汽車消聲器焊接夾具設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范探討

秦啟斌

（廣西汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

0 引言

汽車上的任一零部件，均為汽車的某種功能需要而設(shè)計(jì)，但是該部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)這種功能的前提。產(chǎn)品質(zhì)量是制造出來(lái)的，若制造工藝不能保證產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的尺寸及精度要求，則必然導(dǎo)致生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量一致性差，性能不穩(wěn)定。產(chǎn)品制造過(guò)程中，工裝水平是保證產(chǎn)品質(zhì)量的基本前提，因此，工藝技術(shù)方案正確、工裝材料選擇合理、尺寸公差和形位公差等技術(shù)參數(shù)選取，是工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。在工裝夾具設(shè)計(jì)時(shí)，由于設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)歷、工作經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)能力，以及一個(gè)公司制定的工作流程、技術(shù)規(guī)范、知識(shí)積淀等的不同，所設(shè)計(jì)出來(lái)的夾具水平就會(huì)因人而異，最終體現(xiàn)在制造產(chǎn)品質(zhì)量水平的迥異。

為此，以汽車消聲器焊接夾具設(shè)計(jì)為例，探討如何確保不同的技術(shù)人員，無(wú)論其是經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，還是初入職場(chǎng)的新人，只要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)工作流程進(jìn)行設(shè)計(jì)，并遵循設(shè)計(jì)規(guī)范選擇設(shè)計(jì)參數(shù)，都能設(shè)計(jì)出幾乎同樣高水平的焊裝夾具。

首先，要進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析和工藝分析。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析就是分析消聲器焊合總成共有多少個(gè)零部件，其關(guān)鍵參數(shù)分別有哪些，需要保證的產(chǎn)品性能是什么。焊接工藝分析主要考慮需要分解成幾道工序完成焊接，關(guān)鍵工序是哪幾道，如何確保的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。把這些工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的要素列表匯總分析，策劃出工藝技術(shù)路線和工藝技術(shù)方案。消聲器焊合總成主要由消聲器筒體、前端管件、后端管件、掛桿等零部件焊接而成。制造工藝主要分為筒體輥壓成型、彎管、裝芯、筒體與端蓋輥合、前端管件焊接、后端管件焊接、總成拼焊等工序。焊接工序可以采取總拼焊一道序完成，但這樣的工藝安排會(huì)導(dǎo)致不同規(guī)格的消聲器焊接就需要不一樣的總拼臺(tái)，現(xiàn)分解為三道焊接工序，是基于最大化地柔性共線生產(chǎn)不同規(guī)格消聲器的需要。消聲器焊夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保證產(chǎn)品焊接滿足尺寸公差和形位公差要求，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定一致，消聲器總成的氣密性、消音性（NVH）符合法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

然后，進(jìn)行具體的單套焊接拼臺(tái)設(shè)計(jì)，將數(shù)套焊接拼臺(tái)有機(jī)的聯(lián)接在一起，就組成了一條消聲器焊接生產(chǎn)線。消聲器產(chǎn)品焊接線由數(shù)套拼臺(tái)組成，但每套夾具的工藝設(shè)計(jì)流程是一樣的，只是相關(guān)尺寸和參數(shù)稍有不同。一套焊夾具主要由底板、支座、定位銷、定位塊、限位塊、夾緊機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等構(gòu)件組成，夾具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何正確選擇這些構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。

下面就汽車消聲器焊接夾具的主要工裝構(gòu)件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)規(guī)范逐一進(jìn)行分析。

1 汽車消聲器焊接夾具主要工裝構(gòu)件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)規(guī)范

1.1 底板

焊夾具底板是一套夾具的基礎(chǔ)，承載著夾具所有構(gòu)件和焊接產(chǎn)品的全部重量，首先要滿足產(chǎn)品零部件焊接裝夾的尺寸要求，其次，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)和符合要求的剛度和強(qiáng)度不保證。

