基于UG的軟工裝夾具設(shè)計(jì)

陳余進(jìn)　潘敏　黃偉興　汪紅

摘 要：在汽車的前期開發(fā)過程中，白車身焊接是樣車開發(fā)的一個(gè)制造過程。而白車身焊接過程所需的軟工裝定位夾具，是該過程中的一個(gè)必須環(huán)節(jié)。本文主要介紹基于UG的軟工裝設(shè)計(jì)過程，以及對(duì)軟工裝定位夾具的結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)要求等進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：軟工裝夾具 設(shè)計(jì) 白車身 UG

1 引言

在每款車型量產(chǎn)之前，樣車白車身的焊接開發(fā)是必不可少的，白車身的整車合格率取決于各焊合部件總成的總拼焊接精度。而白車身的合格率和焊點(diǎn)質(zhì)量直接影響到后期的總裝裝配，試驗(yàn)認(rèn)證過程和路試質(zhì)量等。

因此，要提高白車身整車的焊接質(zhì)量及合格率，必須設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、定位精準(zhǔn)的軟工裝夾具，以便對(duì)車身部件焊接時(shí)進(jìn)行精準(zhǔn)的定位和加緊。

目前應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的的三維軟件主要有UG、Pro/E、CATIA等，本文就UG在軟工裝設(shè)計(jì)中的常用功能進(jìn)行介紹、夾具的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求進(jìn)行概述。

2 軟工裝設(shè)計(jì)中使用的UG功能

2.1 草繪設(shè)計(jì)功能，提供了多種線條繪制工具、曲線修改、曲線約束功能等，使用戶可以根據(jù)二維圖紙、轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體模型的設(shè)計(jì)過程。另外如在實(shí)體中無法直接建立的模型，也可通過草圖可以準(zhǔn)確的繪制出圖，同時(shí)需要注意草圖約束與圖層管理等。

2.2 建模功能：建模功能提供了常見基本體素的設(shè)計(jì)功能，如球體、長(zhǎng)方體、圓柱體等、錐體等;以及多種掃描特征的運(yùn)用，如拉伸、回轉(zhuǎn)、掃掠等;

2.3 實(shí)體特征功能：提供了孔特征、凸臺(tái)、腔體特征、槽特征等命令的使用;滿足多種復(fù)雜數(shù)模零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程;

2.4 同步建模功能：同步建模技術(shù)是一個(gè)能夠同時(shí)進(jìn)行幾何圖形與規(guī)則同步建模的設(shè)計(jì)方法、能快速、快捷與方便的進(jìn)行建模操作。

2.5 裝配（約束功能）：提供了自上而下和自下而上兩種裝配方法，模擬實(shí)際的機(jī)械裝配過程，利用約束將各個(gè)零件圖形裝配成一個(gè)完整的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

3 軟工裝夾具結(jié)構(gòu)組成

軟工裝夾具通常由底板、定位單元裝置、其他輔助標(biāo)準(zhǔn)件等幾大部分組成。其中不同的定位單元組成結(jié)構(gòu)會(huì)有所不同，以下對(duì)通用的部分夾具主要零件做設(shè)計(jì)要求介紹：

3.1 底板的結(jié)構(gòu)

底板根據(jù)使用需求，多數(shù)為柔性底板，可實(shí)現(xiàn)不同車型的切換，其結(jié)構(gòu)通常由夾具安裝面板（常用厚為≥25mm），中間結(jié)構(gòu)為方鋼縱橫排列結(jié)構(gòu)，下部支撐板焊接成整體框架，熱處理后精加工鉆孔而成（如圖1所示）。

底板是焊接夾具的基礎(chǔ)元件，它的精度直接影響定位機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性，因此對(duì)工作平面的平面度和表面粗糙度均有嚴(yán)格的要求。夾具自身測(cè)量裝置的基準(zhǔn)也是建立在夾具底板上，因此在設(shè)計(jì)夾具底板時(shí)，應(yīng)留有足夠的位置來設(shè)立測(cè)量裝置的基準(zhǔn)槽和基準(zhǔn)孔，以滿足實(shí)際測(cè)量的需要。

