薄板工件拼装连接装配技巧

1.薄板工件拼装夹具

（1）薄板工件拼装夹具的设计要求

1）这种夹具主要用于对零件施加夹紧力，因此其强度要有所保证。在坚固耐用的前提下，这种夹具可分开档次，以便满足不同的使用要求。

2）通用夹具的通用性要好。通用夹具大多为手工操作，因此要力争轻便灵活和适用。

3）设计专用夹具时，要明确其主要用途，如：装配用的模架是以定位为主还是以夹紧防止位移为主，设计时应有所侧重。

4）夹具结构要简单合理，操作要方便可靠，并便于维修。

（2）薄板工件拼装夹具的定位点和夹紧点 在汽车车身制造的过程中，装配夹具显得非常重要。特别是对由数个或数十个工件拼装连接的大型工件夹具，夹具结构的复杂程度非常大。如图2-32所示夹具的定位点和夹紧点比较多，布置得紧凑密集。那么，怎样来分清夹具中定位点和夹紧点的作用呢？这里首先从工件拼装连接定位的最基本原理进行分析。

1）自由度的概念。任何空间的刚体对于三个互相垂直的坐标来说，都有6个自由度，即沿三个互相垂直的X、Y、Z坐标的轴线移动的自由度和绕这三个轴的转动的自由度，如图2-33所示。

图2-32 夹具定位点和夹紧点的特点——紧凑且密集

图2-33 X、Y、Z坐标的轴移动自由度和转动自由度

2）六点定位规则。要使工件在装配时保持固定不变的位置，即实现准确定位，就应当限制工件的6个自由度。六点定位就是采用了六点定位元件限制工件的6个自由度，一般称为六点定位规则。

图2-34所示矩形物体位于三维坐标系中，矩形物体上的六个圆表示六个定位元件的定位点。我们来分析一下这六个定位点是怎样限制六个自由度的？

①矩形物体底平面的三个点，限制了Z向移动自由度、X向和Y向旋转自由度。

图2-34 六个定位元件进行定位的点

②矩形物体侧面2个点，限制了Y向移动自由度和Z向旋转自由度。

③矩形物体端面的1个点，限制了X向的移动。

这样用六个点刚好可以将六个自由度加以限制。同时在夹紧力作用下，工件就被固定在所需要的位置上，便于进行拼装连接操作。

必须说明的是，六点定位规则是针对单个零件来讲的，当若干个零件组合在一起时，零件甲的某一个面可以作为零件乙的定位基准面，零件乙的某一个面又可以作为零件丙的定位基准面，这是装配钢结构产品的必然规律。六点定位规则在装配钢结构产品时，要根据实际情况灵活掌握。

2.汽车车身拼装连接装配夹具

在钢结构装配过程中，要保证结构件的定位夹紧，装配夹具的应用是非常重要的，夹具结构的可靠性和合理性直接影响到结构件的装配质量和工作效率。

（1）夹具的分类 凡属于用于对零件施加外力，使其获得正确定位后夹紧不产生位移的工艺装备，统称为夹具。夹具可按用途、紧固方式和施加外力的形式进行分类。

1）按用途划分，夹具可分为通用夹具和专用夹具。

①通用夹具：是指各工序中常用的一些定位和夹紧夹具。如：杠杆夹具（利用杠杆原理将工件夹紧）、螺旋式夹紧夹具（利用正反螺旋的开合对工件进行夹、压、拉、顶和撑等）和弓形螺旋夹。

图2-35所示大力钳就是一种标准的利用杠杆原理进行工作的通用夹具。它利用杠杆自锁的原理进行夹紧。

图2-36所示弓形螺旋夹是利用丝杆起夹紧作用，俗称哈夫。

图2-35 大力钳

图2-36 弓形螺旋夹

②专用夹具：是指批量生产零件时，利用某一组工具或一个工具组合对产品零件进行定位、夹紧的专用工装。一般在汽车车身制造企业，这种专用工装夹具是非常普遍，且应用非常广泛的。如图2-37所示，技术人员在专用工装夹具上进行工件拼装焊接操作。

2）按紧固方式划分，夹具可分为夹紧夹具，压紧夹具，拉紧夹具和顶紧夹具等。

采用哪种紧固形式，应根据实际操作情况，以方便操作、形式简单、工作有效和成本低为设计原则，灵活进行选用。

图2-37 在专用工装夹具与进行工件的拼装焊接

3）按施加外力的形式划分，夹具可分为手动夹具，气动夹具，液压夹具和磁力夹具等。

①手动夹具。手动夹具的特点是：制造简单，通用性强。最常见的手动夹具是肘节式夹紧器，它特别适用于薄板的拼装。其特点是夹紧速度快，夹紧厚度调节范围大。图2-38和图2-39所示为手动肘节式夹紧器。