底板型式：通常采用焊接結(jié)構(gòu)，主要分為純鋼板式結(jié)構(gòu)和鋼板-型材混合式結(jié)構(gòu)兩種類型。

根據(jù)所焊接產(chǎn)品的長(zhǎng)寬確定底板的長(zhǎng)寬尺寸，通過(guò)焊接加強(qiáng)梁來(lái)保證底板的剛度和強(qiáng)度，進(jìn)行時(shí)效處理后，按表1精度加工。

表1 底板表面加工精度

1.2 支座

支座的功能是用于安裝定位塊、限位塊、夾緊塊等構(gòu)件，支座的安裝定位必須X Y Z三個(gè)方向均可調(diào)，初始預(yù)留可調(diào)量為3 mm，以確保上述構(gòu)件的功能要求。

支座的工藝流程：下料→毛坯焊接→時(shí)效處理→清理焊渣→噴防銹底漆→機(jī)械加工。

支座加工的形狀及位置精度要求：垂直度和平行度誤差均為0.05 mm；對(duì)于互相垂直的加工表面，其中一個(gè)面上的基準(zhǔn)銷孔中心與另一個(gè)表面之間的尺寸公差為±0.05 mm；對(duì)于具有互相平行的加工表面，兩個(gè)表面之間的尺寸公差為±0.05 mm；同平面上的兩個(gè)基準(zhǔn)銷孔之間的尺寸公差：尺寸≤500 mm，±0.03 mm，尺寸＞500 mm，±0.05 mm。

支座型式：盡量采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，高寬尺寸須滿足系列化要求。高度一般為150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm六種，且能滿足互換性要求，最高不能超過(guò)600mm；寬度可為60 mm、80 mm、100 mm、120 mm四種。

支座安裝：與夾具底板固定，用兩顆φ10 mm圓柱銷定位，用四顆12.9級(jí)M10的外六角螺栓或內(nèi)六角螺栓緊固（底板過(guò)小時(shí)，可用M8螺栓）；側(cè)面調(diào)整螺釘為M8內(nèi)六角螺釘。

1.3 定位銷、定位塊、限位塊

定位銷、定位塊、限位塊[1]的作用是把零部件放置于焊夾具后，限制零部件位置發(fā)生變化，確保符合焊接產(chǎn)品的尺寸和形位公差要求。

定位銷結(jié)構(gòu)有螺釘拉緊固定銷、螺母緊固銷、螺釘自旋緊固銷、光軸過(guò)盈緊固銷等類型，根據(jù)不同的受力情況選擇。定位銷孔的表面粗糙度≤1.6μm。

定位塊、限位塊中與產(chǎn)品形面接觸部位，須依照產(chǎn)品數(shù)模的形狀進(jìn)行CNC加工，加工誤差不得大于0.2 mm，各接觸面及安裝固定面表面加工粗糙度≤1.6μm。采用12.9級(jí)M8的內(nèi)六角螺栓固定。

1.4 夾緊機(jī)構(gòu)

夾緊臂與壓緊力[2]的設(shè)計(jì)：以裝夾零件最大變形量不超過(guò)其公差的50%來(lái)設(shè)計(jì)夾緊臂和夾緊力。可選用油缸或氣缸來(lái)施加夾緊力，一般選直徑為φ32 mm、增壓比1∶25的油缸。

夾緊結(jié)構(gòu)必須具備以下功能：

（1）夾頭有先后開合順序要求的，動(dòng)作應(yīng)能互鎖，以免誤操作而產(chǎn)生夾具及產(chǎn)品損壞等質(zhì)量問(wèn)題。

（2）動(dòng)作按鈕應(yīng)有防止誤動(dòng)作的安全防護(hù)裝置。

（3）氣路應(yīng)設(shè)有殘壓處理閥。

（4）壓緊缸應(yīng)預(yù)留壓緊行程。

（5）所有的氣路控制閥及三元件應(yīng)有防撞裝置。

（6）所有動(dòng)作按鈕應(yīng)有文字標(biāo)志。

夾緊種類有氣動(dòng)、油缸、手動(dòng)、手動(dòng)預(yù)壓氣動(dòng)壓緊等夾緊類型，依據(jù)實(shí)際使用情況選用。

1.5 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要包括：直線導(dǎo)軌、導(dǎo)向塊、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等構(gòu)件。

