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摘 要：随着先进焊接技术的发展和进步，焊接工艺在机械装备制造业中的应用越来越广泛。合理地使用焊接工装夹具是保障零部件焊接工艺质量的基本要素之一。近些年来，基于模块化标准化思想的精密组合焊接夹具系统凭借其在技术和生产应用方面的优异特点成为未来重点发展趋势，是确保焊接质量的根本保障。本文对模块化组合焊接工装夹具系统以及后期发展做一概述。
关键词：焊接；工装夹具；模块化
引言
随着焊接工艺技术的快速发展，面向焊接工艺的工装夹具对零部件焊接工艺的质量、焊接的生产率和成本有着直接影响。工装夹具合理使用，正确安装和固定各个零部件成为进行零部件焊接的先决条件。因此，面向焊接工艺的工装夹具同期得到了迅猛的发展并且在制造业中得到了广泛的应用。
1.焊接工装夹具的概念及作用
1.1焊接工装夹具的概念
焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接、保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。在现代焊接生产中积极推广和使用与产品结构相适应的工装夹具，对提高产品质量，减轻工人的劳动强度，加速焊接生产实现机械化、自动化进程等方面起着非常重要的作用。
在焊接生产过程中，焊接所需要的工时较少，而约占全部加工工时的2/3以上的时间是用于备料、装配及其他辅助的工作，极大的影响着焊接的生产速度。为此，必须大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配焊接工艺装备。
1.2焊接工装夹具的作用
焊接工装夹具的主要作用有以下几个方面：
（1）准确、可靠的定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和划线工作。减小制品的尺寸偏差，提高了零件的精度和可换性。
（2）有效的防止和减轻了焊接变形。
（3）使工件处于最佳的施焊部位，焊缝的成型性良好，工艺缺陷明显降低，焊接速度得以提高。
（4）以机械装置代替了手工装配零件部位时的定位、夹紧及工件翻转等繁重的工作，改善了工人的劳动条件。
（5）可以扩大先进的工艺方法的使用范围，促进焊接结构的生产机械化和自动化的综合发展。
2.焊接工艺的工装夹具系统特点、差异及应用
2.1焊接工装夹具特点及差异
与传统的切削工装夹具相比，焊接工装夹具有如下的几个特点及差异：
（1）切削工装夹具的装夹对象大多是一个零部件，而焊接工艺的产品对象则是几个零部件组成的装配体，因此，本质上焊接工装夹具是装配工艺夹具的一种。
（2）焊接工艺及焊接工装夹具控制的精度一般都要比切削加工工艺能控制的精度低一些。
图2.1 一体式焊接夹紧器
（3）焊接过程中零部件和夹具的受力远比切削加工的低很多，但是零部件焊接过程的安装夹紧常常需要考虑焊接的热变形或者热应力的影响。通常，根据工装夹具的使用柔性，夹具可以被分为专用夹具和通用夹具（最主要类型就是模块化的组合夹具）。
2.2焊接工装夹具的应用
焊接工装夹具在制造业中有着非常重要的应用，主要用在复杂且很精密的高价值零部件生产或者是一些机械装备产品的大规模生产中。因为焊接夹具的设计初衷就是为某种零部件的生产过程特别定制的，所以在夹具初期设计阶段就充分考虑各种因素，比如定位精度、稳定性、系统刚性等基本夹紧定位要求外，也考虑到尽可能方便零部件装载，夹紧，拆卸等因素，提高生产过程的效率。近年来生产加工技术和设备的改进，模块化组合工装夹具的技术改进（诸如安装使用的效率改进、零部件精度的大幅提高等等），也都促进了组合夹具的应用和普及。模块化组合夹具通过使用标准化的装夹元件而具备了较大的柔性，有助于减少中小批量多类型产品的生产制造时间和成本。技术验证表明，零部件制造质量无差异的情况下，使用组合夹具具有较低的成本、更快的响应速度和更大的柔性。
3.工程机械制造中的焊接组合夹具的应用
在世界上一些知名的工程装备制造企业，现代化的焊接技术和工艺在产品及零部件的制造中已经有很广泛的应用。工程机械装备中的很多大型部件单独制造是异常困难的，常常由几个零件焊接起来，而焊接技术和工艺的进步使得焊接起来的零部件依然有着很好的物理机械性能，这就推动了先进焊接工艺和技术在工程装备制造业中的广泛应用。模块化的组合焊接工装夹具在这些工程装备制造企业中的应用同样非常广泛。工程机械装备的生产相对于汽车生产那种百万级的生产规模，只是中小型的批量，不宜采用高刚性的专用生产线系统。因此，组合夹具的优点在工程机械制造的生产中可以较好地发挥出来。
