管道法兰焊接夹紧机构.docx

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管道法兰焊接夹紧机构

学号

密级公开

本科毕业设计

管道法兰焊接凸轮夹紧机构

学院名称：

专业名称：

焊接技术与工程

学生姓名：

指导教师：

二○一四年五月

TheClampMechanismforPipeFlangeWelding

College：

Subject：

WeldingTechnologyandEngineering

Name：

Directedby：

May2014

郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

随着我国焊接行业的快速发展，越来越多的高精度焊接产品成为焊接生产企业的主要生产内容，在焊接过程中采用合理的夹具结构有利于科学安排流水线生产，便于平衡工位时间，减少非生产用时。

采用焊接工装夹具，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。

由于焊件在夹具中可强行夹固或预先给予反变形，所以能控制或消除焊接变形。

由于法兰在焊接装夹时找正比较费时，定位精度不易保证，导致生产率低。

针对该问题,本课题以方便法兰的装夹为出发点设计了一种结构紧凑、定位精度高、装夹方便、效率高的法兰焊接专用夹具。

关键词：

法兰盘夹紧；双面偏心轮；焊接工装夹具

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentoftheweldingindustry,agrowingnumberofhigh-precisionweldingproductsbecomeamajormanufacturerofweldingproductioncontent,usingreasonablefixturestructureduringweldingproductionlinesconducivetoscientificarrangementstofacilitatebalancingstationtime,reducenon-productiontime.Weldingfixture,accurateandreliablepositioningandclampingcanreduceorevenabolishthecuttingandmarkingwork.Reduceproductsizedeviation,improvedaccur-acyandpartsinterchangeability.Sincetheclampingforceweldmentcanbegiveninadvanceorreversedeformationinthefixture,theyareabletocontroloreliminateweldingdeformation.

Sincetheclampingflangealignmentduringweldingtime-consuming,difficulttoensureaccuracy,resultinginlowproductivity.Tosolvethisproblem,inordertofacili-tatethetaskofclampingflangedesignasastartingpointacompact,highpositioningaccuracy,easyclamping,highefficiencyweldingflangesspecialfixture.

Keywords:

Flangeclamp；Doubleeccentric；Weldingfixture

第1章绪论

1.1选题依据及课题意义1

1.2国内外研究现状及发展趋势1

1.2.1焊接法兰简介1

1.2.2焊接工装夹具的现状和发展2

1.3本课题的研究内容2

第2章夹紧机构的设计

2.1定位原理及装夹特点4

2.2夹具主要组成部分4

2.3夹具运动过程及原理5

第3章夹具设计

3.1夹紧力的确定7

3.1.1夹紧力方向的选择7

3.1.2夹紧力计算7

3.2底座的设计8

3.3双面偏心轮的设计9

3.3.1圆偏心夹紧机构的自锁条件9

3.3.2圆偏心夹紧机构的受力分析11

3.3.3圆偏心夹紧机构夹紧力的计算12

3.4夹爪的设计12

3.5旋转轴的设计13

3.6拉伸弹簧的设计与选择14

第4章主要零件校核计算

4.1螺栓强度校核15

4.1.1支撑耳螺栓强度校核15

4.1.2弹簧连接螺栓强度校核15

4.2旋转轴的强度校核16

4.3关键部件的优化设计思路17

结论18

参考文献19

致谢20

第1章绪论

1.1选题依据及课题意义

现在，随着科学技术的进步，焊接结构正朝着超大型、高容量、高参数、耐磨、耐蚀、耐低温、耐动载的方向发展，除提供质量更高、性能更好的各种焊机、焊接材料和焊接工艺外，还要求提供各种性能优异的焊接工装设备，使焊接生产实现机械化和自动化，减少人为因素干扰，达到保证和稳定焊接质量、改善焊工劳动条件、提高生产率、促进文明生产的目的。

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。

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。

总之，焊接机械装备对焊接生产的有利作用是多方面的。

总括而言，就是保证焊接质量，提高焊接生产率，改善工人的作业条件，实现机械化、自动化焊接生产过程四个方面。

因此，无论在焊接车间或是在施工现场，焊接机械装备已成为焊接生产中不可缺少的装备之一，从而获得了广泛的应用。

1.2国内外研究现状及发展趋势

1.2.1焊接法兰简介

法兰又称法兰盘或者突缘，通常是指在一个类似盘状的金属体的周边开上几个固定用的孔用于连接其它东西的一种零件。

焊接法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端；也有用在设备进出口上的法兰，用于两个设备之间的连接，如减速机法兰。

