件,

选择符合功能要求外购件、标准件、国标件等，完成各单元的设计和

优化。各组件在设计中必须装配在一起，并能进行运动仿真，这样才

能发现结构在静态、动态状态下的存在问题。

5.5焊接拼台的管路机构

5.5.1确定拼台管道类型

拼台气路管道的类型有硬管和软管两种。

（1）软管：主气路和各回路采用外径12mm的软管，气缸与回路连接的气管采

用外径8mm的阻燃气管，以防止飞溅的焊渣烧穿气管，引起漏气。

（2）硬管：一般主气路和各回路采用的是镀锌三分管，外径20.5mni左

右，有时主气路根据用户或气压要求可以用镀锌四分管，外径25mm左

右；

5.5.2气路原理图的没计

气路原理图的设计为主要依据是焊接工艺方案。根据工艺方案中定下的拼台上需

要焊接的零件，焊接先后次序及焊点位置等来设计气路。气路原理图在设计上必须实

现夹具的定位夹紧，能满足拼台焊接的需求。安全性也是气路原理图设计的一个重要

环节，有顶升机构的拼台必须设计有效的安全回路，保证在所有的夹紧气缸都打开，

所有的活动销都缩回后，顶升机构才能顶起举升零件。

气路原理图设计有如下几个步骤：

（I）确定回路组数：根据产品的焊接要求及焊接次序等条件，确定拼台上需要分

开控制的气路总数，也就是回路气管的组数。回路组数越少越好，这样操作筒单，容

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（论文）

易控制。

（2）确定控制阀：每组回路气管由一个控制阀控制，控制阀的类型

根据产品焊接及其定位要求来确定。一般控制阀均采用三位四通手动

阀，也有特殊情况下（小的散件焊接，需单独控制，回路中气缸数少

的情况），采用小型控制阀控制，如二位五通手拉阀.

（3）确定管路类型：根据用户要求和拼台上设计的夹具布置情况，确

定所用气管类型。主要有硬管和软管两种类型。硬管类型除了气缸与

各回路连接的分气路所用到的是进口软管外，其余的管路均为硬管；

软管类型所用到的气管均是进口或国产的软管。

（4）设计安全回路：拼台上有顶升机构或者夹具的操作顺序影响到

安全的，必须设计安全回路，确保工人误操作时的人身安全。有顶升

机构，则应保证所有夹紧气缸打开，所有的活动销均缩回，顶升机构

才能顶起，否则顶升机构的控制阀无效；在有夹具打开或夹紧的先后

顺序影响到操作时，后动作的夹具必在先动作的夹具动作完成后才

能开始［11］。

5.6前围夹具的总成图及工作过程

5.6.1前围分总成夹具总成图及工作过程

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(论文)

零住6,零件5.,一零件1」零件2」零件3.,零件4