焊接工装设计方案论证报告概要.docx
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焊接工装设计方案论证报告概要
机电工程学院
毕业设计方案
论证报告
设计题目:
A车型后尾板及前立柱焊接总成焊接工装设计
学生姓名：
孙超
学号：
201315910131
专业班级：
材控F1305
指导教师：
张世兴
2017年3月31日
目录
1课题任务3
2制件分析4
2.1结构分析4
2.2工艺性分析5
3文献综述6
3.1夹具定位基本原理6
3.2焊装夹具组成6
3.3汽车焊接工装的作用和特点7
3.4汽车焊接工装的发展背景7
4方案论证10
4.1夹具定位方式分析10
4.1.1定位方式一10
4.1.2定位方式二11
4.1.3定位方式三11
4.2焊接夹具动力源选择12
4.3装夹顺序分析13
4.4夹具其他结构的选择13
5技术经济性分析14
结论14
参考文献14
1课题任务
本课题以郑州日产汽车有限公司P11型汽车前立柱总成设计为基础，对车身装配过程中装夹定位部分进行论证分析。
任务要求如下
1）对于前立柱总成（包括各待焊零件），进行焊接工艺分析，编制出三种以上的焊接成形工艺路线，进行焊接工艺方案论证，确定最优焊接方案。
2）根据选定的最优焊接方案，借助于SolidWoks软件或其它软件设计出相应的焊接工装，包括总装配图和主要的零件图；画出相应的控制图。
3）设计过程中，强化综合能力的培养，包括：
通过各种途径查找相关参考资料的能力；熟练运用设计手册、参考文献等的能力；运用外文资料的能力；分析问题、解决问题的能力；熟练运用计算机进行辅助设计和编辑电子文档的能力，等等。
2制件分析
2.1结构分析
总成及零件如图2-1所示
前立柱下铰链支座
左下铰链板总成
前翼子板支架支座
前立柱下部外板
前立柱外板凸缘
限位杆支座总成
前立柱内板和侧围板
前立柱上铰链支座
前立柱上部外板
图2-1前立柱总成零件图
该制件由前立柱上部外板，前立柱上铰链支座，限位杆支座总成，前立柱下铰链支座，左下铰链板总成，前立柱外板凸缘，前立柱下部外板，前翼子板支架，前立柱内板和侧围板九个部件，通过点焊的方法焊接而成。
2.2工艺性分析
制件及材质见表2-1
表2-1前内柱总成零件表
序号
零件名称
板厚
材质
1
前立柱上部外板总成L
0.8
2
前立柱上铰链支座总成L
0.6
SPCC
3
前立柱下部外板L
0.8
BIF340
4
前立柱外板凸缘L
1.4
ST12
5
前立柱下铰链支座L
1.4
ST13
6
下铰链板总成L
0.6
7
限位杆支座总成L
1.4
8
前翼子板支架总成L
0.6
9
前立柱内板与前侧围板合件L
1.4
制件材质性能见表2-2
表2-2相关材料性能表
材料代码
材料名称
成分
抗拉强度
屈服强度
SPCC
冷轧碳素钢
C≤0.15Mn≤0.60P≤0.100S≤0.05
270MPa
225MPa
BIF340
高强度原子钢
C≤0.008Si≤0.03Mn≤0.60P≤0.06S≤0.01
340MPa
440MPa
ST12
普通冷轧钢
C≤0.10，Mn≤0.50
P≤0.035，S≤0.035，Alta≥0.020
270-410MPa
280MPa
ST13
冲压级冷轧钢
C≤0.08，Mn≤0.45，P≤0.030，S≤0.035
270-370MPa
250MPa
焊接工艺性分析：
SPCC:
化学成分组成中C≤0.15，Mn≤0.60，P≤0.100，S≤0.05，含碳量较低，板厚为0.6，因此焊接性能良好,。
BIF340:
化学成分组成中C≤0.008，Si≤0.03，Mn≤0.60，P≤0.06，S≤0.01，含碳量极低，板厚为0.8，焊接性能优秀。
ST12:
化学成分组成C≤0.10，Mn≤0.50，P≤0.035，S≤0.035，Alta≥0.020，含碳量很低，板厚为1.4，焊接性能较好。
ST13:
化学成分组成C≤0.08，Mn≤0.45，P≤0.030，S≤0.035，含碳量很低，板厚为1.4，焊接性能良好。
3文献综述
3.1夹具定位基本原理
一个刚体在空间直角坐标系中共有六个自由度。
当这六个自由度未被限制时，该刚体在空间上的位置是不确定的。
如果想使工件的位置能按照要求确定下来，我们必须要对其自由度进行限制。
工件的定位，就是由夹具限制工件的自由度，将工件以一定的位置，按照一定的要求被确定下来。
