薄板冲压件焊装夹具设计方法

薄板冲压件焊装夹具设计方法

梁梅新

（广东长盈精密技术有限公司广东东莞523000）

摘要：由于薄板冲压件的易变形性和制造误差特征，薄板焊装夹具设计显著区别于普通机械加工工件定位夹具.本文首先介绍了夹具设计的形闭合与力闭合概念、螺旋理论的发展，给出了确切定位和完全夹紧条件；然后，重点阐述了面向薄板冲压件焊装夹具设计的“N，2，1”定位原理和夹具的优化设计方法；最后分析了夹具的稳健性设计方法，可以预料，采用该方法可有效地减少和控制定位误差的影响。

关键词：夹具；薄板冲压片；优化设计；稳健设计

冲压加工以其较高的生产率和材料利用率，广泛应用于汽车、飞机和各种家用电器制造工业，冲压件的焊接装配成为上述产品制造的关键工序，焊装夹具的性能不仅影响到生产率，而且直接关系到产品的质量。美国汽车工业的统计表明，72%的车身制造误差源于焊装夹具定位误差，因此如何有效地减少和控制定位误差的影响，对提高焊装质量至关重要。

薄板焊装夹具与通用的机加工夹具存在显著的差别，它不仅要满足精确定位的共性要求，还要充分考虑薄板冲压件的易变形性和冲压制造偏差较大的特征，以适应于产品的高质量要求.近十几年来，许多学者在薄板焊装夹具的设计上开展了大量工作，提出了一些新型的薄板冲压件焊装夹具的设计理论和方法，取得了显著效果.本文首先介绍夹具设计方法的研究进展，然后系统地阐述夹具的N-2-1定位原理，优化设计及鲁棒性设计方法，最后给出本文的结论。

一、夹具设计理论研究

1.形闭合和力闭合

制造过程（如加工、焊接、装配和检测等）中，夹具是用于在三维空间定位和夹紧工件的设备.夹具设计的中心问题就是选择最优定位点数并确定他们的最佳位置，以实现工件的确定约束定位.如果工件依靠接触区域几何形状便可完全约束，称为“形闭合”；如果还必须借助摩擦才能完全约束，则称万力闭合”.通常形状闭合强调动态分析，面力闭合则研究工件的静态稳定.1885年，Reuleaux首先研究了二维工件的形闭合机制，证明了形成维物体的形团合必需四个定位点。之后，Somoff证明三维物休的形团合需要七个定信点.1978年，Lakshminarayana从静态平衡角度利用代数理论进步正明了维工件的形团合至少需要七个点.1978年，Nguyen研究了机器工力合机制，而Asada和Kitagawa于1989.年研究丁用于凸形和凹形工件的机器手的形闭合。通常的六点定位原理一般的需要夹紧力将工作完全约束，因此常常是力闭合。

2.夹具设计基本原则

满足使用过程中工件定位的稳定性和可靠性；

1）有足够的承载或夹持力度以保证工件在工装夹具上进行的施工过程；

2）满足装夹过程中的简单与快速操作；

3）易损零件必须是可以快速更换的结构，条件充分时最好不需要使用其它工具进行；

4）满足夹具在调整或更换过程中重复定位的可靠性；

5）尽可能的避免结构复杂、成本昂贵；

6）尽可能选用市场上质量可靠的标准品作组成零件；

7）满足夹具使用国家或地区的安全法令法规；

8）设计方案遵循手动、气动、液压、伺服的依次优先选用原则；

9）形成公司内部产品的系列化和标准化。

二、夹具结构的工艺性

1）整体夹具结构的组成，应尽量采用各种标准件和通用件，制造专用件的比例应尽量处减少制造劳动量和降低费用。

2）各种专用零件和部件结构形状应容易制造和测量，装配和调试方便。

3）便开工具的维护和修理。

4）合理选挥装配基准

5）装配基准应该是共同工具上一个独立的基准表面或线其它元件的位置只对此表面或线进行调整和修配。

6）装配基准一经加工完毕，其位置和尺寸就不应再改动。因此，那些在装配过程中自身的位置和尺寸尚需调整或修配的表面或线不能作为装配基准。

三、薄板柔性件焊装夹具定位原理研究

大量的文献集中论述了刚性件的夹具设计，但关于薄板柔性件的夹具设计研究很少涉及.特别是考虑加工载荷作用下工件变形的夹具设计的研究几乎没有.实际上.象在航空工业和汽车工业.薄板变形可能导致严重的尺寸偏差。对干易变形薄板.定位夹具除了具备限制零件钢体运动的基本功能外.还必频能够限制过多的工件变形。

