农业机械学报

第33卷第5期

车身焊装夹具设计方法的研究3

雷玉成　王存堂　韩向东　周孔亢

　　【摘要】　论述了车身焊装夹具的设计方法以及焊装夹具柔性化方案设计和柔性化夹具的评价。车身焊装夹具与车身产品并行设计的方法和利用基于夹具库的夹具方案设计可以提高夹具的设计效率,缩短夹具设计制造的周期,降低设计成本,提高产品焊接质量。对焊装夹具设计方案进行评价,提高了夹具设计的合理性。

叙词:车身　焊装夹具　设计　方法中图分类号:T G 431

文献标识码:A

The Study on D esign Procedures of W eld i ng J igs of Autom ob ile Body

L ei Yucheng 　W ang Cun tang 　H an X iangdong 　Zhou Kongkang

(J iang su U n iversity )

Abstract

T h is p ap er discu ssed the con structi on featu re and design m ethod of w elding jigs on an au tom ob ile body ,and dealed w ith the design schem e of flex ib le w elding jigs and the assess m en t of the jigs flex ib ility .

It w as indicated that by concu rren t design ing the w elding jigs and the

au tom ob ile body ,the rati onality of design ing jigs cou ld be increased ,design co st cou ld be reduced and the w elding quality of p roducts cou ld be i m p roved .U sing the design of flex ib le w elding jigs based on jigbase ,the efficiency of design ing jigs w as i m p roved and the cycle of design ing and m anufactu ring jigs is sho rtened .T he rati onalizati on of w elding jigs w as i m p roved by exp erience assessing and fuzzy assessing design schem e of w elding jigs .

Key words 　A u tom ob ile body ,W elding jig ,D esign ,M ethods

收稿日期:20010726

3江苏省产学研资助项目(项目编号:JW C 97001)

雷玉成　江苏大学材料学院　副教授,212013　镇江市王存堂　江苏大学机械工程学院　教授韩向东　江苏大学机械工程学院　教授

周孔亢　江苏大学汽车学院　教授　博士生导师

　　前言

车身是具有复杂型面的壳体零件,为了改善产品质量、缩短产品投放市场的时间,必须将设计与制造联系在一起,使设计人员能够参加实现他们设计决策的制造活动,同时也使制造人员能够按照设计人员的意图进行生产[1,2]。

焊装夹具的技术水平往往代表着工艺水平。在现代制造业中,夹具已成为保证产品质量、实行全面质量管理的重要手段,在新产品的研制过程中,夹具对缩短研制周期起着重要作用。夹具的标准化、精密化和柔性化是夹具发展的主要趋势,也是实现产品

更新换代和老产品改造的需要[3,4]。

1　焊装夹具设计与车身产品设计并行

车身产品设计可分为功能设计、结构设计和详细设计3个阶段。功能设计阶段是对车身产品所要完成的功能进行分析,确定实现功能的方案。在这个阶段,车身产品已具有了雏形,可以获得有关零件的基本形状和尺寸范围、结构复杂程度等相关信息。夹具工艺师可以根据这些信息回答该零件是否需要夹具、所需夹具类型、现有夹具能否满足其加工需求等问题。在此基础上初步估算夹具的准备时间和费用,以及在该产品零件的制造过程中可能受到的有关装

夹的约束,并将此信息反馈给车身产品设计,以此进行结构或功能修改设计。

结构设计阶段能够确定出车身和车身零件的结构形式和结构尺寸,使产品达到基本定型。有关车身产品结构设计的信息可以预先发布给夹具设计人员,提早进行装夹规划、装夹方案设计、夹具结构设计和夹具制造的初期准备工作。从而减少因等待夹具而延误产品制造的时间。由于结构设计并不是产品设计的最终阶段,这时夹具的一些具体参数如精度要求等,可以待产品详细设计完成后确定。详细设计阶段要求确定零件各特征的精度,确定精度既要根据产品的功能要求,又要根据现有的加工和装夹水平。对于夹具设计来说,最重要的是设计基准的精度,设计基准作为加工基准直接影响到零件在夹具中的定位精度。夹具设计基准应与被装配结构的设计基准一致;有装配关系的相邻结构的不同焊装夹具应选择同一设计基准;由车身总成分解出的部件、组合件应尽量与总成夹具设计基准相同。

