白車身夾持點新型定位方式的研究

李聰 姜峰 安南 張博

摘 要：為節約成本，減少專用焊裝夾具的數量與工作人員的數量，同時又不影響汽車焊裝質量，本文對汽車沖壓覆蓋件及焊裝夾具進行分析，提出采用“可供定位區域的選擇”與“N-2-1”定位方式相結合的新型定位方法。該方法打破了以往根據經驗定位夾點的局限性，使夾點的定位更加方便準確，進而發揮夾具的最大利用率。

關鍵詞：汽車沖壓件；焊裝夾具；夾持點；定位方式

中圖分類號：U463.82 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著時代的高速發展，汽車也不斷更新換代。眾所周知，車身制造質量會影響整車的質量。汽車車身是一個復雜的殼體結構件，其是由數百種薄板沖壓件經焊接、鉚接和機械連接等方法組合而成的。其中，焊接是最主要的組合方式，且焊裝夾具對汽車覆蓋件的焊接制造最為重要。在車身焊接過程中，焊裝夾具（見圖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。白車身的焊接生產制造成本約占汽車車身生產總成本的50%～60%，因此，汽車焊裝過程中保障焊接質量和降低成本是當前焊裝的首要任務。為此，本文提出白車身新型夾點定位方法，以解決焊接過程中的難題。該方法的關鍵在于：①焊接件可供定位區域的選取；②N-2-1定位點確定；③保證剛度和尺寸精度的要求。

1 主焊接件可供定位區域的選擇

以汽車門板為例，介紹沖壓件上可定位區域的選

擇。首先，汽車門板焊裝由車門內板、內板加強板及車門外板組成。因此，焊接該車門時，需要專用焊裝夾具來定位并固定該車門板沖壓件。該車門內板與內板加強板的焊裝結構見圖2。圖中所示1、2、3部位為內板加強板零件，這三個位置的內板加強板與主焊接件的焊裝均需要專用夾具來固定。根據經驗可知，每兩個小型沖壓件的重合區域至少需要一個夾具單元來固定、定位，而對于大型沖壓件與主焊接件焊接則需要3～4個專用夾具才能固定。非重合區域的定位夾持點根據焊裝操作面積和N-2-1法則來確定。

當沖壓件焊裝時，在非重合區域所需的定位夾持點個數主要依據焊接操作區域大小來確定。而操作區域主要指焊槍的操作面積。若車門內板（主焊接件）可供焊接操作區域為A，內板加強板（附屬焊接件）焊接操作區域為B1、B2、B3（見圖3）。當內板加強板焊接操作區域B1∩B2∩B3=Φ時，則此時車門內板與車門內板加強板的焊接夾持點可選區域為[?u（B1∪B2∪B3）]。當主焊接件為1個時，附屬焊接件為n個時，則定位點可供選擇區域為[?u（B1∪B2∪…∪Bn）]。由此得出該焊接件定位點選擇的區域，從[?u（B1∪B2∪…∪Bn）]的區域中選取可定位的夾持點，這樣可使每個焊接層的沖壓件都盡可能集中到同一個工位上，達到節省夾具的目的。

2 N-2-1定位點確定

一個剛體的平行移動和轉動共有6個自由度。限制其6個自由度，剛體才能保持平衡。按照N-2-1規則，保持剛體平衡狀態需要6個定位。基準面分別設定2個和1個定位點，以限制工件剛體的旋轉與移動。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，第一基準面上采用過定位的方式，以增強薄板件的剛性，限制和減少焊接加工中該方向上的變形[1]；而由于加工過程中所產生的力一般不會作用或者較少作用在第二、第三基準面上，2個和1個定位點一般可以避免薄板件的彎曲和翹曲。根據N-2-1原則不僅可以減少焊裝夾具夾頭的使用，還能有效減少沖壓件焊接時的變形，增強沖壓件的堅硬程度。N-2-1定位原則的操作流程見圖4。

經過“可供定位區域的選擇”與“N-2-1”定位方式相結合的新型定位方法，可以初步篩選出4～5組可供選擇的夾持點，隨后，對可供選擇區域中的夾持點進行ANSYS有限元求解，根據行業規定的夾點力度、夾持時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的最優選擇組。

圖5是對車門內板加強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其受力等情況，根據求解分析，求出形變量，根據形變量來分析這種夾緊方式是否合適。經ANSYS軟件分析，使用“模擬匹配沖壓件再定位夾點”與“N-2-1”綜合定位之后的夾點夾持，該沖壓件產生的形變量低于普通夾具夾持產生的形變量。

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，通過該方法得出的夾具生產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之一。通過分析車身結構發現，車身本身存在著某些零件之間的先后焊裝順序，這些關系隨著車身結構設計而產生，如圖6所示的汽車焊接主要有以下3類焊接層次：（外板→外板加強板）→（內板→內板加強板）→內外板焊接。

該焊接順序求解的實質是，對車身結構設計內在的、隱含的裝焊優先關系進行分析。在保證汽車沖壓件質量的情況下，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。而筆者提出的焊點選擇與焊裝順序優化滿足該幾何邏輯可行焊裝順序。而這說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

對于汽車焊裝的精度要求，主要從2個方面進行考慮，即沖壓件存在誤差和焊裝系統存在誤差。其中，沖壓件存在的誤差一般無法掌控，只能從焊裝系統著手考慮[3-5]。在焊裝時，零件的變形是彈性范圍內的小變形，在簡單估計部件誤差時，通常認為各種誤差的影響權重均衡。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。在車身焊裝過程中，剛度矩陣是一個不斷變化的過程，因此焊裝過程中結構件的尺寸精度也是不斷變化的。由此可以得出，科學地設計裝焊順序可以使車身制造精度得到有效保證。

根據圖7中焊接層次對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，與分層次的焊接順序無關。又因為“可供定位區域的選擇”與“N-2-1”定位方式相結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車身的剛度與尺寸精度無影響。

4 結語

汽車在進行車身焊裝時，夾點的定位方式若變為“先選擇可供定位的區域再進行夾點的選取”，可以大大加強定位的準確性，減少了焊裝專用夾具夾頭的生產數量，節約了工位焊裝時間，又保證了車身的剛度與尺寸精度，而后進行的工步順序操作，更是將夾具作用發揮得淋漓盡致。以本文論述的操作方式進行焊接，可以大大減少專用夾具的數量，對研究組進行夾具重組快裝的研究具有重要意義，對汽車的發展也是一大助力。

參考文獻：

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[6]郭三愛.不同焊接順序的汽車用S355J2G3鋼工字梁焊接結構變形和殘余應力的有限元預測[J].熱加工工藝，2013（9）：192-195.