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摘要：本文通过对三维钣金件激光切割加工工艺分析，设计了一种新型柔性夹具工装，解决了传统夹具制作耗时，适用性差、零件质量不可控等问题，该设计对三维钣金高效、高精度加工具有很高的工程实践意义。
Abstract： Based on the analysis of the laser cutting processing technology of 3D sheet metal parts， this paper designs a new type of flexible fixture tooling， which solves the problems of traditional fixture production time-consuming， poor applicability， and uncontrollable part quality. The design is efficient and effective for 3D sheet metal. High-precision machining has high engineering practical significance.
关键词：三维钣金件;激光切割;工装设计
Key words： three-dimensional sheet metal parts;laser cutting;tooling design
中图分类号：TG485 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0071-02
0 引言
钣金具有重量轻、强度高、导电（能够用于电磁屏蔽）、成本低、性能好、大规模量产的优点，在通信、医疗器械、汽车工业、电子电器等行业有着广泛的使用。现在钣金件的加工越来越多的应用了三维激光切割技术，比如说在进行新产品开发或者小批量生产的时候，采用三维激光切割技术既能节省模具的使用量，又能减少新产品的开发周期。在三维钣金件激光切割过程中，工装夹具设计制造等辅助工作所占用的时间要占整个工作周期的绝大部分。如何快速准确地定位加工零件呢？就需要对三维钣金件激光切割加工的夹具设计问题进行全方位研究，使其可以更好地应用于企业生产。
1 三维钣金件加工工艺分析
三维钣金件主要由空间曲面构成（以左右前纵梁后梁连接板为例，如图1所示），该零件其外形极其复杂，定位装夹特别困难。在进行激光切割加工工作时，因为没有切削力，夹具上一般都没有夹紧机构，所以三维激光切割加工过程中不需要夹紧力。按照现有的激光切割装夹工艺，是在三维钣金件冲压成型后，以型面较复杂、自由度约束较多的地方为定位点，然后，使用石膏粉与胶水按一定比例调匀而成的粘稠物连接固定在焊接好的支撑架上，制作定位模型，待模型凉干后，把支撑杆固定在工作台上，在切割线的地方开槽，以免在切割时由于石膏模型的阻挡而无法割透钣金件，然后再调试加工就可以了。
虽然此种工艺对钣金类零件进行固定装夹有很好的效果，但是也有以下几种缺点和技术难点：第一，在进行加工的时候，会因为产生的热量使石膏模蒸发出水汽，零件的接触面在遇到水气后容易生锈;第二，假如石膏定位模型使用时间过长，模型可能会收缩变形，这样就会造成零件定位不准确;第三，每种零件的配套石膏模型夹具都是专一使用的，适应性差，装夹固定校正效率低，夹具制作也消耗大量的材料和时间;第四，如何确保三维钣金件3D曲面上的孔位尺寸和形状轮廓尺寸要求（在0.1mm以内）;第五，要解决以上问题并设计出合理有效的夹具，既能使工件快速准确定位，又能减少工件变形，进而有效保障加工零件的质量。
2 钣金件柔性加工夹具设计
现有的三维钣金件激光切割装夹夹具设计制作工艺有上述缺点和技术难点，所以要研发一种新的柔性快速装夹夹具，以解决上述缺点和技术难点。
2.1 夹具设计思路
以图1左右前纵梁后梁连接板为例，为确保定位的准确性和快速性，以零件的安装曲面特征点为工艺基准实现定位。
2.2 夹具设计步骤