采用焊装夹具与车身产品并行设计的工作方式,可以使产品设计人员与夹具设计人员及时进行信息交换,使产品设计和夹具设计更为合理,更为高效,也是保证产品设计与制造高质量、低成本、短周期的有效手段。图1为夹具与产品并行设计的系统框图。

图1夹具与产品并行设计的系统框图

装夹工艺夹具库制造资源库

装夹规划库夹具元件库夹具误差分析夹具结构分析夹具设计

装夹规划装夹性能评价装夹方案评价产品设计结构设计详细设计

功能设计2　夹具定位及夹紧元件设计

焊装夹具的定位基准应优先选择平面或组装基准面,尽量利用零件上的工艺孔(或面)作为定位基准。

211　定位销的设计

定位销的直径应略小于工件上的孔径,其位置精度为±011mm ,尺寸公差为0～-011mm ,这样才能保证工件的孔定位精度。在车身焊装过程中,若销的固定位置妨碍了工件的装卸,就必须将销设计成移动式结构。如在自动化程度不高的手工操作中,

设计成结构简单、实用方便的活动销;在大批量、自动化生产线上可设计成以气缸为动力源的移动销结构。

212　定位板的设计

由于冲压件外形复杂,在焊装过程中与定位板相接触,这就决定了定位面形状复杂。为了使元件的制造和调整方便,可将定位板和本体分别设计,从而减小定位板尺寸,避免整体加工。定位板上的定位面形状取决于与其相接触的冲压件的CAD 数据,在制造过程中,为保证定位面的形状、尺寸精度,应采用数控加工或靠模加工。若冲压件断面形状庞大,同一方向上有两个或两个以上位置需要定位时,为便于装配时的调整,应考虑将定位板设计成分离式结构。

213　夹紧元件设计

夹紧机构根据需要可以采用气动和手动两种。夹紧时不应破坏零件的确定位置。夹紧件与冲压件接触部分的形状由该位置冲压件的CAD 数据决定。夹紧件设计过程中必须充分考虑到其打开状态的宽敞度,以便于焊件的装卸及工人的操作,同时还要注意相邻夹具的干涉问题。

夹紧件的结构设计形式不同,其运动的轨迹也不相同。在保证正常工作的情况下,尽量使其结构简单化和统一化。当冲压件断面形状复杂,在水平和垂直方向需要同时定位和夹紧时,为防止夹紧元件在打开过程中与零件发生干涉,可将夹紧结构设计成两节销形式,此时定位板上有限位结构。

3　夹具柔性化方案设计

夹具方案设计分为4个阶段:定位方案设计、夹

图2夹具方案设计夹具空间布置辅助元件选择

夹紧方案设计夹紧元件选择夹紧力校核定位方案设计定位元件选择定位误差分析紧方案设计、辅助元件选择、夹具空间布置设计,如

图2所示。决策过程应进行反复迭代,直到在限定条件下达到最优设计为止。

由于夹具方案设计经

验性很强,其中要考虑的问题很多,而且没有固定的规律可循,因此,采用基于实例推理的夹具方案专家系

统来进行夹具设计。夹具方案设计的推理决策过程就是依据零件信息和工序信息,选择和运用知识库中的知识,包括大量的设计经验,这种推理方法可以省去大量的知识获取与表达工作,使推理更为有效。这种方法更加符合设计专家的思维过程,设计专家在设计过程中总是考虑到以前的设计实例,找出相

201农　业　机　械　学　报2002年　

似的方案进行改进,以获得新的设计方案。

基于实例的推理过程如下:

