简析铝合金型材在新能源样车焊接工装上的应用

摘 要：新能源纯电动车的主要特点是环保、能源清洁、取之不尽，是一个发展趋势，也是交通工具的一种变革。本文主要总结探讨新能源纯电动车前期框骨架焊接工装夹具的设计制造。从整个设计制造工艺考量，符合企业“低成本，高价值”的先进管理方式，焊接工装夹具已在实践操作中验证。新能源纯电动车车身框骨架在焊接质量上效果良好，达到设计要求，工装夹具使用方便可靠。

关键词：新能源纯电动车;焊接工装夹具;设计;制造工艺

1 引言

新能源纯电动车是国家近年来提出的一项环保规划，同时也是世界汽车制造业的发展走向，在设计制造方面都会有很多全新的元素出现，因此，要在短时间内设计制造完成一款新型纯电动车，前期试制是一个关键环节。此次纯电动样车车身结构与通常的汽车车身结构完全不同，是一个全新设计。主要因素是突出实用性，为前期研发试制获取各种性能数据，缩短试制周期，降低成本。然而，其焊接工装夹具设计制造工艺在秉承传统工装夹具特点的基础上，必须在结构定位夹紧方面有所突破和创新，才能满足在最快时间内试制出一款全新的新能源纯电动样车，并且各方面的性能指标符合国家规定要求，具有市场竞争潜力，为批量生产奠定坚实基础，抢占市场先机，适应不同车型的结构变化制造需求。本文主要简单论述了工装夹具在新能源纯电动车样车的车身设计制造中的应用。

该新新能源样车的车身是框骨架结构，框骨架全部由多根铝合金型材组成，其型材截面长宽规格分别为：40mm×40mm，30mm×30mm，80mm×40mm及40mm×20mm，厚度均为2mm。车身总长度为2368mm，宽度为1332mm，高度为1312mm，如图1所示。

2 样车车身框骨架焊接工装夹具设计方案

设计焊接工装夹具必须考虑以下基本原则：实用性原则、经济性原则、可靠性原则以及艺术性原则。本着四项原则的设计宗旨，样车车身框骨架焊接夹具的结构形式设计，选用了三维焊接组合夹具这一类型，它属于专用组合夹具。选用这一类型结构的工装夹具，都是根据焊接工艺决定的。它由四面带槽的铝合金型材组成的一种三维焊接组合夹具结构，与通常的组合夹具中的两大系统之一槽系组合夹具有着异曲同工之处，不同的是标准件模块、材料及结构形状，是一种三维焊接专用组合夹具。那么，三维焊接专用组合夹具在同一焊接夹具基体的不同位置上可安装不同机构，可满足不同产品焊装的需要。在这种焊装夹具结构中，可最大限度采用公用部分机构，按不同产品要求的部分机构布置在夹具基体的不同位置。这些机构结构和尺寸尽量模块化、标准化、通用化。然后，再用一个滑移式的侧框机构，取代沿胎模长度上布置的多个夹紧机构，使夹具结构大大简化，该设计方案既经济又实用。

3 焊接工装夹具的构造组成

样车车身框骨架焊接工装夹具主要组成部分，如图2所示，它以一块底板平台为基准，利用槽型铝合金型材，配备各种功能的模块标准件相互连接，形成框架式三维焊接专用组合夹具，根据需要配备多种形式的夹紧装置，最后选择适当的定位单元及定位方式进行定位。

（1）地板平台是为框体焊接夹具提供一个水平支撑基準，安装搭建型材框体夹具和紧固夹紧工件的工作平台，在底板平台中间X方向刻有坐标中心线，Y方向制作了4个基准孔，圆孔直径为Φ12mm，均布在两条Y轴线上，底板X向坐标中心线作为框体 焊接夹具X方向的分中坐标线，圆孔作为焊接夹具底框在Y向 的定位基准。

（2）框体搭建材料是采用4面6槽和4面4槽的铝合金型材搭建，是标准的长方形、正方形直条铝合金型材，由不同长度不同规格的三种直条铝合金型材搭建组成框体焊接组合专用夹具。

（3）标准模块的连接固定件有直角连接固定件、45°角连接固定件、T槽螺块固定件、标准固定螺栓、45°角型材连接头、肘节钳固定垫板。其标准模块连接固定件具体规格如图3所示。