①首先利用三维设计软件UG，设计柔性切换支撑柱（如图2）;②根据三维钣金件曲面形状选取定位点，设计插板式定位卡板（如图3）;③根据三维软件UG设计好的数据，导出夹具加工工程图;④根据夹具设计图纸，使用平面激光切割机加工插板，然后装配各部件完成夹具的制作。
2.3 夹具设计说明
①柔性装夹夹具分为柔性切换支撑柱（图2）和定位卡板（图3）两部分。柔性切换支撑柱由固定底板（图2）、支撑板和锁紧螺钉组成。柔性切换支撑柱固定底板做有4个U形固定槽，能将支撑立柱整体定位固定在三维激光切割机的工作台上，支撑板上开有三维钣金件定位卡板固定槽、固定螺纹孔，用以定位固定定位卡板。通过设计软件UG使用投影功能，把平行线条投影至钣金件定位的3D曲面上，然后拉伸成型，使定位卡板3D型面与钣金件3D型面轮廓相吻合，从而达到定位支撑钣金件的目的。
②柔性装夹夹具组装流程：支撑板通过卡板槽相互穿插定位，然后与固定底板通过焊接连接装配成所述柔性切换支撑柱（图2）;3D型面定位卡板通过卡板槽相互穿插定位，然后通过焊接连接装配成所述的定位卡板（图3）;根据定位卡板的特点合理选择柔性切换支撑柱的数量，使之与定位卡板相配合通过定位卡槽、固定螺钉装配成所述的柔性装夹夹具（图4），柔性装夹夹具通过固定U槽与三维激光切割机工作台上的螺纹孔连接固定;定位卡板的异形轮廓通过与零件3D型面贴合实现定位装夹（图5）。 3 柔性装夹夹具的主要功能和优点
①碳钢板作为夹具的用材，取材比较方便，一些零件切割下来的边角料，正好可以用来制作夹具。制作过程也比较简单，利用平面激光切割机切割形状和焊机点焊拼装就可以，支撑柱使用数量根据零件大小来决定，夹具每块钣金重量约一到二公斤，单个立柱重量约十到十二公斤，这个重量正常成人均可抬起，方便装拆。因为大部分夹具采用卡槽定位的形式，穿插即可，所以组装方便，机动性好，适用面广，大批量地生产有利于降低夹具制作成本。
②夹具装夹零件效率高，通过钣金件的3D型面设计切割成形的定位卡板轮廓，能够快速装夹定位，激光切割零件的质量有很好的可控性。
③夹具的适用性高，大多数激光三维切割零件都能够适用，定位卡板为零件的主定位，支撑柱、固定卡板为辅助定位。这种夹具还能根据零件大小的不同来合理选择支撑柱的使用数量;而且零件型面不同，只需简单修改定位卡板与零件型面贴合部分（即异形轮廓），就能让夹具能同时固定定位数个相同或不同的零件，提高零件固定装夹与切割效率的同时还减少了工装夹具成本。
4 新型激光切割工装的优势
①对比传统定位工装的制作方案、制作工艺，新工艺主要优势有三点：一是由于新型工装使用了交叉拼接、一体焊接的形式，稳固性好，轻易不会发生变形，重复定位的时候精度较高，需要调整的地方少：二是新型工装采用正向设计思路，运用三维数模软件设计支撑截面、装配插槽及工装定位;三是可以组合应用，在一定情况下可以根据工序件的实际大小，分别设计多个小单元进行组合应用，这样的组合应用使一体大型工装不易存放、移动等缺点得到了解决。
②对比传统定位工装的激光切割工艺流程，新工艺流程主要优势为：第一，在基准样件的使用上，新型工装切割样件可以不用，这样数控加工中心的辅助工作就会减少很多。而且整个工装都由薄板制成，大大节省了生产成本的投入;第二，對比传统模式，现在的新型工装设计、制作，程序的编写均可在模具设计后进行，试制件生产流程的改动起到了缩短生产周期，提高生产效率的作用。
5 结论
本文通过对比传统与新型定位工装的制作方案，得出新型工装采用正向设计，不易变形，重复定位精度高，修整量小。通过对比传统与新型定位工装的激光切割工艺流程，得出新型定位工装制作成本低，生产周期大幅缩短，生产效率也得到了很大提高。在实践过程中，利用该快速装夹夹具进行了不同零件的加工，经过测量，所有尺寸都符合零件图纸设计要求，质量可控性均得到有效保障，夹具的整体结构使用寿命不受影响。
参考文献：
[1]陈涛，王智勇，等.激光加工技术在汽车车身大型覆盖件中的应用[J].中国机械工程，2002，13（1）：8-11.
[2]陈根余，黄丰杰，等.三维激光切割技术在车身覆盖件制造中的应用与研究[J].激光杂志，2008，29（4）.
[3]宋耀详，浦林详.现代夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2009，10（2018.1重印）.