底板的安裝面板由每一組孔系組成，為螺紋孔和Ф12銷孔間隔100矩陣均布在底板上，使用時(shí)可通過過渡板實(shí)現(xiàn)柔性切換。底板的加工技術(shù)要求如下：1）單個(gè)拼臺(tái)工作面平面度≤0.08mm/M，整個(gè)平面的平面度≤0.2mm，表面;粗糙度≤3.2。2）底板的同孔組銷孔中心距L±0.02mm;銷孔與基準(zhǔn)孔（槽）間距L±0.05mm。3）地板設(shè)置基準(zhǔn)孔至少3個(gè)以上，對(duì)于大底板每間隔1.2米設(shè)置一個(gè)，基準(zhǔn)孔間的中心距±0.02 mm;孔徑φ16H7，孔表面粗糙度1.6。4）底板須設(shè)置基準(zhǔn)線，一般情況下沿X/Y/Z方向設(shè)置，位置、數(shù)量應(yīng)根據(jù)底板的大小具體情況確定。5）底板常用材料為Q235A或A3鋼。

3.2 定位單位結(jié)構(gòu)

定位單元中的組成零部件通常由過渡板、支基、定位支撐板、壓板、定位塊、限位塊、調(diào)整墊片、定位銷、調(diào)整墊片及其他輔助件等，以及根據(jù)焊件實(shí)際形狀確定的定位機(jī)構(gòu)（如下圖所示）。

3.2.1 過渡板設(shè)計(jì)要求：

過度板通常由Q235A或A3鋼加工而成、其孔系組成根據(jù)定位要求與底板的孔系位置而定，因此沒有固定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不可柔性化。

3.2.2 支基的設(shè)計(jì)：

軟工裝支基起到支撐連接作用，支基的高度可按照50mm的整數(shù)倍進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化柔性設(shè)計(jì)（如ZZJ200、ZZJ250），可滿足零件到底板間不同高度時(shí)的使用，并且能多項(xiàng)目重復(fù)柔性使用。

支基的材料一般為HT200，可以按照使用原則設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)分為L(zhǎng)型支基、小型過渡支基、和方管型過渡支基三種。支基選用規(guī)范L型支基分鑄造型及焊接型，鑄造型支基批量制作成本較低，尺寸穩(wěn)定性好，應(yīng)優(yōu)先選用。

小型過渡支基分鑄造型及焊接型，小型過渡支基一般與L型支基配合使用，當(dāng)所需支撐總高度≥400mm時(shí)要考慮使用此小型過度支基。小型過渡支基使用在承載要求較輕的場(chǎng)合，如側(cè)圍夾具、門蓋夾具上的定位單元等。

方管型過渡支基，為焊接結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是承載能力強(qiáng)，一般與L型支基配套使用，主要用于總拼及下車體夾具的底部定位。

3.2.3 支撐板的設(shè)計(jì)要求：

一般情況下支撐板不直接與工件接觸，不直接對(duì)工件定位（工件的是由安裝在支撐板上的定位塊負(fù)責(zé)），支撐板材料一般為Q235A。支撐板應(yīng)盡量避免焊接，無焊接支撐板加工工序較簡(jiǎn)單，參考工序如：下料、退火、粗精加工兩平面至預(yù)留值、加工支撐板外形輪廓、磨兩平面至設(shè)計(jì)值、精加工側(cè)部輪廓各安裝平面、孔系粗精加工、去毛刺。

3.2.4 與壓板相關(guān)的要求

壓板與定位塊直接與產(chǎn)品面接觸，通常需要進(jìn)行型面數(shù)控方式加工，軸面粗糙度取Ra1.6，通常材料為Q235A，對(duì)產(chǎn)品起定位與夾緊作用，軟工裝定位單元中壓板采用現(xiàn)場(chǎng)配焊的方式安裝。焊接式壓板的結(jié)構(gòu)要求：原則上應(yīng)盡量減少或避免出現(xiàn)焊接結(jié)構(gòu)，壓板采用焊接連接的必須進(jìn)行去應(yīng)力處理，且安裝面及配合面須在焊接及應(yīng)力處理完成后經(jīng)精加工而成。壓板上無工件定位銷或其它需精確定位的零部件;

