白車身夾持點(diǎn)新型定位方式的研究

李聰 姜峰 安南 張博

摘 要：為節(jié)約成本，減少專用焊裝夾具的數(shù)量與工作人員的數(shù)量，同時(shí)又不影響汽車焊裝質(zhì)量，本文對(duì)汽車沖壓覆蓋件及焊裝夾具進(jìn)行分析，提出采用“可供定位區(qū)域的選擇”與“N-2-1”定位方式相結(jié)合的新型定位方法。該方法打破了以往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定位夾點(diǎn)的局限性，使夾點(diǎn)的定位更加方便準(zhǔn)確，進(jìn)而發(fā)揮夾具的最大利用率。

關(guān)鍵詞：汽車沖壓件；焊裝夾具；夾持點(diǎn)；定位方式

中圖分類號(hào)：U463.82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）17-0103-03

Research on the New Positioning Mode of Auto-body

Panels Holding Point in Auto-body Panels

LI Cong JIANG Feng AN Nan ZHANG Bo

Abstract： In order to save cost， reduce the number of special welding fixtures and the number of staff， and at the same time， it does not affect the quality of automobile welding. In this paper， the automobile stamping parts and welding fixtures were analyzed， and a new positioning method was put forward by using "the selection of the available location area" and the "N-2-1" positioning mode. This method broke the limitations of past pinch points based on experience， made pinch location more convenient and accurate， and thus maximizing the utilization rate of fixture.

Keywords： automobile stamping parts；welding fixture；clamping point；positioning method

隨著時(shí)代的高速發(fā)展，汽車也不斷更新?lián)Q代。眾所周知，車身制造質(zhì)量會(huì)影響整車的質(zhì)量。汽車車身是一個(gè)復(fù)雜的殼體結(jié)構(gòu)件，其是由數(shù)百種薄板沖壓件經(jīng)焊接、鉚接和機(jī)械連接等方法組合而成的。其中，焊接是最主要的組合方式，且焊裝夾具對(duì)汽車覆蓋件的焊接制造最為重要。在車身焊接過(guò)程中，焊裝夾具（見(jiàn)圖1）是為保證焊件尺寸，提高裝配效率及裝配精度，防止焊接變形所采用的工藝裝備。白車身的焊接生產(chǎn)制造成本約占汽車車身生產(chǎn)總成本的50%～60%，因此，汽車焊裝過(guò)程中保障焊接質(zhì)量和降低成本是當(dāng)前焊裝的首要任務(wù)。為此，本文提出白車身新型夾點(diǎn)定位方法，以解決焊接過(guò)程中的難題。該方法的關(guān)鍵在于：①焊接件可供定位區(qū)域的選??；②N-2-1定位點(diǎn)確定；③保證剛度和尺寸精度的要求。

1 主焊接件可供定位區(qū)域的選擇

以汽車門板為例，介紹沖壓件上可定位區(qū)域的選

擇。首先，汽車門板焊裝由車門內(nèi)板、內(nèi)板加強(qiáng)板及車門外板組成。因此，焊接該車門時(shí)，需要專用焊裝夾具來(lái)定位并固定該車門板沖壓件。該車門內(nèi)板與內(nèi)板加強(qiáng)板的焊裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。圖中所示1、2、3部位為內(nèi)板加強(qiáng)板零件，這三個(gè)位置的內(nèi)板加強(qiáng)板與主焊接件的焊裝均需要專用夾具來(lái)固定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，每?jī)蓚€(gè)小型沖壓件的重合區(qū)域至少需要一個(gè)夾具單元來(lái)固定、定位，而對(duì)于大型沖壓件與主焊接件焊接則需要3～4個(gè)專用夾具才能固定。非重合區(qū)域的定位夾持點(diǎn)根據(jù)焊裝操作面積和N-2-1法則來(lái)確定。

當(dāng)沖壓件焊裝時(shí)，在非重合區(qū)域所需的定位夾持點(diǎn)個(gè)數(shù)主要依據(jù)焊接操作區(qū)域大小來(lái)確定。而操作區(qū)域主要指焊槍的操作面積。若車門內(nèi)板（主焊接件）可供焊接操作區(qū)域?yàn)锳，內(nèi)板加強(qiáng)板（附屬焊接件）焊接操作區(qū)域?yàn)锽1、B2、B3（見(jiàn)圖3）。當(dāng)內(nèi)板加強(qiáng)板焊接操作區(qū)域B1∩B2∩B3=Φ時(shí)，則此時(shí)車門內(nèi)板與車門內(nèi)板加強(qiáng)板的焊接夾持點(diǎn)可選區(qū)域?yàn)閇?u（B1∪B2∪B3）]。當(dāng)主焊接件為1個(gè)時(shí)，附屬焊接件為n個(gè)時(shí)，則定位點(diǎn)可供選擇區(qū)域?yàn)閇?u（B1∪B2∪…∪Bn）]。由此得出該焊接件定位點(diǎn)選擇的區(qū)域，從[?u（B1∪B2∪…∪Bn）]的區(qū)域中選取可定位的夾持點(diǎn)，這樣可使每個(gè)焊接層的沖壓件都盡可能集中到同一個(gè)工位上，達(dá)到節(jié)省夾具的目的。