图2 柔性三维焊接组合工装
4.计算机辅助技术在焊接组合夹具上的应用
目前，相对于计算机辅助设计在各个方面的飞速发展和应用，夹具设计还有待深入开发。一个重要原因就在于夹具设计从技术传统上来说主要还是一个基于经验的工作过程，例如设计加工制造工艺较复杂的零部件的装夹方案常常要求工程师有许多年的专业工作经验。
因此，对企业生产工艺知识的积累和运用就成为先进计算机辅助夹具设计技术发展和应用的一个重要热点问题，特别是工装夹具设计知识和经验的建模与利用。当前计算机辅助装夹工艺设计领域的另一个热点问题就是对设计的分析和优化。精密薄壁零部件制造的工装夹具设计是一个相当复杂的工作，容易受到加工过程中的力、热等因素的影响。而反复物理实验的方法成本太高，可行性低。通过结构、力、热等多因素耦合的仿真分析能够对铝合金薄壁零部件在设定的工装夹具方案下的应力、变形、精度进行研究，从而对工艺方案做出评估。尽管基于有限元技术的零部件工装夹具工艺方案数值分析和仿真技术发展迅速，但是目前的研究还大多集中在结构应变的研究上。对工装夹具工艺方案有较大影响的因素还包括了加工过程中的热因素（特别是薄壁焊接工艺中）。另一项比较重要的技术就是通过对加工工艺和过程的数值模拟与仿真，模拟在完整的装夹环境下，刀具、机器人焊枪等工具的操作和运动过程，从而对零部件的工装夹具设计方案在加工过程中进行全局仿真分析，并进行优化。
结论
先进焊接技术的进步和发展，推动了焊接工艺在世界先进制造企业零部件生产中的使用。这也就是为焊接工装夹具的使用提供了巨大的空间。模块化组合焊接夹具系统以其标准化、柔性化、快捷化和低成本的特点，在柔性化中小批量生产中应用越来越普及，具有越来越大的发展应用前景，并且随着近年来焊接技术的发展以及焊接零部件在大型精密机械装备上的广泛应用，焊接夹具系统也在快速地向着高精度、高效率的方向发展。先进的计算机辅助工装夹具设计系统也在一些世界领先的制造企业中逐步得到应用，这些先进的设计技术和系统在改进工装夹具的设计效率、检校仿真并完善设计方案、降低开发成本等方面都有着非常巨大的潜力，并将在工装夹具的设计领域产生深远的影响。
参考文献
[1]孟广喆.国内外焊接技术发展情况和对我国今后焊接技术发展的设想.第一届全国焊接会议论文集[J].北京：中国工业出版社，1964.
[2]潘际銮.弧焊过程控制.第八次全国焊接会议论文集[J].第1册.北京：机械工业出版社，1997.
关键词：焊接；工装夹具；模块化
引言
随着焊接工艺技术的快速发展，面向焊接工艺的工装夹具对零部件焊接工艺的质量、焊接的生产率和成本有着直接影响。工装夹具合理使用，正确安装和固定各个零部件成为进行零部件焊接的先决条件。因此，面向焊接工艺的工装夹具同期得到了迅猛的发展并且在制造业中得到了广泛的应用。
1.焊接工装夹具的概念及作用
1.1焊接工装夹具的概念
焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接、保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。在现代焊接生产中积极推广和使用与产品结构相适应的工装夹具，对提高产品质量，减轻工人的劳动强度，加速焊接生产实现机械化、自动化进程等方面起着非常重要的作用。
在焊接生产过程中，焊接所需要的工时较少，而约占全部加工工时的2/3以上的时间是用于备料、装配及其他辅助的工作，极大的影响着焊接的生产速度。为此，必须大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配焊接工艺装备。
1.2焊接工装夹具的作用
焊接工装夹具的主要作用有以下几个方面：
（1）准确、可靠的定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和划线工作。减小制品的尺寸偏差，提高了零件的精度和可换性。
（2）有效的防止和减轻了焊接变形。
（3）使工件处于最佳的施焊部位，焊缝的成型性良好，工艺缺陷明显降低，焊接速度得以提高。
（4）以机械装置代替了手工装配零件部位时的定位、夹紧及工件翻转等繁重的工作，改善了工人的劳动条件。
（5）可以扩大先进的工艺方法的使用范围，促进焊接结构的生产机械化和自动化的综合发展。
2.焊接工艺的工装夹具系统特点、差异及应用
2.1焊接工装夹具特点及差异
与传统的切削工装夹具相比，焊接工装夹具有如下的几个特点及差异：