由于工件在焊接过程中要受到外来的压力、惯性力以及工件的自重作用，这些作用都会使工件产生位移或振动，从而破坏工件的焊接位置。因此，在夹具中都设有夹紧装置，以产生适当的夹紧力把工件夹紧，使工件在焊接过程中始终固定在定位元件上。然而，对夹紧装置的基本要求几点：1）能保证焊接精度，使工件定位准确，在加工过程中不产生振动和受压变形最小。2）夹紧作用准确·安全可靠，有自锁作用，原始作用力去除后，工件仍能保持夹紧状态不会松开。3）操作时要迅速可靠，安全省力。4）结构简单·紧凑·并有足够的刚度。

这次设计的框式三维焊接专用夹具中，主要考虑焊件是小批量单件试制生产，所以采用经济实用的手动夹紧方式。夹紧器选用品种繁多，其中带补偿旋转压头夹紧器比较实用，然而这款夹紧器就作为整体焊接工装主夹紧器，同时也选用了两种补助夹紧装置，分别是大力钳和F钳，如图4所示。

（4）工件在定位时与定位元件接触的表面称为定位基准。工件在夹具中定位，实际上是确定工件上定位基准的位置。所以定位元件的选用主要取决于定位基准的形状、尺寸和位置精度要求，因此、应根据定位元件的结构形状，支持点数目和布置、以及如何保证工件定位稳定可靠和定位误差最小来予以综合考虑。由于样车车身框骨架全部都是方形铝合金型材组焊而成，因此工件定位是以平面定位。对于定位元件的选用，主要是夹具本身框体型材和各种标准通用件。从整套三维焊接专用组合夹具中、可以看出在很多场合，各部位的定位元件和各类元件功能都是模糊的，只是根据实际需要和元件功能的可能性加以灵活使用。因而，同一工件的同一套夹具，因不同的功能需要，可以装配出千姿百态的各种夹具。该套组合夹具主要定位元件是采用标准四T型槽和六T型槽铝合金型材加工而成，按用途分，T型槽铝合金型材定位元件的定位功能主要是控制坐标高度Z方向的自由度，而标准直角定位元件是控制坐标长度、宽度X＼Y方向的自由度，但也不是绝对的，有些地方装置还是可以互通灵活使用布置的，如图5所示。

另外，定位方式是夹具设计关键的一步，定位方式的好坏，将直接影响装配焊接质量和效率。在装焊作业中，焊件按图样要求，在夹具中得到确定位置的过程称为定位。焊件在夹具中要得到确定的位置，必须遵循物体定位的“六点定则”。在焊接金属结构中，零件之间都有确定的位置关系，可利用先装好的零件作为后装配零件某一基面上的定位支撑点，这样，就可以简化夹具结构，减少定位元件的数量。为了保证装配精度，应将焊件几何形状比较规则的边和面与定位元件的定位面接触，并完全覆盖。在夹具体上布置定位元件时，应注意不防碍焊接和装卸作业的进行，还要考虑焊接变形的影响。如果定位元件对焊接变形有限制作用，则多制作成拆卸式或退让式。而操作式定位元件应设置在便于操作的位置上。为了工件在夹具中的位置得以确定，六个定位支撑点应根据工件的形状和加工要求做合理分布。对于新能源样车的车身框骨架而言，其车身由无任何定位孔的铝合金方管组成，在三维框体焊接夹具上工件装配时都不是单一部件，而是整个车身的组装过程，就是把车身全部框骨架型材按顺序逐个地在夹具上进行定位和夹紧，从下至上、先主后次的装焊顺序前提下，对每个位置进行选择确认，主要工件都采取两点一直线的定位原则对其进行位置确定，对于一些辅助部位的零件采用一点辅助定位调整。该样车焊接夹具的三大框体作为定位元件安装基础，分别为底框、右侧框和左侧框，如图6所示。

4 三维焊接专用组合夹具的特点

采用T型槽铝合金设计制造的这种三维焊接专用组合夹具，在新能源纯电动车样车车身框骨架前期研发试制过程中，是一种探索与创新的新工艺。这种专用组合夹具出具有一般组合夹具的优点外，还具有以下特点：

（1）柔性化：夹具元件均实现模块化、标准化和系列化，互相匹配，可在三维空间任意拼装，一次性完成样车车身框骨架整体拼装定位，同时进行车身框骨架的稳固焊接。几乎可以达到所有专用夹具同样的定位和夹紧功能。