图2-38 手动肘节式夹紧器（1）

图2-39 手动肘节式夹紧器（2）

图2-40 非直接作用肘节式气动夹具

②气动夹具。气动夹具主要由气缸、活塞和活塞杆等组成。气缸内的压缩空气推动活塞，带动活塞杆作用在工件上，达到夹紧的目的。气动夹具又分为直接作用式和非直接作用式两种。所谓直接作用式，就是将活塞杆的力直接作用在工件上的夹紧方式。而非直接作用式（见图2-40）是将活塞杆的力传递给杠杆或肘节式夹紧器等夹紧机构，通过夹紧机构将工件夹紧的方式。气动夹具也非常适用于薄板构件的装配。

图2-41所示为双气缸气动肘节式气压双动夹紧机构。气压的前一个动作将夹具的定位支撑部分推进到位，气压的第二个动作将夹具的夹紧部分推进到位，从而实现对工件定位和夹紧。

图2-41 双气缸气动肘节式夹具

③液压夹具。液压夹具的结构与气动夹具十分类似，只是工作时采用的工作介质不同，液压夹具多采用矿物油或乳化液等介质。液压夹具的优点是：它比气动夹具有更大的压紧力，夹紧可靠，工作平稳。其缺点是液体易泄漏，而且辅助装置较多，维修不方便。

在薄板结构的组装与焊接过程中，广泛采用气动液压联合装置，这种装置的特征是，把气压的灵敏性高、反应速度快等特点用于控制部分，把液压的工作平稳、能产生较大动力等特点用于驱动部分。

图2-42所示为用于汽车车架总成的校正夹具，由于汽车车架的刚度大，材料的强度也高，所以校正夹具采用液压动力。

④磁力夹具。磁力夹具分为永磁式和电磁式两种类型。磁力夹具根据使用要求，可以制做成各种形式。其优点是无噪声，无污染，工作比较可靠。其缺点是对被夹工件表面质量要求较高，且会使工件被夹后产生一定的磁化。

图2-42 车架总成的校正夹具

3.定位与装配

（1）销孔定位 在实际生产进行工件定位时，往往采用销孔定位方式。采用销孔定位时，工件的六个自由度将受到怎样的限制呢？

如图2-43所示，工件上的孔被圆柱销定位后，X向和Y向的移动自由度（正负方向）都受到限制，一般圆柱销为确定工件在Z向的高低，都会将圆柱销做成阶梯式，这样Z向的移动自由度也受到限制。如果圆柱销的阶梯面较大，X向和Y向的旋转自由度（正负方向）也受到限制。只剩下Z向的旋转自由度需要增加另一定位方式加以限制。

由此可见，采用较大台阶平面的销孔定位方式，比采用点定位方式要简单得多，并且准确率好，可靠性强。

图2-43 销孔定位(www.xing528.com)

（2）不完全定位和欠定位 不完全定位和欠定位都是因为工件在焊接拼装的工艺过程中，六个方向的自由度有一个或一个以上的自由度没有受到限制。图2-44、图2-45所示的螺栓和螺母凸焊在工件上的例子就属于不完全定位。

图2-44 螺栓凸焊

图2-45 螺母凸焊

螺栓和螺母在工件上进行凸焊前就有一个定位的要求，凸焊螺栓在工件上的定位是将螺栓插入工件上预先开出的定位孔内，螺栓相当于台阶定位销，螺母在贴合于工件进行凸焊的平面上有一螺纹的轴向定位环，只是轴向长度比较小，刚好与插入孔的料厚保持在同一平面上，如图2-46所示。

图2-46 螺母上定位环

因此，凸焊螺栓在工件上的定位相当于销孔配合定位。前面已经讲过，有台阶面的销与孔配合定位时可限制五个自由度，只有一个Z向（围绕定位销轴线旋转）的旋转自由度控制不了。然而，凸焊在工件上的螺栓和螺母围绕定位销轴线360°旋转在任意一个角度，都不会对装配功能和使用功能产生任何影响。所以这个Z向（围绕定位销轴线旋转）的旋转自由度在生产工艺中没有必要进行定位控制。

由此可以看出，螺栓和螺母在工件上进行凸焊定位时，有一个自由度没有受到限制，这种情况就属于不完全定位。

不完全定位的确定标准是，工件在进行拼装定位时，有一个或一个以上的自由度没有受到限制，但是不受限制的自由度对产品的使用功能不产生任何影响。这种情况下，不完全定位是可行的。

欠定位的确定标准是，工件在进行拼装定位时，有一个或一个以上的自由度没有受到限制，这些不受限制的自由度不能满足产品的使用功能，必须将不受限制的自由度限制住才能达到工艺和使用要求的情况下，这就是欠定位。

注意：不完全定位在特定的情况下是可行的，而欠定位是决不允许产生的。

（3）过定位 当工件在连接拼装定位时，工件定位一般都是按照限制工件六个方向的自由度进行布点控制的。对于尺寸较小，刚度较大的工件，按照六点定位规则即可对工件实现定位的要求。但是，当工件尺寸比较大，刚度较小，工件进入定位拼装的工装时，工件的自重使工件产生变形（中型客车车型的车身薄板工件，有很大部分都是属于这类工件）。只是按照限制工件六个方向的自由度进行布点控制，就不可能满足工件连接拼装的尺寸和形状控制要求。因此，需要增加一定的辅助支撑定位，以确保工件连接拼装尺寸的正确性和形状的稳定性。这种辅助支撑定位会在某个自由度方向出现重复定位，因此称其为过定位。