導(dǎo)向構(gòu)件各接觸面及安裝固定面的表面加工粗糙度≤1.6μm，配合面粗糙度≤0.8μm。

導(dǎo)套長(zhǎng)度必須是導(dǎo)柱直徑的1.5倍以上。

采用12.9級(jí)M8內(nèi)六角螺栓固定各導(dǎo)向構(gòu)件。

1.6 零件壓緊頭（塊）

焊接件的壓緊頭或壓緊塊必須可調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量≥3 mm。

壓緊頭（塊）按結(jié)構(gòu)可分為橋式、彈性和墊片式；按壓頭型式可分為全仿形、平面、點(diǎn)壓、V型。

1.7 調(diào)整墊片

墊片結(jié)構(gòu)：梳子型和U型。

墊片厚度分為3 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.2 mm、0.1 mm六種。

需要調(diào)節(jié)的安裝部位，設(shè)計(jì)時(shí)須留有≥3 mm的調(diào)節(jié)余量。調(diào)整量大于3 mm時(shí)，須用3 mm墊片+其他厚度規(guī)格的墊片配合使用，使用墊片數(shù)量最多不超過(guò)4片。

1.8 電纜氣管

氣管與工裝連接要有旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接頭裝置。工裝主進(jìn)氣管一般用φ12 mm管，其他用φ8 mm管。

電纜統(tǒng)一采用24針航空插頭轉(zhuǎn)換。電纜氣管須采用防燙管，須整齊放置于線槽里并固定，不允許與工裝和焊槍有摩擦運(yùn)動(dòng)。

易磨損、易老化的電纜氣管，須納入設(shè)備日常點(diǎn)檢管理。

1.9 標(biāo)準(zhǔn)件選用

安裝固定焊夾具各種構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)件，必須滿足受力要求，確保安裝牢固可靠，故規(guī)定如下：

（1）螺栓：托塊、壓頭等經(jīng)常需要調(diào)整的構(gòu)件，采用12.9級(jí)M8或M10的內(nèi)六角螺栓緊固，其余構(gòu)件采用8.8級(jí)M10或M12的內(nèi)六角螺栓緊固（上文規(guī)定的除外）。

（2）圓柱銷：壓塊及托塊采用φ8 mm定位圓柱銷，其它部位使用φ10 mm定位圓柱銷，從GB120-86標(biāo)準(zhǔn)選用。

1.10 拼臺(tái)精度要求

焊接拼臺(tái)的質(zhì)量水平直接影響焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，其精度[3]必須滿足以下規(guī)范：

（1）消聲器總成焊接拼臺(tái)：加工精度為±0.05 mm，主定位銷的位置精度為φ0.1 mm。

（2）夾具基準(zhǔn)面至所有夾具垂直方向的測(cè)量點(diǎn)公差均為+0.1 mm，或者-0.1 mm，不能取±0.1 mm。

（3）水平面上定位孔之間的尺寸公差為±0.02 mm，表面粗糙度為1.6μm。

（4）所有的定位孔與基準(zhǔn)面的尺寸公差為±0.05 mm，表面粗糙度為1.6μm。

（5）基準(zhǔn)面之間尺寸公差為±0.1 mm，測(cè)量面之間的尺寸公差為±0.2 mm。

（6）支架的垂直度，每100 mm高的精度誤差＜0.01 mm。

（7）支架的平面度，每100 mm2的精度誤差＜0.01 mm。

（8）定位孔的同心度、平行度、垂直度的精度誤差＜0.02 mm。

（9）所有定位塊或連接塊之間均需定位銷固定，以保證工裝重復(fù)定位精度偏差＜±0.2 mm。

（10）所有定位壓緊要有防松結(jié)構(gòu)，如彈墊、螺釘拉緊結(jié)構(gòu)、鎖緊螺母要有并緊螺母等，以滿足工裝重復(fù)定位精度偏差＜±0.2 mm。