3.2.5 定位塊的要求

1.夾具公用主定位基準(zhǔn)面、或與總成檢具相同的基準(zhǔn)面的定位塊與支撐板做成一體式結(jié)構(gòu)，不考慮可調(diào)，材料為45#鋼，定位型面處局部淬火HRC38-42。

2.定位塊型面硬度HRC38-42，優(yōu)先采用表面淬火，淬硬層深度≥2mm，也可采用整體淬火+低溫回火的方式;重要的安裝面、定位面及銷孔要求熱處理后精加工，確保所規(guī)定的粗糙度（型面、安裝面Ra3.2，銷孔R(shí)a1.6）。安裝面不得上色漆，要涂防銹油。

3.當(dāng)接觸面為非復(fù)合單角（就是平面曲率半徑很大，可以近似認(rèn)為是平面的曲面），且與安裝面的夾角≤45度時(shí)，采用一向可調(diào)整的結(jié)構(gòu)（≥45度的，安裝面轉(zhuǎn)90度）。

4.原則上定位塊應(yīng)獨(dú)立調(diào)整，但當(dāng)定位塊定兩個(gè)不同方向且距離太近的面或曲率半徑較小的曲面時(shí)，采用兩向可調(diào)整的結(jié)構(gòu)。

3.2.6 限位塊的使用要求

限位塊的材料為45鋼，熱處理HRC42-45，類型：A型、B型為單孔型，導(dǎo)向定位面較短。A型配合精度較差，用于位置度要求相對(duì)不高的單點(diǎn)或多點(diǎn)夾緊;B型配合精度高，用于短小擺桿的工件定位銷的導(dǎo)向定位;C型為B型的加長(zhǎng)型，導(dǎo)向定位面較長(zhǎng)，配合精度高，多用于帶工件定位銷的夾緊的導(dǎo)向及定位，及多級(jí)夾緊機(jī)構(gòu)的除最后一級(jí)之外的擺動(dòng)件的導(dǎo)向及定位，優(yōu)先使用;D型為V形塊導(dǎo)向定位型，特點(diǎn)是精度好，占用空間較小，但無導(dǎo)向定位行程，對(duì)上下件配合的緊密度要求較高，經(jīng)過許可方可使用。

3.2.7 定位銷相關(guān)的要求：

零件定位銷主要是保證平面內(nèi)左右的位置精度，在選用時(shí)應(yīng)盡量考慮在標(biāo)準(zhǔn)序列中選用，標(biāo)準(zhǔn)序列中沒有的能滿足使用要求的則按非標(biāo)件的編號(hào)要求及規(guī)范設(shè)計(jì)。定位銷的定位面要有熱處理硬度要求，具有一定的防銹性能，定位銷熱處理后要求具有良好的抗沖擊性能（即韌性）。

安裝時(shí)應(yīng)該采用一定的孔位置精度較差，應(yīng)適當(dāng)放大間隙，推薦：螺孔定位銷的定位直徑=（被定位螺孔小徑理論值-k）+h7;其中螺孔當(dāng)為M6、M8、M10，取k=0.4;當(dāng)螺孔≥M12時(shí)候，取k=0.5。

3.3 其他標(biāo)準(zhǔn)件、緊固件的結(jié)構(gòu)及使用規(guī)范

3.3.1 調(diào)整墊片

采用的調(diào)整墊片規(guī)格通常有（1.5+1+0.5+0.25+0.1），調(diào)整墊片材料：不銹鋼。標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整墊片優(yōu)先選用，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格無法滿足要求的，經(jīng)許可方可采用非標(biāo)結(jié)構(gòu)，厚度均按以上3mm要求配置說明：此調(diào)整墊片為產(chǎn)品尺寸匹配所需，非消除夾具制造誤差所用，夾具裝配過程產(chǎn)生的累積誤差≤±0.5mm的允許通過增減調(diào)整墊片進(jìn)行調(diào)整，否則夾具零件尺寸必須返工到符合要求。