(1)提出问题:用户输入待加工零件的几何特征信息与工艺特征信息。

(2)提取实例:根据输入信息从实例库(夹具库)中提取相似的实例。

(3)实例的评判与优选:当有多个实例与需求相匹配时,宜通过模糊优选的方法对其进行评判与优选。

(4)基于需求修改实例:根据设计的要求、经验等知识对实例进行修改,以满足实际需求,并可获得新的实例。

4　柔性焊装夹具设计方案的评价

由于设计结果往往不止一个,当一个柔性夹具设计方案产生之后,应该对其进行分析和评价,以确

保设计的合理性,图3为柔性夹具设计的分析与评价目标。

基于图3所示的评价目标,对柔性夹具设计方案综合评价时,所采用的评价函数为综合加权函数,其函数为

Q s =

∑n

i =1

W

i

Q i

(1)

式中　Q s ——加权综合评价值

W i ——第i 个评价指标的权重

Q i ——第i 个指标的评价值

图3柔性夹具分析评价目标框图

柔性夹具综合评价

功能满足情况

可制造性

柔性度可装配性总重量、总体尺寸

辅助机构柔性度满足情况

夹紧机构柔性度满足情况定位机构柔性度满足情况

制造成本

制造时间非标准夹具元件可加工性

夹具元件标准化程度

刚度满足情况强度满足情况装夹精度满足情况

装夹可靠性装夹可靠性的评价依据为:零件能否被可靠地夹紧,在焊接时夹具能否防止零件产生变形;夹具结构的开敞性、焊钳的可达性、夹具上各种器件的干涉性、工件装上或卸下的方便性等。装夹精度满足情况

的评价依据为:夹具的加工精度,零件的定位方式,定位件的加工精度、刚度和耐磨性,定位件之间的间距,定位件能使焊件伸缩的余地等。强度和刚度满足情况的评价依据为:夹具的材料和结构形式,夹具设计时的计算结果,夹具承受重力和因焊件变形所引起的各个方向的力的情况等。可装配性的评价依据为:零件的质量,装配力的大小,装配时间,配合精度等级和公差值的大小等。这些评价目标的评价值的确定方法为:①单因素定量经验评价,即根据专家经验进行评价,采用定量分级(0—1)处理。②单因素模糊评价,即通过模糊集函数进行模糊评价。

夹具元件标准化程度的评价值可用其占夹具元件数量的百分比代替。非标准夹具元件的可加工性也可通过经验或模糊评价来确定。制造时间、制造成本、总体重量和尺寸的评价值均可定量确定。从图3可以看出,夹具的柔性度由定位机构的柔性度、夹紧机构的柔性度和辅助机构的柔性度组成,因为这3种柔性度的计算方法类似,故在此仅对定位机构柔性度的计算方法作一详细论述。

定位机构柔性度是指在满足工件定位要求的情况下,定位区间间距与夹具的最大定位范围之比,即

G =

∃D D m ax

=D m ax -D m in

D m ax

(2)式中　G ——定位机构的柔性度

∃D ——定位区间间距D m ax ——最大定位范围

D m in ——最小定位范围

如果定位机构的柔性度G 愈大,就说明该夹具定位机构愈能适应定位尺寸在更大范围内变化的零件定位要求。

当获得不同柔性夹具设计方案的评价值后,可根据下式确定最优设计方案

O p t =m ax (Q s )

(3)5　结束语

采用车身焊装夹具设计与产品设计并行的设计

方式,缩短了设计周期,降低了成本,保证了产品设计与制造的高质量。利用计算机辅助设计软件建立焊装夹具数据库和公用件系列数据库,在具体设计中根据结构形式合理选用,并依据冲压件断面形状尺寸确定定位面及夹紧面的加工数据,使设计和制造过程大大简化。由于车型较多,利用基于夹具库和实例推理进行柔性夹具的方案设计,加快了设计的速度,通过对焊装夹具设计方案的评价,提高了设计的合理性。

3

01　第5期雷玉成等:车身焊装夹具设计方法的研究

1　杨握铨编著.汽车装焊技术及夹具设计.北京:北京理工大学出版社,1997.