1.11 防錯(cuò)防漏要求

下列情況之一，必須考慮防錯(cuò)防漏等失效模式：

（1）易漏裝、易裝錯(cuò)的小零件，如支架、小掛鉤、纖維、橡膠懸掛件等。

（2）不易分辨的類似零件，如類似的凈化器、消聲器、管件等。

（3）易裝錯(cuò)方向的零件，如有前后端、上下面、左右面等要求的零件。

（4）無(wú)零件時(shí)可能對(duì)工裝有損害的，如無(wú)零件時(shí)會(huì)焊接工裝的情形。

（5）工裝動(dòng)作不到位時(shí)，有撞槍或碰到其它工裝或設(shè)備的情形，如可移動(dòng)的定位塊、二次動(dòng)作的支架掛鉤定位機(jī)構(gòu)等。

防錯(cuò)防漏可以采取機(jī)械、激光、攝像、傳感器等方式實(shí)現(xiàn)。

1.12 安全要求

對(duì)于運(yùn)動(dòng)氣缸帶定位裝置的，必須先用手動(dòng)推動(dòng)來(lái)定位，氣動(dòng)再推緊。對(duì)于手工焊接工裝，必須消除夾手風(fēng)險(xiǎn)，可采用預(yù)夾緊氣缸消除夾手風(fēng)險(xiǎn)，并加防護(hù)裝置和雙手啟動(dòng)按鈕。其他情形考慮采用安全光柵進(jìn)行防護(hù)。

1.13 防飛濺要求

產(chǎn)品所有的功能面、下道工序的定位面以及氣缸和電器等元器件，都需要有防焊接飛濺裝置，以保證焊具的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量一致性，以及操作人員的安全。

1.14 材料選用

消聲器焊夾具主要構(gòu)件材料[4]按表2選用。

表2 主要構(gòu)件材料匯總表

1.15 平臺(tái)化原則

焊具構(gòu)件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)[5]是產(chǎn)線平臺(tái)化的基礎(chǔ)，因此，在焊接夾具設(shè)計(jì)時(shí)，必須分析尺寸相近的數(shù)種同類產(chǎn)品，策劃好各道工序中底板的尺寸范圍，以及夾具各構(gòu)件的尺寸范圍，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)件的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，最大程度的滿足多種產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線平臺(tái)化，降低投資成本。一般而言，滿足3~5種產(chǎn)品生產(chǎn)的平臺(tái)化產(chǎn)線綜合投資成本最佳。

2 結(jié)語(yǔ)

遵循平臺(tái)化設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)消聲器焊夾具的每一構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，按照上述相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范選取材料和確定形位公差、硬度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，完成夾具構(gòu)件的設(shè)計(jì)，編上編號(hào)，就初步建立了一套完整的消聲器焊具設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范。然后通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，修改完善，逐步把具有共性的構(gòu)件規(guī)范成非標(biāo)件中的標(biāo)準(zhǔn)件或模塊件。在工裝夾具設(shè)計(jì)中，非標(biāo)件中的模塊件和標(biāo)準(zhǔn)化件的比例越大，生產(chǎn)線的柔性化、平臺(tái)化程度就越高，更是智能制造的重要基礎(chǔ)。此后，凡是遇到類似規(guī)格型式的消聲器焊具設(shè)計(jì)，遵循這些焊夾具設(shè)計(jì)流程和技術(shù)規(guī)范，盡量選用設(shè)計(jì)資源庫(kù)中的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件，就可以高效快捷地完成焊夾具設(shè)計(jì)工作，而且無(wú)論何人設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)出來(lái)的焊具水平都相差無(wú)幾，都能確保消聲器產(chǎn)品的質(zhì)量水平。