基于UG的軟工裝夾具設計

陳余進　潘敏　黃偉興　汪紅

摘 要：在汽車的前期開發過程中，白車身焊接是樣車開發的一個制造過程。而白車身焊接過程所需的軟工裝定位夾具，是該過程中的一個必須環節。本文主要介紹基于UG的軟工裝設計過程，以及對軟工裝定位夾具的結構組成、技術要求等進行論述。

關鍵詞：軟工裝夾具 設計 白車身 UG

1 引言

在每款車型量產之前，樣車白車身的焊接開發是必不可少的，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質量直接影響到后期的總裝裝配，試驗認證過程和路試質量等。

因此，要提高白車身整車的焊接質量及合格率，必須設計結構合理、定位精準的軟工裝夾具，以便對車身部件焊接時進行精準的定位和加緊。

目前應用于機械設計行業的的三維軟件主要有UG、Pro/E、CATIA等，本文就UG在軟工裝設計中的常用功能進行介紹、夾具的結構及技術要求進行概述。

2 軟工裝設計中使用的UG功能

2.1 草繪設計功能，提供了多種線條繪制工具、曲線修改、曲線約束功能等，使用戶可以根據二維圖紙、轉化為三維實體模型的設計過程。另外如在實體中無法直接建立的模型，也可通過草圖可以準確的繪制出圖，同時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計功能，如球體、長方體、圓柱體等、錐體等;以及多種掃描特征的運用，如拉伸、回轉、掃掠等;

2.3 實體特征功能：提供了孔特征、凸臺、腔體特征、槽特征等命令的使用;滿足多種復雜數模零件的結構設計過程;

2.4 同步建模功能：同步建模技術是一個能夠同時進行幾何圖形與規則同步建模的設計方法、能快速、快捷與方便的進行建模操作。

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，模擬實際的機械裝配過程，利用約束將各個零件圖形裝配成一個完整的機械結構。

3 軟工裝夾具結構組成

軟工裝夾具通常由底板、定位單元裝置、其他輔助標準件等幾大部分組成。其中不同的定位單元組成結構會有所不同，以下對通用的部分夾具主要零件做設計要求介紹：

3.1 底板的結構

底板根據使用需求，多數為柔性底板，可實現不同車型的切換，其結構通常由夾具安裝面板（常用厚為≥25mm），中間結構為方鋼縱橫排列結構，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元件，它的精度直接影響定位機構的準確性，因此對工作平面的平面度和表面粗糙度均有嚴格的要求。夾具自身測量裝置的基準也是建立在夾具底板上，因此在設計夾具底板時，應留有足夠的位置來設立測量裝置的基準槽和基準孔，以滿足實際測量的需要。

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，使用時可通過過渡板實現柔性切換。底板的加工技術要求如下：1）單個拼臺工作面平面度≤0.08mm/M，整個平面的平面度≤0.2mm，表面;粗糙度≤3.2。2）底板的同孔組銷孔中心距L±0.02mm;銷孔與基準孔（槽）間距L±0.05mm。3）地板設置基準孔至少3個以上，對于大底板每間隔1.2米設置一個，基準孔間的中心距±0.02 mm;孔徑φ16H7，孔表面粗糙度1.6。4）底板須設置基準線，一般情況下沿X/Y/Z方向設置，位置、數量應根據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 定位單位結構

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、調整墊片、定位銷、調整墊片及其他輔助件等，以及根據焊件實際形狀確定的定位機構（如下圖所示）。

3.2.1 過渡板設計要求：

過度板通常由Q235A或A3鋼加工而成、其孔系組成根據定位要求與底板的孔系位置而定，因此沒有固定的設計標準，不可柔性化。

3.2.2 支基的設計：

軟工裝支基起到支撐連接作用，支基的高度可按照50mm的整數倍進行標準化柔性設計（如ZZJ200、ZZJ250），可滿足零件到底板間不同高度時的使用，并且能多項目重復柔性使用。

支基的材料一般為HT200，可以按照使用原則設計標準分為L型支基、小型過渡支基、和方管型過渡支基三種。支基選用規范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，尺寸穩定性好，應優先選用。

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，當所需支撐總高度≥400mm時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合，如側圍夾具、門蓋夾具上的定位單元等。