管道法兰指管道装置中配管用的法兰，用在设备上指设备的进出口法兰。

法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。

法兰盘由英国传入我国。

法兰盘在我国机械行业、建筑行业和水利水电行业应用及其广泛，自上世纪90年代以来，日本在我国开辟法兰市场之后，紧接着韩国和欧美等国也蜂拥而至，导致我国法兰市场的份额大增。

近几年来，我国在法兰的制造领域和研发领域取得了一定的突破，因产业链和市场的影响，加上政策的支持，大量的工厂和个人加工作坊开始大批量的生产和销售法兰成品。

经调查发现，近几年全球在法兰方面的市场容量联创新高，产销规模大幅增加，价格也居高不下。

由此导致的研究领域在开发法兰产品方面也加快了步伐，各种类型和功能的法兰产品层出不穷。

焊接法兰连接是管道施工的重要连接方式。

法兰连接使用方便，能够承受较大的压力。

在工业管道中，法兰连接的使用十分广泛。

在家庭内，管道直径小，而且是低压，看不见法兰连接。

如果在一个锅炉房或者生产现场，到处都是焊接法兰连接的管道和器材。

1.2.2焊接工装夹具的现状和发展

夹具最早出现在18世纪后期,在机械加工过程中，夹具占有非常重要的地位，它可靠地保证了工件的加工精度，提高了加工效率，减轻了劳动的强度。

随着科学技术的不断进步,夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。

国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85%左右。

在多种生产的企业中，每隔3～5年就要更新50%～80%左右的专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10%～20%左右。

德国demmeler（戴美乐）公司孔系列组合焊接夹具，仅用品种、规格很少配套元件，即能组装成多种多样焊接夹具[1]。

元件功能强，使夹具通用性好，元件少而精，配套费用低，经济实用才有推广应用价值。

焊接夹具正朝着更加广泛、科学高效的方向发展。

1.3本课题的研究内容

本课题设计了一种管道法兰焊接所用的凸轮夹紧机构。

由于法兰在焊接装夹时找正比较费时，定位精度不易保证，导致生产率低。

因此，针对该问题，本课题设计了一种结构紧凑、定位精度高、装夹方便、效率高的工装夹具。

专用夹具应用可以减轻工人操作强度，降低对工人的技术要求，因为在夹具上安装好以后，工件的位置就是由夹具来保证的，而法兰盘安装在夹具体上很简单，所以对工人要求不是很高。

本夹具的作用可以简述如下：

法兰直接在夹具上安装，可以避免加工时造成的工件的误差太大，例如，法兰在装夹过程中，如果采用三爪卡盘夹紧工件，那么由于三爪卡盘有一定的误差，就设计了专用夹具进行装夹。

第2章夹紧机构的设计

2.1定位原理及装夹特点

工件在夹具中的定位，是通过工件上的定位基准与定位器的工件表面接触或配合来实现的。

在设计夹具时首先应根据工件的形状选择合理的基准，尽量选用粗糙度适宜的零件表面作为基准，工件上被选作定位基准的表面常有平面、外圆柱面、圆孔、圆锥面、型面等，定位方法和定位器的具体结构应与之相适应。

同时又要使一个基准具有多种用途以减少基准的数量，从而简化夹具，因此在选择基准时常常将设计基准作为定位、装配和测量基准，即遵循基准重合原则。

法兰为回转类零件，对圆跳动有要求。

根据夹具定位“六点定则”[2,3]，可采取定位销与定位孔配合进行定位。

其中，采用圆柱销时，可限制工件的4个自由度。

箱体上表面可限制2个自由度。

（1）直接安装法

法兰加工可直接安装在通用夹具（如三爪卡盘、平口钳、电磁吸盘等标准附件）上，不另行找正即夹紧，例如用三爪卡盘直接夹紧法兰的外圆或撑内孔，用这种方法安装工件时，找正比较费时，因此辅助时间会多一些，且定位精度的高低要取决于所用工具或仪表的精度，以及工人的水平，定位精度不易保证，生产率较低[4]。

（2）专用夹具安装

对于生产批量较大的法兰加工，有必要为法兰加工设计专用夹具，法兰安装在为其加工专门设计和制造的夹具中，无需进行找正，就可以迅速而可靠的保证法兰夹紧，而且装卸方便可以节省大量辅助时间。