2　X i ong Y L.T he theo ry and m ethodo logy fo r concu rren t design and p lann ing of reconfigu rati on fix tu re.P roc.IEEE In t.Conf.on Robo tics and A u tom ati on,1993.305～311

3　Rong Y M,Bai Y.M odu lar fix tu re elem en t modeling and assem b ly relati on sh i p analysis fo r au tom ated fix tu re configu rati on design.Special Issue on R ap id P ro to typ ing&R everse Engr.J.of Engr.D esign and A u tom ati on, 1995.805～816

4　王元勋,曹彪,鲁力维等,汽车焊装线夹具CAD及标准化探讨.汽车工艺与材料,1999(6):28～30

(上接第95页)

的结果,而材料屈服强度Ρs随晶粒直径的减小而增大。故齿轮激光淬火后能获得的细化晶粒可提高齿面的屈服强度,减少裂纹的形核机会。由于晶粒细化而使晶界增多,从而可增大裂纹扩展的阻力。因此激光淬火所得到的细晶马氏体可有效地防止裂纹萌生和扩展,从而改善淬火齿轮的接触疲劳性能。

激光淬火所获得的硬化层深度方向的硬度分布几乎无变化梯度,这对于提高零件的耐磨损寿命具有特别重要的意义。因为硬度值越高,耐磨性越好,零件工作寿命越长。常规热处理硬化层的硬度分布从表面到内部有明显的硬度下降梯度,表面硬度最高,耐磨性最好,但随着零件正常工作时的相对运动,表面将逐层被磨去,其相对运动接触面的硬度值逐渐随之降低,磨损随之加剧,最终导致零件因磨损量过大而失效。而激光淬火的硬化层的硬度值几乎一样,随着零件正常相对接触摩擦运动,表面虽被磨

去,但新的相对运动接触面的硬度值并未下降,耐磨性仍然很好,因而不会发生磨损随之加剧的现象,故大大提高了齿轮零件的耐磨性能。

4　结论

(1)采用快速轴流CO2激光器进行20C r M nT i 齿轮的激光淬火,获得硬度为HRC61,硬化层深约为016mm的硬化带,并获得较好的沿齿廓分布的“月牙形”的硬化带形状。

(2)激光淬火技术能有效提高齿轮的使用寿命,其机理是齿轮经激光淬火后的表面组织为细针状马氏体,以及硬化层深的硬度分布几乎无变化梯度。

(3)激光淬火解决了常规齿轮渗碳工艺中存在的变形难题,这不仅省去了后面的磨齿工艺,而且提高了成品率,从而降低了成本,在生产中具有广阔的应用前景。

参考文献

1　周建忠,张永康,杨继昌等.齿轮激光淬火技术替代常规渗碳工艺.江苏理工大学学报,2000,21(2):39～43

2　周建忠,花银群,张永康等.球铁曲轴激光淬火强化技术研究.农业机械学报,2001,32(3):109～112

3　张宏,陆博良,张树人等.标准直齿圆柱齿轮表面应用单激光束的处理方法.中国机械工程,1996,7(2):23～25

4　马国星,赵国珊.齿面激光淬火性能试验研究.北京理工大学学报,1991,11(1):61～67

5　Sub rata Bhattachary,Seam an F D.L aser heat treatm en t fo r gear app licati on.IIT R esearch In stitu te,Ch icago,Illino is 60616,1986.

6　Jam es F,L ew is.L aser harden of sp lines on long shafts.SP IE,1988(10):624～629

7　R eed R C,Shen Z,Rob in son J M,etc.L aser tran sfo rm ati on harden ing of steel:effects of beam mode,beam size and compo siti on.M aterials Science and T echno logy,1999,15(1):109～118

401农　业　机　械　学　报2002年　下载本文