焊接工装夹具设计概述.docx
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焊接工装夹具设计概述
序言..................................................1
第一节夹具设计的目的意义及要求........................2
1.夹具目的意义
2.对焊接工装夹具的设计要求
3.装焊夹具设计方案的确定
第二节装焊夹具设计方案...............................6
1、夹具体
2、压板
3、螺旋夹紧器件
4、受力分析
第三节装焊夹具使用说明..............................8
第四节本次课程设计小结、体会及建议..................8
第五节参考资料.......................................9
序言
1、焊接工装夹具及其在生产中的运用
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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。
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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。
2、焊接工装夹具的主要作用有以下几个方面：
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（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。
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（2）有效的防止和减轻了焊接变形。
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（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。
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（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。
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（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。
3、夹具设计的基本要求
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（1）、工装夹具应具备足够的强度和刚度。
夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用，所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。
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（2）、夹紧的可靠性。
夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求。
既不能允许工件松动滑移，又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。
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（3）、焊接操作的灵活性。
使用夹具生产应保证足够的装焊空间，使操作人员有良好的视野和操作环境，使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。
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（4）、便于焊件的装卸。
操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出，还要制品在翻转或吊运使不受损害。
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（5）、良好的工艺性。
所设计的夹具应便于制造、安装和操作，便于检验、维修和更换易损零件。
设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素，降低夹具制造成本。
第一节夹具设计的目的意义及要求
1.夹具目的意义
焊接工装夹具是将焊件准确定位并夹紧，用于装配和焊接的工艺装备。
在焊接结构生产中，把用来装配进行定位焊的夹具称为装配夹具：
而专门用来焊接焊件的夹具称为焊接夹具：
把既用于装配又用于焊接的夹具称为装焊夹具。
它们统称为焊接工装夹具。
2.对焊接工装夹具的设计要求：
（1）焊接工装夹具应动作迅速，操作方便，操作位置应处在工人容易接近，最宜操的
部位。
特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人最容易用力的部位，当夹具处于夹紧装态时，应能自锁。
（2）焊接工装夹具应有足够的装配焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸，所有的定位原件和夹紧装置应与焊道保持适当距离或者布置在焊件的下方和侧面。
夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。
（3）夹紧可靠，刚性适当，夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，夹紧后不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大，产生较大的应力。
（4）为了保证使用安全，应设置必要的安全连锁保护装置。
（5）夹紧时不应损坏焊件的表面质量，夹紧薄件和软质材料的焊件时，应限制夹紧力，或者对压头行程限位，加大压头接触面积，添加铝铜衬垫等措施。
（6）接近焊接部位的夹具，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅对夹紧机构和定位器表面的损伤。
（7）夹具的施力点应位于焊件的支撑处或者布置在靠近支撑的地方，要防止支撑反力与夹紧力，支撑反力与重力形成力偶。
（8）注意各种焊接方法在导热导电隔磁绝缘等方面对夹具提出的特殊要求。
（9）用于大型板焊接结构的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度，尺寸精度影响较大。
（10）在一个夹具上，定位器和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量选用一种动力源。
（11）工装夹具本身应具有较好的制造工艺和较高的机械效率。
（12）尽量选用已通用化标准化的夹紧机构及标准零部件来制作工装夹具。
3.装焊夹具设计方案的确定
1）、基准面的选择（夹具体方式的确定）
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夹具体是夹具的基本件，它既要把夹具的各种元件、机构、装置连接成一个整体，而且还要考虑工件装卸的方便。
因此，夹具体的形状和尺寸主要取决于夹具各组成件的分布位置、工件的外形轮廓尺寸以及加工的条件等。
在设计夹具体时应满足以下基本要求。
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①、具有足够的强度和刚度。
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②、结构简单、轻便，在保证强度和刚度前提下结构尽可能简单紧凑，体积小、质量轻和便于工件装卸。
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③、安装稳定牢靠。
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④、结构的工艺性好，便于制造、装配和检验
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⑤、尺寸要稳定且具有一定精度。
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⑥、清理方便。
夹具体毛坯制造方法的选择?
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综合考虑结构合理性、工艺性、经济型、标准化以及各种夹具体的优缺点等，选择夹具体毛坯制造方法为铸造夹具体；
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夹具体的外形尺寸?