2 N-2-1定位點(diǎn)確定

一個(gè)剛體的平行移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)共有6個(gè)自由度。限制其6個(gè)自由度，剛體才能保持平衡。按照N-2-1規(guī)則，保持剛體平衡狀態(tài)需要6個(gè)定位。基準(zhǔn)面分別設(shè)定2個(gè)和1個(gè)定位點(diǎn)，以限制工件剛體的旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)。由于加工載荷和工件自重所引起的變形主要集中在薄板件法線方向，因此，第一基準(zhǔn)面上采用過(guò)定位的方式，以增強(qiáng)薄板件的剛性，限制和減少焊接加工中該方向上的變形[1]；而由于加工過(guò)程中所產(chǎn)生的力一般不會(huì)作用或者較少作用在第二、第三基準(zhǔn)面上，2個(gè)和1個(gè)定位點(diǎn)一般可以避免薄板件的彎曲和翹曲。根據(jù)N-2-1原則不僅可以減少焊裝夾具夾頭的使用，還能有效減少?zèng)_壓件焊接時(shí)的變形，增強(qiáng)沖壓件的堅(jiān)硬程度。N-2-1定位原則的操作流程見(jiàn)圖4。

經(jīng)過(guò)“可供定位區(qū)域的選擇”與“N-2-1”定位方式相結(jié)合的新型定位方法，可以初步篩選出4～5組可供選擇的夾持點(diǎn)，隨后，對(duì)可供選擇區(qū)域中的夾持點(diǎn)進(jìn)行ANSYS有限元求解，根據(jù)行業(yè)規(guī)定的夾點(diǎn)力度、夾持時(shí)間與受力部位求解分析出其形變量，使用形變量最小、夾具單元較少的一組作為夾點(diǎn)的最優(yōu)選擇組。

圖5是對(duì)車門內(nèi)板加強(qiáng)板的仿真模擬受力形變分析，使用ANSYS軟件精確模擬夾具在夾緊該沖壓件時(shí)其受力等情況，根據(jù)求解分析，求出形變量，根據(jù)形變量來(lái)分析這種夾緊方式是否合適。經(jīng)ANSYS軟件分析，使用“模擬匹配沖壓件再定位夾點(diǎn)”與“N-2-1”綜合定位之后的夾點(diǎn)夾持，該沖壓件產(chǎn)生的形變量低于普通夾具夾持產(chǎn)生的形變量。

3 汽車沖壓件焊裝剛度與尺寸精度

3.1 汽車的剛度要求

汽車的安全性同樣是汽車重要的因素，因此，通過(guò)該方法得出的夾具生產(chǎn)出的汽車白車身是否滿足汽車的剛度要求也是該定位方式考量的重要指標(biāo)之一。通過(guò)分析車身結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，車身本身存在著某些零件之間的先后焊裝順序，這些關(guān)系隨著車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而產(chǎn)生，如圖6所示的汽車焊接主要有以下3類焊接層次：（外板→外板加強(qiáng)板）→（內(nèi)板→內(nèi)板加強(qiáng)板）→內(nèi)外板焊接。

該焊接順序求解的實(shí)質(zhì)是，對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)在的、隱含的裝焊優(yōu)先關(guān)系進(jìn)行分析。在保證汽車沖壓件質(zhì)量的情況下，一般遵循該幾何邏輯可行的焊裝順序[2]，即可滿足車身的剛度要求。而筆者提出的焊點(diǎn)選擇與焊裝順序優(yōu)化滿足該幾何邏輯可行焊裝順序。而這說(shuō)明該定位方案滿足汽車的剛度要求。

3.2 汽車焊接件精度要求

對(duì)于汽車焊裝的精度要求，主要從2個(gè)方面進(jìn)行考慮，即沖壓件存在誤差和焊裝系統(tǒng)存在誤差。其中，沖壓件存在的誤差一般無(wú)法掌控，只能從焊裝系統(tǒng)著手考慮[3-5]。在焊裝時(shí)，零件的變形是彈性范圍內(nèi)的小變形，在簡(jiǎn)單估計(jì)部件誤差時(shí)，通常認(rèn)為各種誤差的影響權(quán)重均衡。焊接后，部件的回彈量是由焊前剛度矩陣、焊后剛度矩陣和焊前沖壓件誤差3者共同決定的。在車身焊裝過(guò)程中，剛度矩陣是一個(gè)不斷變化的過(guò)程，因此焊裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)件的尺寸精度也是不斷變化的。由此可以得出，科學(xué)地設(shè)計(jì)裝焊順序可以使車身制造精度得到有效保證。

根據(jù)圖7中焊接層次對(duì)車的剛度與尺寸精度的影響，筆者得出，車身的剛度與尺寸精度在焊接順序中只與焊接層次有關(guān)，與分層次的焊接順序無(wú)關(guān)。又因?yàn)椤翱晒┒ㄎ粎^(qū)域的選擇”與“N-2-1”定位方式相結(jié)合的新型定位方法不改變焊接層次[6]，因此，可得出筆者提出的方案對(duì)車身的剛度與尺寸精度無(wú)影響。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車在進(jìn)行車身焊裝時(shí)，夾點(diǎn)的定位方式若變?yōu)椤跋冗x擇可供定位的區(qū)域再進(jìn)行夾點(diǎn)的選取”，可以大大加強(qiáng)定位的準(zhǔn)確性，減少了焊裝專用夾具夾頭的生產(chǎn)數(shù)量，節(jié)約了工位焊裝時(shí)間，又保證了車身的剛度與尺寸精度，而后進(jìn)行的工步順序操作，更是將夾具作用發(fā)揮得淋漓盡致。以本文論述的操作方式進(jìn)行焊接，可以大大減少專用夾具的數(shù)量，對(duì)研究組進(jìn)行夾具重組快裝的研究具有重要意義，對(duì)汽車的發(fā)展也是一大助力。

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