而工件在空间具有六个自由度，因此，想要完全确定工件的位置，就必须限制这六个自由度，一般用六个正确布置的支承点就可以完全限制这六个自由度，就可以完全确定工件的位置，这就是六点定位原理。
3.2焊装夹具组成
夹具主定位点通常是由定位块，销，托点以及夹紧块来实现的。
定位方式首选孔销定位，其次行面，最后是边定位。
圆孔/圆销控制四个方向，控制两个方向的是圆孔/菱销，或者长孔/圆销，或者圆孔/双平面圆销。
半圆孔/圆销控制三个方向。
尽管车身焊接夹具结构各不相同，但是按照功能，车身焊接夹具通常由工作零件，夹具零件，固定零件和辅助零件组成。
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。
夹紧零件：
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三种。
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。
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。
3.3汽车焊接工装的作用和特点
汽车焊接工装是一种为了便于汽车焊接件组装而设计的工艺装置。
在汽车装配定位焊接时，如果不使用工装夹具，就无法保证零件的位置是否精确，从而导致各种严重后果如焊件变形等。
而在一复杂结构中，其变形有可能无法消除，进而影响到后面的装配工作，影响汽车的整体质量甚至造成产品报废。
而焊接夹具则可以保证焊接时零件之间正确的相对位置，还能减少甚至杜绝工件的焊接变形，从而保证焊接质量，降低次品率。
此外，采用焊接工装能减少车身制造当中的辅助时间，从而提高效率，降低成本。
而且还能应用数控技术进行机械化，减轻劳动强度，减少人工成本，保障生产安全。
因此，工装夹具在汽车制造方面有着极其重要的意义。
与传统的夹具一样，工装夹具结构也是由夹紧件、定位件和夹具体等元件组成，二者的工作原理也是一样的。
但是因为汽车车身结构的特殊性，其工装夹具比起传统夹具有着更高的要求。
汽车焊接构件是一个性质十分复杂且大多由薄板冲压件构成的空间曲面结构体，其刚性较小，容易变形，因此定位元件的布置也需要具有空间位置特点，定位元件通常是由几个零件组成的定位器。
因为汽车构件窗口和孔洞较多，方便起见常选择这些部位作为组合定位面。
由于汽车都是成批量生产，分散装配程度高，为保障互换性，需要保证同一构件的部件、组合件到总成的装配定位的高度一致性。
为了保证生产效率，装夹常采用快速夹紧器。
汽车车身焊接方式常采用电阻点焊和CO2气体保护焊，汽车工装夹具也必须与焊接方法相适应。
3.4汽车焊接工装的发展背景
作为汽车最重要的结构之一，汽车车身本体是由具有数百个复杂空间结构的板状冲压件焊接而成，而其中装夹定位点更是多达2000多个。
从1886年卡尔本茨发明第一台时速18km的汽车，到如今的超越高铁速度的顶级超跑，汽车在这130余年中的变化可谓是天翻地覆。
随着汽车的迅猛发展，人们对于汽车焊接工装也愈来愈加重视，焊接工装夹具也愈来愈多。
汽车焊接夹具通常由五部分组成，即支撑机构、夹紧机构、定位机构、控制机构和辅助机构。
按照夹具的动力源，可分为无驱动夹具、手动夹具、气动夹具、磁性夹具、液压夹具、真空夹具和混合式夹具；按照夹具用途，可分为装配用夹具、焊接用夹具、装配-焊接夹具、检验用夹具和其他夹具；按夹具工作范围，可分为通用夹具和专用夹具；按照夹具构造，又可分为固定式夹具、移动式夹具和悬挂式夹具。
焊接夹具结构可分为整体式结构和分体式结构两种类型。
其中整体式结构是指定位块和连接板是一体的，而分体式就是将其分开设计成两部分。
整体式高效，分体式灵活且便于再次利用，因此在技术水平较低情况下，多采用分体式结构。
随着计算机技术的日益发展，如今焊接夹具的3D设计已成为主流。
3D技术最大的优点就是其在空间的直观性，人们可以从各个角度观察，可以更好的认识到夹具的空间结构，从而便于分析产品和夹具的搭接关系和装配顺序，确定夹紧点，提高设计的转缺席和有效性，进而减少设计时间，提高生产效率。
3D模型的建立也便于在3D环境中组装夹具，比如模拟真人或者机械焊接车体。
在模拟中我们可以对其中不合理之处进行优化，这样就可以降低因为空间想象力不足带来的失误，减少返工次数，节省时间。
焊接夹具的进步不仅仅表现在技术上，其原材料也在不断地发展。