方管型過渡支基，為焊接結構，特點是承載能力強，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 支撐板的設計要求：

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

3.2.4 與壓板相關的要求

壓板與定位塊直接與產品面接觸，通常需要進行型面數控方式加工，軸面粗糙度取Ra1.6，通常材料為Q235A，對產品起定位與夾緊作用，軟工裝定位單元中壓板采用現場配焊的方式安裝。焊接式壓板的結構要求：原則上應盡量減少或避免出現焊接結構，壓板采用焊接連接的必須進行去應力處理，且安裝面及配合面須在焊接及應力處理完成后經精加工而成。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面、或與總成檢具相同的基準面的定位塊與支撐板做成一體式結構，不考慮可調，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，確保所規定的粗糙度（型面、安裝面Ra3.2，銷孔Ra1.6）。安裝面不得上色漆，要涂防銹油。

3.當接觸面為非復合單角（就是平面曲率半徑很大，可以近似認為是平面的曲面），且與安裝面的夾角≤45度時，采用一向可調整的結構（≥45度的，安裝面轉90度）。

4.原則上定位塊應獨立調整，但當定位塊定兩個不同方向且距離太近的面或曲率半徑較小的曲面時，采用兩向可調整的結構。

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，導向定位面較短。A型配合精度較差，用于位置度要求相對不高的單點或多點夾緊;B型配合精度高，用于短小擺桿的工件定位銷的導向定位;C型為B型的加長型，導向定位面較長，配合精度高，多用于帶工件定位銷的夾緊的導向及定位，及多級夾緊機構的除最后一級之外的擺動件的導向及定位，優先使用;D型為V形塊導向定位型，特點是精度好，占用空間較小，但無導向定位行程，對上下件配合的緊密度要求較高，經過許可方可使用。

3.2.7 定位銷相關的要求：

零件定位銷主要是保證平面內左右的位置精度，在選用時應盡量考慮在標準序列中選用，標準序列中沒有的能滿足使用要求的則按非標件的編號要求及規范設計。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）。

安裝時應該采用一定的孔位置精度較差，應適當放大間隙，推薦：螺孔定位銷的定位直徑=（被定位螺孔小徑理論值-k）+h7;其中螺孔當為M6、M8、M10，取k=0.4;當螺孔≥M12時候，取k=0.5。

3.3 其他標準件、緊固件的結構及使用規范

3.3.1 調整墊片

采用的調整墊片規格通常有（1.5+1+0.5+0.25+0.1），調整墊片材料：不銹鋼。標準調整墊片優先選用，標準規格無法滿足要求的，經許可方可采用非標結構，厚度均按以上3mm要求配置說明：此調整墊片為產品尺寸匹配所需，非消除夾具制造誤差所用，夾具裝配過程產生的累積誤差≤±0.5mm的允許通過增減調整墊片進行調整，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級內六角螺釘（GB/T70.1-2000）、內螺紋圓柱銷（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需要對螺母頭鏜孔時，請使用下面的標準以確定板料尺寸不要使用彈簧墊圈。試驗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、螺母上緊時必須達到所規定的扭力要求值，并在螺釘頭、螺母用油漆做好標記連接銷的選用以內螺紋圓柱銷為主，常用的規格：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 夾具的技術設計標準

4.1 孔位公差設計要求

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、伸縮銷座等調質處理HRC38-42，表面發黑處理;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、過渡板表面發黑處理;④標準限位塊（ZXW2516A＼ZXW2516B）使用采購件，其余非標限位塊采用45#，調質HRC38-42，表面發黑處理;⑤支撐板、壓板、支基按要求刷油漆。

5 結論

軟工裝夾具設計是樣車試制不可缺少設計制造過程，本文對UG設計常用功能、定位夾具結構組成與技術要求等進行介紹，使在后續的軟工裝開發設計中能有較好的參考與借鑒，能更好的實現設計時間的縮短、制造成本的節約。同時使夾具設計更加標準化、柔性化，更好服務到試制樣車白車身的開發中。

參考文獻：

[1]汪紅.柔性軟工裝在樣車試制中的運用 [D].時代汽車 2018.

[2]周曉明.論某車型軟工裝造車前期工作[D]. 企業科技與發展 2013.