（1）切削工装夹具的装夹对象大多是一个零部件，而焊接工艺的产品对象则是几个零部件组成的装配体，因此，本质上焊接工装夹具是装配工艺夹具的一种。
（2）焊接工艺及焊接工装夹具控制的精度一般都要比切削加工工艺能控制的精度低一些。
图2.1 一体式焊接夹紧器
（3）焊接过程中零部件和夹具的受力远比切削加工的低很多，但是零部件焊接过程的安装夹紧常常需要考虑焊接的热变形或者热应力的影响。通常，根据工装夹具的使用柔性，夹具可以被分为专用夹具和通用夹具（最主要类型就是模块化的组合夹具）。
2.2焊接工装夹具的应用
焊接工装夹具在制造业中有着非常重要的应用，主要用在复杂且很精密的高价值零部件生产或者是一些机械装备产品的大规模生产中。因为焊接夹具的设计初衷就是为某种零部件的生产过程特别定制的，所以在夹具初期设计阶段就充分考虑各种因素，比如定位精度、稳定性、系统刚性等基本夹紧定位要求外，也考虑到尽可能方便零部件装载，夹紧，拆卸等因素，提高生产过程的效率。近年来生产加工技术和设备的改进，模块化组合工装夹具的技术改进（诸如安装使用的效率改进、零部件精度的大幅提高等等），也都促进了组合夹具的应用和普及。模块化组合夹具通过使用标准化的装夹元件而具备了较大的柔性，有助于减少中小批量多类型产品的生产制造时间和成本。技术验证表明，零部件制造质量无差异的情况下，使用组合夹具具有较低的成本、更快的响应速度和更大的柔性。
3.工程机械制造中的焊接组合夹具的应用
在世界上一些知名的工程装备制造企业，现代化的焊接技术和工艺在产品及零部件的制造中已经有很广泛的应用。工程机械装备中的很多大型部件单独制造是异常困难的，常常由几个零件焊接起来，而焊接技术和工艺的进步使得焊接起来的零部件依然有着很好的物理机械性能，这就推动了先进焊接工艺和技术在工程装备制造业中的广泛应用。模块化的组合焊接工装夹具在这些工程装备制造企业中的应用同样非常广泛。工程机械装备的生产相对于汽车生产那种百万级的生产规模，只是中小型的批量，不宜采用高刚性的专用生产线系统。因此，组合夹具的优点在工程机械制造的生产中可以较好地发挥出来。
图2 柔性三维焊接组合工装
4.计算机辅助技术在焊接组合夹具上的应用
目前，相对于计算机辅助设计在各个方面的飞速发展和应用，夹具设计还有待深入开发。一个重要原因就在于夹具设计从技术传统上来说主要还是一个基于经验的工作过程，例如设计加工制造工艺较复杂的零部件的装夹方案常常要求工程师有许多年的专业工作经验。
因此，对企业生产工艺知识的积累和运用就成为先进计算机辅助夹具设计技术发展和应用的一个重要热点问题，特别是工装夹具设计知识和经验的建模与利用。当前计算机辅助装夹工艺设计领域的另一个热点问题就是对设计的分析和优化。精密薄壁零部件制造的工装夹具设计是一个相当复杂的工作，容易受到加工过程中的力、热等因素的影响。而反复物理实验的方法成本太高，可行性低。通过结构、力、热等多因素耦合的仿真分析能够对铝合金薄壁零部件在设定的工装夹具方案下的应力、变形、精度进行研究，从而对工艺方案做出评估。尽管基于有限元技术的零部件工装夹具工艺方案数值分析和仿真技术发展迅速，但是目前的研究还大多集中在结构应变的研究上。对工装夹具工艺方案有较大影响的因素还包括了加工过程中的热因素（特别是薄壁焊接工艺中）。另一项比较重要的技术就是通过对加工工艺和过程的数值模拟与仿真，模拟在完整的装夹环境下，刀具、机器人焊枪等工具的操作和运动过程，从而对零部件的工装夹具设计方案在加工过程中进行全局仿真分析，并进行优化。
结论
先进焊接技术的进步和发展，推动了焊接工艺在世界先进制造企业零部件生产中的使用。这也就是为焊接工装夹具的使用提供了巨大的空间。模块化组合焊接夹具系统以其标准化、柔性化、快捷化和低成本的特点，在柔性化中小批量生产中应用越来越普及，具有越来越大的发展应用前景，并且随着近年来焊接技术的发展以及焊接零部件在大型精密机械装备上的广泛应用，焊接夹具系统也在快速地向着高精度、高效率的方向发展。先进的计算机辅助工装夹具设计系统也在一些世界领先的制造企业中逐步得到应用，这些先进的设计技术和系统在改进工装夹具的设计效率、检校仿真并完善设计方案、降低开发成本等方面都有着非常巨大的潜力，并将在工装夹具的设计领域产生深远的影响。
参考文献
[1]孟广喆.国内外焊接技术发展情况和对我国今后焊接技术发展的设想.第一届全国焊接会议论文集[J].北京：中国工业出版社，1964.
[2]潘际銮.弧焊过程控制.第八次全国焊接会议论文集[J].第1册.北京：机械工业出版社，1997.