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在绘制夹具总图时，根据工件、定位元件、夹紧装置及其辅助机构在总体上的配置，夹具体的外形尺寸便已大体确定。
然后进行造型设计，再根据强度和刚度要求选择断面的结构形状和壁厚尺寸。
根据设计要求，夹具体上设计有螺孔、销孔，并且要求定位定位器和夹紧器的销孔在装配时配作。
2）、定位方式及元器件选择
（1）、定位器的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不便的位置，在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。
工件的定位原理
自由物体在空间直角坐标系中有六个自由度，即沿OX,OY,OZ三个轴向的平动自由度和三个绕轴的转动自由度。
要使工件在夹具体中具有准确和确定不变的位置，则必须限制六个自由度。
工件的六个自由度均被限制的定位叫做完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。
在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可采用不完全定位的方法。
在焊接夹具制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制设计中，按加工要求应限一个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度，过定位也属于不合理设计。
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①、以工件的平面为基准进行定位时，常采用挡铁、支撑钉进行定位
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②、工件以圆孔内表面为基准进行定位时常采用销定位器
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③、工件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形铁定位器
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④、利用以定位工件的轮廓对被定位工件进行定位可采用样板定位器
3）、夹紧方式及元器件选择
夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定、夹紧力作用点的确定、夹紧力大小的确定。
对夹紧机构的基本要求如下：
①、夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。
②、夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不应损害零件表面质量
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③、夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调节的。
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④、结构力求简单，便于制造和维修。
4）、装焊夹具结构
装焊夹具采用夹具体，再在夹具体上装上定位和挡销、螺旋夹紧器件，定位和夹紧序4发动机衬管两件的插销机构、快撤式螺旋夹紧器件，定位组件的锥头销钉、螺旋夹紧机构，构成整个焊接夹具。
第二节主要零件设计的说明
1、夹具体
综合考虑了结构合理性、工艺性、经济型、标准化以及各种夹具体的优缺点等，选择夹具体毛坯制造方法为铸造夹具体；考虑到定位的精确度，要求定位定位器和夹紧器的销孔在装配时配作；考虑到焊件小，夹具体的强度要求以及夹具体的结构要求，没有在夹具体上设计加强筋。
2、压板
考虑到不能损伤工件表面，增加一个压板，增大工件与夹具的接触面积。
3、螺旋夹紧器件
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螺旋夹紧机构加紧焊件方式有两种：
一种是螺旋杆端部直接与焊件接触进行加紧，这种方式缺点是加紧过程中容易使焊件移动，同时容易损伤工件表面。
另一种是螺杆端部通过活动压脚加紧焊件，这种方式不仅克服了以上缺点，而且压脚是活动的，在一定范围内可以自行调节，增强了加紧的可靠性。
4、受力分析
如图夹紧机构，手柄受外力Fs用所产生的力矩M，使螺杆与焊件夹紧而发生夹紧力F，当焊件处于夹紧状态时，螺杆所受力矩M＝FsL，必须与螺母加于螺杆的总反力所产生的阻力矩MQ，以及螺杆端部与焊件接触产生的摩擦力而引起的力矩MF相平衡，即
MQ﹦MQ﹢MF————————1
将FZ分解为水平力FP和水平力F’后，则
FP=F’tan（λ＋φ1）
从垂直方向的力平衡关系F=F’得
FP=Ftan（λ＋φ1）
若螺旋中距为d2，则螺母加于螺杆的总反力为F2所产生的阻力距
MQ=0.5d2FP带入得
MQ=0.5d2Ftan（λ＋φ1）————2此外，螺杆顶部与焊件接触摩擦力为
F’’=Ftanφ2
式中φ2---------螺杆顶部与焊件接触摩擦角
若摩擦力的作用半径为R’,则该摩擦力产生的力矩MF=R’F’’=R’Ftanφ2——3
将1,2带入3得
M=0.5d2Ftan（λ＋φ1）+R’Ftanφ2
F=2FsL/[d2Ftan（λ＋φ1）+R’Ftanφ2]
式中F————夹紧力（N）
FS—————加在手柄上的外力
λ—————螺旋升角
L——————手柄上加力点的间距
d2——————螺旋中距
Φ1——————螺杆与螺母间的当量摩擦角普通螺纹取6o35′
tanΦ2——————焊件与压脚间的摩擦因素，在0.1——0.15之间
R’————————焊件与压脚间的摩擦力矩半径
所以的螺旋夹紧机构产生的夹紧力如下表
序号
压脚接触类型
螺纹规格
手柄长度L/mm
外力FS/N
夹紧力F/N
1
点接触
M10
120
25
4200
M12
140
35
5700
M16
190
65
10600
M20
240
100
16500
M24
310
130
23000
第三节装焊夹具使用说明
1、夹具使用注意事项、保养及维护
（1）使用前对限位尺寸检查是否还保持正确位置；
（2）如果挡销磨损超差，可以进行打磨修复；如果挡板、插销、定位锥头销磨损超差，可以重新组装，错开磨损部位后继续使用。
（3）使用后需要涂防绣油。
第四节本次课程设计小结、体会及建议
大多数焊接工装是为某种焊接组合件的装配焊接工艺而专门设计的，属于非标准装置，往往需要根据产品机构特点、生产条件和你实际需要自行设计制造。
焊接工装设计是生产准备工作的重要内容之一，也是焊接生产工艺设计的主要任务之一。
对于汽车、摩托车和飞机等制造业，可以毫不夸张地说，没有焊接工装就没有产品。
通过在工艺设计时，提出所需要的工装类型、结构草图和简要说明，在此基础上完成详细的结构和零件设计及全部图样。
工装设计的质量，对生产效率、加工成本、产品质量以及生产安全等有直接的影响，为此，设计焊接工装时必须考虑实用性、经济性、可靠性、艺术性等。
在机械设计和制造过程中，普遍存在尺寸链问题。
在把零件组装成机器的过程中，也就是将零件上有关的尺寸进行组合和积累。
由于零件尺寸存在制造误差，因此装配时也就会有误差的综合和积累。
累积后形成的总误差将会影响机器的工作性能和质量。
这就形成了零件的尺寸误差和综合误差之间的相互影响关系。
设计工装夹具也不例外。
合理地确定零件的尺寸公差和形位公差显得很重要。
通过本次课程设计，不仅增强了对焊接工艺装备专业性知识的系统化，而且将专业知识、设计能力和实践能力的有机的结合在一起。
收获更深的应该是夯实并拓宽了设计工装夹具的思路以及对设计的思维原则性和灵活性的锻炼。
第五节参考资料
1、贾安东.焊接结构及生产设计.天津:
天津大学出版社,1989
2、王政.焊接工装夹具及变位机械.北京：
机械工业出版社，2001
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3、陈焕明.焊接工装设计基础.北京：
航空工业出版社，2006
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