图2-47所示为前门框与门后柱衬板点焊连接部位，因门框在此部位刚性不足，易变形。故增加了四点过定位夹紧工装，确保点焊后尺寸和形状的正确性和稳定性。

图2-47 前门框与门后柱衬板上的过定位

有时可以在工件较长大的部位增加辅助过定位，如图2-48所示。

图2-48 辅助过定位

再有，为了确保后包角弧面部位拼装连接点焊后尺寸和形状的正确性和稳定性，也采用了辅助过定位夹紧工装，如图2-49所示。

如图2-50所示，为保持薄板部分在拼装焊接过程中的稳定性，同样增加了辅助过定位夹紧工装。

图2-49 过定位夹紧工装

图2-50 稳定性过定位

工件在拼装连接过程中发生过定位时，过定位会在某个自由度方向与主定位出现重复定位。从严格意义上讲，在某个自由度方向出现的两个定位要想保持绝对一致是非常困难的，特别是在车身拼装焊接环境比较差，条件比较恶劣的情况下，要想通过两个定位保持绝对一致是不可能实现的。如果两个定位不能保持一致而且偏差比较大，那么，这种情况对工件定位准确性影响就很大，也必然会给车身的整体拼装焊接尺寸带来负面影响。那么，在这种情况下怎样确定过定位（点、线、面）在工件拼装焊接过程中的正确位置呢？这一标准是：过定位的点、线、面不得与主定位对工件进行定位尺寸有干涉。由于过定位是辅助定位，所以其功能和作用不能超越和替代主定位。

在每一道工序进行工件定位时，我们都要清楚地知道工件在工装夹具中的定位状态，分清主次关系，特别要关注易松动、会磨损的定位装置。

（4）定位组 一个工件在夹具中进行定位时，如果采用点定位的方式，根据六点定位规则，至少要有六个点才能将工件的六个自由度限制住。此时，工件在夹具中的状态只是各个方向的自由度受到限制，并没有得到控制，只有通过夹紧机构才能将工件控制在确定的定位状态中。

将工件的六个自由度采用一定的定位方式进行定位并夹紧控制的一整套机构称为一个定位组。

（5）组合定位组 在汽车车身框架结构的拼装制造过程中，一般在工装中进行定位的工件至少要有两个或两个以上，因此，在一副工装上既有工件甲的定位组，又要有工件乙的定位组，甚至还有丙、丁等多个工件的定位组。这种由若干个工件拼装组合的工装夹具，必然要有若干个定位组来确定和控制各个工件之间的相对位置。这种有若干个定位组共存于一副工装上的现象，称为组合定位组工装。图2-51～图2-54均为工件在组合定位组工装上定位装配。

图2-51 工件在组合定位组工装上定位装配（1）

图2-52 工件在组合定位组工装上定位装配（2）

图2-53 工件在组合定位组工装上定位装配（3）

图2-54 工件在组合定位组工装上定位装配（4）

如图2-55所示，各工件在组合定位组工装上进行定位点焊，固定各工件的相对位置后，由机器人将相对位置固定的工件从夹具中整体取出进行加补点焊连接。

图2-55 将工件从夹具中整体取出

图2-56所示为拼装点焊连接完成的工序分总成工件。

图2-56 拼装点焊连接完成的工序分总成工件

（6）组合定位组配合工装 由于某些大型的薄板分总成工序件刚度不足，其自重引起的变形及分总成工件在前一道工装夹具中进行拼装焊接产生的焊接应力变形，在若干个组合定位组合成的工序分总成工件进行总装配时，必须对有变形的分总成工件在进行总装配时的关键尺寸和形状再次进行定位夹紧，用以控制总装配的尺寸和形状的稳定性和可靠性。

图2-57 刚度不足的分总成工件

如图2-57所示，该大型薄板分总成工序件刚度不足，其自重会引起变形，分总成工件在前一道工装夹具中进行拼装焊接会产生焊接应力变形，进而造成尺寸和形状不稳定。

对于那些大型的刚性不足，自重都会产生变形的分总成工件，在进行总装配时必须对关键尺寸和形状进行再次定位夹紧，用以控制总装配的尺寸和形状的稳定性和可靠性，如图2-58所示。

图2-58 关键尺寸和形状的再次定位与夹紧

车身总成装配时，为控制后门洞与前风窗的关键尺寸部位形状、尺寸，必须进行再次定位夹紧。再定位夹紧的各个定位组共同形成一套新的组合定位组工装，如图2-59所示。

图2-59 新的组合定位组工装

如图2-60所示，左、右侧壁分总成在各自的组合定位组工装夹紧的状态下，由滑动机构向定位在确定位置上的底板总成靠拢，进行各组合定位组工件之间的配合定位拼装。实际上就是各组合定位组工装之间的相对位置进行配合的工装。

图2-60 各组合定位组的配合定位拼装

从以上分析可以看出，各组合定位组工装之间由滑动机构进行相对位置配合定位进行拼装连接的大型工装，其复杂程度更高。我们把这种工装称为组合定位组配合工装。