较早考虑工件或夹具定位单元刚性的研究，他们根据实验结果研究了夹具刚度和磨损对尺寸精度的影响。一文献提出了一种用于柔性定位夹具的家居系统分析的有限元模型，加工过程中的加工力可看作是作用于节点的力，基于该模型，可以计算出工件变形、夹紧力和应力分布，可运用库仑摩擦定律去计算工件和夹具定位单元间接触摩擦处的摩擦力。虽然通过考虑工件变形和有限元分析推动了这一领域，但他既没有提出一种具体的定位原理，也没有为具有柔性的薄板提出一种定位方案。此外，这种模型并没有将工件的有限元分析结果同夹具设计规范联系起来，他更多的是工件而不是夹具设计。另一文献提出了一种薄板夹具定位分析的方法，他们研究了用于平板和売体的三点和四点夹具定位系统，夹具布置心通使得工件中的应力低于材料的屈服应力.这种方法并没有解决薄板夹具的本质问题，因为减小变形是薄板件定位的关键所在，在文献的基础上进行了更深入的研究，利用有限元建模选择使得工件在第一基准面法向的变形最小的夹具定位布置。为确定夹具定位布置，利用拟牛顿优化算法使有限元网格上的关键节点的变形的平方和最小。设计变量是“3-2-1”定位原理所要求的第一基准面上的三个定位点。虽然他们的研究考虑了夹具优化设计。但采用“3-2-1”定位方案，未能讨论薄板夹具设计的独特特征。

四、“N-2-1”定位原理

在传统的刚性夹具设计广泛应用的“N-2-1”的定位原理，在“N-2-1”定位原理中，基准面所需的定位点数假设为一个大于3的变量N，第二、第三基准面分别设定两个和一个定位点以限制工件刚体运动。这是由于加工载荷和工件自重所引起的变形主要集中在薄板件法线方向，因此基准面上采用过定位的方式，以增强薄板件的刚性，限制和减少焊接加工中该方向上的变形；而由于加工过程中所产生的力一般不会作用或者较少作用在第二、第三基准面上，两个和一个定位点一般可以避免薄板件的弯曲和翘曲。同时由于薄板件特殊的几何特性，微小的几何缺陷都可能引起工件在加工过程中产生相对较大的挠度，必须避免在薄板件正反面上同时存在定位点。针对夹具定位点优化布局问题，已经有研究者提出了优化选择工件定位布局的方法。方法中，以定位点到被加工特征关键点的误差传递系数作为优化目标，采用特征值优化方法，较为真实地反映了优化参数，能够满足各个代加工特征定位精度

要求。但是这种方法还是基于传统的“3-2-1”的定位原理，并没有讨论薄板件焊装所需要解决的柔性较大、工件易变形等问题，而且生产实践证明，“N-2-1”定位原理能够较好地满足薄板件焊装加工定位的精度要求，因此本文考虑基于“N-2-1”定位原理进行定位点优化布局分析。

当N=3时，“N-2-1”定位原理就是传统的6点定位原理，“N-2-1”定位原理是在刚体夹具设计基础上，针对柔性易变形工件对6点定位原理的扩展，它对薄板件的焊装夹具设计具有指导作用。

结语

薄板冲压件焊装夹具广泛应用于汽车，飞机及家用电器等工业，焊装夹具的设计质量直接影响到整个产品的制造偏差。由于薄板冲压件的柔性和制造偏差特征，传统的夹具设计原理不能满足薄板冲压件的设计要求，尽管夹具设计研究已经相当成熟，刚性零件的定位原理和"螺旋理论”得到了深入研究"N-2-1"定位原理针对薄板冲压件在横向上的易变形特征，提出了在第一基面上的定位点数日大于三定位效果不仅取决于定位点的数目，而且取决于定点的布置形式.井提出了采用有限元分析与非线性规划的定位点设计方法，为薄板冲压件焊装夹具的设计提供了理论基础和设计方法。由于薄板压件的制造尺寸偏差较大，定位点位置的选择对定位偏差的影响更明显。夹具的稳健设计可显著地改善定位误差，因此，在薄板焊装夹具设计过程中，贯彻“N-2-1定位原理和稳健性设计方法是极为重要的。实践证明，可以收到事半功倍的效果。

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