[4]郑启光，邵丹.激光加工工艺与设备[M].北京：机械工业出版社，2016，08.
Abstract： Based on the analysis of the laser cutting processing technology of 3D sheet metal parts， this paper designs a new type of flexible fixture tooling， which solves the problems of traditional fixture production time-consuming， poor applicability， and uncontrollable part quality. The design is efficient and effective for 3D sheet metal. High-precision machining has high engineering practical significance.
关键词：三维钣金件;激光切割;工装设计
Key words： three-dimensional sheet metal parts;laser cutting;tooling design
中图分类号：TG485 文獻标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）15-0071-02
0 引言
钣金具有重量轻、强度高、导电（能够用于电磁屏蔽）、成本低、性能好、大规模量产的优点，在通信、医疗器械、汽车工业、电子电器等行业有着广泛的使用。现在钣金件的加工越来越多的应用了三维激光切割技术，比如说在进行新产品开发或者小批量生产的时候，采用三维激光切割技术既能节省模具的使用量，又能减少新产品的开发周期。在三维钣金件激光切割过程中，工装夹具设计制造等辅助工作所占用的时间要占整个工作周期的绝大部分。如何快速准确地定位加工零件呢？就需要对三维钣金件激光切割加工的夹具设计问题进行全方位研究，使其可以更好地应用于企业生产。
1 三维钣金件加工工艺分析
三维钣金件主要由空间曲面构成（以左右前纵梁后梁连接板为例，如图1所示），该零件其外形极其复杂，定位装夹特别困难。在进行激光切割加工工作时，因为没有切削力，夹具上一般都没有夹紧机构，所以三维激光切割加工过程中不需要夹紧力。按照现有的激光切割装夹工艺，是在三维钣金件冲压成型后，以型面较复杂、自由度约束较多的地方为定位点，然后，使用石膏粉与胶水按一定比例调匀而成的粘稠物连接固定在焊接好的支撑架上，制作定位模型，待模型凉干后，把支撑杆固定在工作台上，在切割线的地方开槽，以免在切割时由于石膏模型的阻挡而无法割透钣金件，然后再调试加工就可以了。
虽然此种工艺对钣金类零件进行固定装夹有很好的效果，但是也有以下几种缺点和技术难点：第一，在进行加工的时候，会因为产生的热量使石膏模蒸发出水汽，零件的接触面在遇到水气后容易生锈;第二，假如石膏定位模型使用时间过长，模型可能会收缩变形，这样就会造成零件定位不准确;第三，每种零件的配套石膏模型夹具都是专一使用的，适应性差，装夹固定校正效率低，夹具制作也消耗大量的材料和时间;第四，如何确保三维钣金件3D曲面上的孔位尺寸和形状轮廓尺寸要求（在0.1mm以内）;第五，要解决以上问题并设计出合理有效的夹具，既能使工件快速准确定位，又能减少工件变形，进而有效保障加工零件的质量。
2 钣金件柔性加工夹具设计
现有的三维钣金件激光切割装夹夹具设计制作工艺有上述缺点和技术难点，所以要研发一种新的柔性快速装夹夹具，以解决上述缺点和技术难点。
2.1 夹具设计思路
以图1左右前纵梁后梁连接板为例，为确保定位的准确性和快速性，以零件的安装曲面特征点为工艺基准实现定位。
2.2 夹具设计步骤
①首先利用三维设计软件UG，设计柔性切换支撑柱（如图2）;②根据三维钣金件曲面形状选取定位点，设计插板式定位卡板（如图3）;③根据三维软件UG设计好的数据，导出夹具加工工程图;④根据夹具设计图纸，使用平面激光切割机加工插板，然后装配各部件完成夹具的制作。