3.3.2 緊固件的使用

夾具所用緊固件以8.8級(jí)內(nèi)六角螺釘（GB/T70.1-2000）、內(nèi)螺紋圓柱銷（GB/T120-2000）為主。非沉頭安裝的螺釘采用螺釘+彈簧墊圈+平墊圈的安裝方式;需沉頭安裝的螺釘采用螺釘無墊圈的安裝方式。

沉頭孔安裝螺釘不要使用彈簧墊圈當(dāng)需要對(duì)螺母頭鏜孔時(shí)，請(qǐng)使用下面的標(biāo)準(zhǔn)以確定板料尺寸不要使用彈簧墊圈。試驗(yàn)表明彈簧墊圈的使用降低了螺釘接頭的扭矩扭緊能力。

螺釘、螺母上緊時(shí)必須達(dá)到所規(guī)定的扭力要求值，并在螺釘頭、螺母用油漆做好標(biāo)記連接銷的選用以內(nèi)螺紋圓柱銷為主，常用的規(guī)格：10*30A（用于支基與底板、支基與支撐板等中小件的定位連接;其中B型用于盲孔）;8*30A（用于定位塊、銷座、L形過渡連接塊等小型零件的定位連接;其中B型用于盲孔）;

4 夾具的技術(shù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 孔位公差設(shè)計(jì)要求

1）同一組銷孔孔距公差取±0.02mm;螺孔、過孔孔距公差取±0.2mm;

2）不同組銷孔之間孔距公差取±0.05mm;銷孔至定位塊安裝面尺寸公差取±0.05mm;基準(zhǔn)面至安裝面、定位型面尺寸公差取±0.05mm;

3）銷孔孔徑公差取φDH7;定位銷公稱直徑公差取φdh7;定位銷導(dǎo)向部分與銷座孔配合公差取H7/f7。

4）銷孔取1.6，安裝面取3.2，加工基準(zhǔn)面取3.2，定位面取1.6，A 面定位面取3.2，壓板定位面取3.2，定位銷定位柱面取0.8，與銷座配合部分取1.6。

4.2 表面處理要求

材料及處理要求：①定位塊、定位銷、伸縮銷、伸縮銷座等調(diào)質(zhì)處理HRC38-42，表面發(fā)黑處理;②A面（外形覆蓋件外表面）定位塊采用MC尼龍;③定位銷座、L形連接板、過渡板表面發(fā)黑處理;④標(biāo)準(zhǔn)限位塊（ZXW2516A＼ZXW2516B）使用采購(gòu)件，其余非標(biāo)限位塊采用45#，調(diào)質(zhì)HRC38-42，表面發(fā)黑處理;⑤支撐板、壓板、支基按要求刷油漆。

5 結(jié)論

軟工裝夾具設(shè)計(jì)是樣車試制不可缺少設(shè)計(jì)制造過程，本文對(duì)UG設(shè)計(jì)常用功能、定位夾具結(jié)構(gòu)組成與技術(shù)要求等進(jìn)行介紹，使在后續(xù)的軟工裝開發(fā)設(shè)計(jì)中能有較好的參考與借鑒，能更好的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)時(shí)間的縮短、制造成本的節(jié)約。同時(shí)使夾具設(shè)計(jì)更加標(biāo)準(zhǔn)化、柔性化，更好服務(wù)到試制樣車白車身的開發(fā)中。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪紅.柔性軟工裝在樣車試制中的運(yùn)用 [D].時(shí)代汽車 2018.

[2]周曉明.論某車型軟工裝造車前期工作[D]. 企業(yè)科技與發(fā)展 2013.