（2）高精度：样车框体夹具所有功能标准模块都具有较高的加工精度。样车框体夹具底板平台的平面度误差在0.08mm以内，定位元件的定位面位置误差在±0.1mm以内，夹具支撑面的垂直度和平行度为0.02mm/500mm。在加工元件方面，主要是T槽型材长度两端的加工，精度为0.05mm。

（3）重复性：采用三维焊接专用组合夹具后，可以使用电脑系统设计最佳模拟装配方案，对样件进行模拟装配，可有效降低研制成本。在制造方面、工艺简单，大大缩短试制时间，并且每个元件和框体型材都可以重复使用。

（4）焊接夹具的性能：整套夹具的操作使用全部都是手工作业，对于框骨架车身而言，它的柔性度很高，通过改变夹具可调元件位置的方法，实现不同产品的拼装焊接要求。当不同外形尺寸大小的框体骨架车身需要改变时，只需调整夹具各部位置的长宽高定位形面位置及支撑位置。调整方式是由可调节式定位件及辅助支撑件和框体构成，它们之间相互尺寸调节移动都是通过T槽固定螺栓在T槽内移动完成，然后确认固定。另外，夹具的设计是长方体框架式焊接结构，而左右侧框体沿胎模的装配焊接作业都是相同的，所以，将左右框体夹紧机构设计成滑移式，滑移框体的限位固定元件和滑移元件分别有，滑移框体限位元件为80mm×80mm的直角标准连接件，滑移框体固定元件为螺栓插销式，销子直径为φ10±0.02mm，插销孔件为40mm×40mm直角标准连接件。滑移部分是利用框体型材之间T槽放入一根滑条作为导向，滑条加工尺寸为800mm×22mm×8mm，滑移面精度为0.8，公差为±0.02mm，整套夹具需要滑条8根，如图7所示。这种三位焊接专用组合夹具采用滑移式结构，它给作业时提供了方便的空间，使装夹更加灵活快捷，同时夹具的敞开性好，便于施焊，更好地实现车身框骨架的整体定位和整体焊接。

（5）夹具的操作：夹具在实际运用过程中，从装夹定位到焊接整个操作工艺流程合理简单，符合人机工程要求，也得出了一套比较完善的槽作步骤。其作业流程为：首先将夹具左右滑移侧框体打开并固定，将车身框骨架底部基准定位焊件、前后横樑及左右前后纵樑按定为单元放入、进行定位夹紧，然后在将其它底部焊件依次放入定位单元定位夹紧，再将框骨架左右基准焊件放入左右滑移框体夹具定位单元内定位夹紧，然后检查确认焊件装夹定位是否正确，然后合拢左右滑移框体夹具，锁紧定位。紧接着按顺序从底部依次往上装夹前后框骨架焊件直至最后顶部纵横樑的装夹定位，并检查确认整体车身框骨架装夹定位是否合理正确，进行点焊成形。然后将夹具左右滑移框体夹紧器及框体连接定位支撑件松开，推开左右框体夹具，对车身框骨架进行牢固焊接，之后从夹具中取出车身框骨架对底部进行补焊即可完成整个操作过程。

5 结束语

对汽车整体而言，车身的作用很大，车身将发动机、驱动系统悬架装置及各种零件组装在一起形成了汽车的骨架。在设计新能源纯电动车样车车身时，需要注意以下几点制约因素，才能发挥其结构特性。

（1）刚度、强度、耐久性、防锈性能对车骨架形成和形状维持以及确保强度耐久性非常重要。

（2）为了通过减轻质量、惯性力矩提高性能，在追求构造合理化的同时，必须采用高抗拉强度钢板和铝合金材料。

（3）确保组件的装配刚度以保证各功能件间的配合及相互支撑。

（4）乘坐空间及后备箱的形成是车身的基本功能，需优先考虑。

（5）设计车身时必须考虑碰撞性能，对车身的性能和特性有很大影响。

（6）考慮车身的耐热性能以提高与空气动力学特性相关的车身性能。

（7）严格的新能源纯电动车样车车身结构如何采用有效可靠的制造方法来实现其预期设计，对更好的达到纯电动车样车的性能和功能就显得尤为重要。

参考文献：

[1]陈国华.机械机构及应用全套技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]杨可桢.程光蕴 李仲生.机械设计基础.[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3]王洪光.焊接工装夹具设计及应用[M].北京：化学工业出版社，2011.

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