除了金属夹具外，人们陆续开发了铝合金、碳素纤维、陶瓷等材质的夹具。
新型材料更是不断涌出，如高分子材料（PPS）更能解决一些难题，比如焊接电流分流等。
如今人们对夹具要求越来越高，对材质的性能也有着相对高的标准。
出于市场多样性需要，夹具的柔化性结构愈发受人青睐。
比起普通夹具，柔化性焊接夹具系统能够适合各种不同形状的夹具零件，有着极好的通用性。
而且夹具结构简单，拼装少，误差积累少，装夹精度更高。
如今汽车市场已经近乎饱和，竞争尤为激烈，企业在不断开创新型汽车，适应社会需求的同时，改善焊接工装也势在必行。
汽车焊接工装的发展主要特点是智能化、全自动化和柔性化。
目前国外对夹具智能化研究尚不成熟，国内则还处于萌芽阶段。
而全自动化则是节省人力，降低生产成本的重要方法。
此外，还需要在原有夹具库的基础上进行改进，在保证精准度的同时，还需要节约成本。
此外，汽车焊接工装的发展主要有着以开发出一个能够自行设计焊接工装的智能化辅助工具。
目前汽车焊接工装的发展，主要是基于智能化和全自动化。
4方案论证
4.1夹具定位方式分析
使用焊装夹具的目的：
1、决定钣金件的相对空间位置；2、提供钣金件在此空间位置上的刚度，抵抗焊枪引起的位移和变形。
结合生产实际，编制了一下三种定位方式，其中黄色部分为销钉，绿色部分为压块，蓝色部分为挡块。
4.1.1定位方式一
外板和内板都采用销钉定位方式；这种方法主要是靠可拆卸的销钉和挡块起作用对零件进行定位，优点是结构简单，操作容易，但是经不起拆装，对销钉损耗大。
定位方式如图4-1所示：
图4-1销钉定位
4.1.2定位方式二
外板焊接采用销钉定位，内板焊接采用挡块定位；采用这种定位方法是因为内板部分形状较规则，挡块可以直接对其进行定位，而且挡块具有耐磨性强，更换周期长的优点。
但操作麻烦，而且挡块可能会影响焊接质量。
定位方式图4-2所示：
图4-2销钉定位（外板）和挡块定位（内板）
4.1.3定位方式三
内板采用销钉挡块定位，外板采用销钉定位；这种方法定位更加精准，但操作起来比起前两种更加复杂，拆装麻烦。
定位方式如图4-3所示：
图4-3销钉挡块定位（外板）和销钉定位（内板）
考虑到上述三种方法的优缺点，这里选择第一种全销钉式定位方式。
4.2焊接夹具动力源选择
按照动力源的分类，焊接夹具可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、，电动夹具、磁性夹具和混合式夹具夹具等。
手动夹具：
制造方便，价格便宜，但使用时的工作效率低，人工成本大。
气动夹具：
夹紧动作迅速、夹紧力稳定、操作方便，相对的费用以及维护保养较贵。
液压夹具：
结构简单，体积较小，夹紧动作平稳，不用增力机构即可直接夹紧工件，但是液压油处理不好会污染环境。
磁性夹具：
其优点是对工件焊接的加工精度影响小，但成本高昂，且电磁铁型磁性夹具耗能大。
综合考虑经济性和环保性问题，这里选择适用性比较广的气动夹具。
4.3装夹顺序分析
4.4夹具其他结构的选择
1.基座的选择
夹具基座是将夹具上的装置和元件连在一起的基础件，需要有良好的加工精度和尺寸稳定性，且应具有足够的强度和刚度。
考虑到成本问题，选用铸铁浇筑成型。
2.定位销的选择
由于定位销是属于易损件，容易产生磨损，而焊接都是分工序的，如果前序定位不准，会影响到后续的精度，误差会越来越大，影响焊件质量。
因此定位销要选择可拆卸式的，方便更换。
3.旋转机构的选择
由于该制件体积不大，工人可以直接对其焊接，故不需要对制件进行选择，所以选择固定式机构。
5技术经济性分析
该焊接工装夹具采用销钉定位方式，操作方便，单人即可完成操作。
基座制造选择铸铁，价格低廉，成本较低。
夹紧方式选择启动夹紧，没有磁性夹具那样高昂的价格，也没有液压夹具的液压油的处理问题，不但能有效夹紧工件，而且消耗小，零污染。
焊工操作起来手感舒适。
比起手动加紧，工人不需要用很大力气，施力方便，劳动强度低。
该工装夹具不仅可以满足单件或者小批量生产，也适用于大批量自动生产线。
结论
综合上述，焊接工装选择销钉定位方式，夹具动力源选择气动夹具，基座选择固定式铸铁浇筑成型，定位销钉选择可拆卸方式方便更换。
参考文献
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84-90.
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