2.3 夹具设计说明
①柔性装夹夹具分为柔性切换支撑柱（图2）和定位卡板（图3）两部分。柔性切换支撑柱由固定底板（图2）、支撑板和锁紧螺钉组成。柔性切换支撑柱固定底板做有4个U形固定槽，能将支撑立柱整体定位固定在三维激光切割机的工作台上，支撑板上开有三维钣金件定位卡板固定槽、固定螺纹孔，用以定位固定定位卡板。通过设计软件UG使用投影功能，把平行线条投影至钣金件定位的3D曲面上，然后拉伸成型，使定位卡板3D型面与钣金件3D型面轮廓相吻合，从而达到定位支撑钣金件的目的。
②柔性装夹夹具组装流程：支撑板通过卡板槽相互穿插定位，然后与固定底板通过焊接连接装配成所述柔性切换支撑柱（图2）;3D型面定位卡板通过卡板槽相互穿插定位，然后通过焊接连接装配成所述的定位卡板（图3）;根据定位卡板的特点合理选择柔性切换支撑柱的数量，使之与定位卡板相配合通过定位卡槽、固定螺钉装配成所述的柔性装夹夹具（图4），柔性装夹夹具通过固定U槽与三维激光切割机工作台上的螺纹孔连接固定;定位卡板的异形轮廓通过与零件3D型面贴合实现定位装夹（图5）。 3 柔性装夹夹具的主要功能和优点
①碳钢板作为夹具的用材，取材比较方便，一些零件切割下来的边角料，正好可以用来制作夹具。制作过程也比较简单，利用平面激光切割机切割形状和焊机点焊拼装就可以，支撑柱使用数量根据零件大小来决定，夹具每块钣金重量约一到二公斤，单个立柱重量约十到十二公斤，这个重量正常成人均可抬起，方便装拆。因为大部分夹具采用卡槽定位的形式，穿插即可，所以组装方便，机动性好，适用面广，大批量地生产有利于降低夹具制作成本。
②夹具装夹零件效率高，通过钣金件的3D型面设计切割成形的定位卡板轮廓，能够快速装夹定位，激光切割零件的质量有很好的可控性。
③夹具的适用性高，大多数激光三维切割零件都能够适用，定位卡板为零件的主定位，支撑柱、固定卡板为辅助定位。这种夹具还能根据零件大小的不同来合理选择支撑柱的使用数量;而且零件型面不同，只需简单修改定位卡板与零件型面贴合部分（即异形轮廓），就能让夹具能同时固定定位数个相同或不同的零件，提高零件固定装夹与切割效率的同时还减少了工装夹具成本。
4 新型激光切割工装的优势
①对比传统定位工装的制作方案、制作工艺，新工艺主要优势有三点：一是由于新型工装使用了交叉拼接、一体焊接的形式，稳固性好，轻易不会发生变形，重复定位的时候精度较高，需要调整的地方少：二是新型工装采用正向设计思路，运用三维数模软件设计支撑截面、装配插槽及工装定位;三是可以组合应用，在一定情况下可以根据工序件的实际大小，分别设计多个小单元进行组合应用，这样的组合应用使一体大型工装不易存放、移动等缺点得到了解决。
②对比传统定位工装的激光切割工艺流程，新工艺流程主要优势为：第一，在基准样件的使用上，新型工装切割样件可以不用，这样数控加工中心的辅助工作就会减少很多。而且整个工装都由薄板制成，大大节省了生产成本的投入;第二，對比传统模式，现在的新型工装设计、制作，程序的编写均可在模具设计后进行，试制件生产流程的改动起到了缩短生产周期，提高生产效率的作用。
5 结论
本文通过对比传统与新型定位工装的制作方案，得出新型工装采用正向设计，不易变形，重复定位精度高，修整量小。通过对比传统与新型定位工装的激光切割工艺流程，得出新型定位工装制作成本低，生产周期大幅缩短，生产效率也得到了很大提高。在实践过程中，利用该快速装夹夹具进行了不同零件的加工，经过测量，所有尺寸都符合零件图纸设计要求，质量可控性均得到有效保障，夹具的整体结构使用寿命不受影响。
参考文献：
[1]陈涛，王智勇，等.激光加工技术在汽车车身大型覆盖件中的应用[J].中国机械工程，2002，13（1）：8-11.
[2]陈根余，黄丰杰，等.三维激光切割技术在车身覆盖件制造中的应用与研究[J].激光杂志，2008，29（4）.
[3]宋耀详，浦林详.现代夹具设计手册[M].北京：机械工业出版社，2009，10（2018.1重印）.
[4]郑启光，邵丹.激光加工工艺与设备[M].北京：机械工业出版社，2016，08.