虽然设计和生产专用夹具需要一定的设备和资金投入，但由于批量大，这些消耗可以由法兰所创造的利润来抵消。

2.2夹具主要组成部分

夹具的结构由箱体、定位元件、偏心轮杠杆机构、压紧元件组成。

在阐述该偏心轮杠杆夹紧机构的设计原理之前，首先展示一下这种偏心轮杠杆夹紧机构的结构图[5-7]。

1夹爪2工件3调整螺钉4传动销

5偏心轮6弹簧拉伸螺钉7弹簧

图2.1夹具装配图

定位元件：

它是指使法兰在夹具中占据正确的位置的元件，只要将法兰的定位基面与夹具上的定位元件紧密接触或相配合，就可以使法兰定位。

夹紧机构：

它是指能够使法兰在受到加工过程中的各种作用力（夹紧力等）时，能够保持原来已经获得的正确位置，它的作用就是无论外界的力发生什么变化，没有加工要求时，法兰的位置就不能变化，这样才能保证法兰的加工质量。

夹具体：

装夹法兰的所有夹具中有一个共同的组成部分，这就是夹具体，夹具体负责把组成夹具的所有元件和装置连接起来组成一个整体的基础零件，从而为保证法兰加工提供条件。

2.3夹具运动过程及原理

由图2.1可以直观地知道力的传递过程为:

手动产生力源作用于手柄→轴→偏心轮→传动销→调整螺钉→夹爪→工件。

此种凸轮杠杆夹紧机构的工作过程为：

由夹紧状态用手握住手柄往反时针方向扳过90。

，同时在弹簧的作用下，使调整螺钉在偏心轮的接触位置由最大径变为最小径，两夹爪下端往里收，上端往外翘，两夹爪同时完全脱离工件，完成此机构松开工件的动作。

夹紧动作的完成与松开动作相反。

总的来说，此种凸轮杠杆夹紧机构夹紧和松开的动作是靠偏心轮的外形径向差来实现的。

夹爪起杠杆的作用，在它的参与下，既改变了力的大小又改变了力的方向。

由于法兰的结构相似，在制造夹具时考虑了成组性，即同样的夹具可以用于不同型号的法兰的应用，主要就是要调整夹爪上销钉的位置[8]。

第3章夹具设计

3.1夹紧力的确定

装配、焊接焊件时，焊件所需的夹紧力，按性质可分为四类：

第一类是在焊接及随后的冷却过程中，防止焊件发生焊接残余变形所需的夹紧力；第二类是为了减少或消除焊接残余变形，焊前对焊件施以反变形所需的夹紧力；第三类是在焊件装配时，为了保证安装精度，使各相邻焊件相互紧贴，消除它们之间的装配间隙所需的夹紧力，或者，根据图样要求，保证给定间隙和位置所需的夹紧力；第四类是在具有翻转或变位功能的夹具或胎具上，为了防止焊件翻转变位时在重力作用下不致坠落或移位所需的夹紧力。

为满足夹紧装置的基本要求，必须合理选择夹紧力，它对夹紧装置的设计起着决定性的作用。

3.1.1夹紧力方向的选择

（1）夹紧力方向应垂直于主要定位基准面。

（2）夹紧力方向应有利于减小焊件变形。

（3）夹紧力的方向应有利于减小夹紧力。

在该夹具设计中，定位基准主要是箱体上表面，被焊工件放置在它的上面，此时夹紧力方向垂直于主要定位基准面，夹紧力最小[9]。

3.1.2夹紧力计算

为了选择合适的夹紧机构及传动装置，就应该知道所需夹紧力的大小。

夹紧力大小要适当，过大会使工件变形，过小则在装配焊接时工件易松动，安全性无保证。

板材焊接时夹紧力的计算公式为

（3.1）

（F—夹紧力；f—挠度；E—板材的弹性模量；r—鼓包半径；

—板材厚度）

由于夹具可夹持各类型法兰，包括甲型法兰、乙型法兰、长颈法兰，其法兰盘厚度范围为26～40mm。

对于此厚度范围内的板材，焊接时变形较小。

因此，机构的夹紧力根据式3.1及相关资料[10,11]，取F=1000N可保证可靠夹紧。

3.2底座的设计

此夹具体箱体为组合件，如图3.1所示。

图3.1箱体

底座部分中，箱体采用铸造方式加工，所用材料为45钢。

支撑耳及地脚螺栓耳单独进行机加工，然后进行焊接，必须保证其位置。

孔要在铸造后进行加工。

箱体在进行铸造时，为方便成型，某些部位允许适当斜度及圆角过渡，但必须保证其平面平整及垂直度和水平度[12]。

箱体长度与宽度尺寸设计依据所夹持的法兰盘的大小。

由于法兰盘形状为圆形，同时为便于支撑耳及地脚螺栓耳焊接安装并确保其位置准度，底座尺寸定为450×460mm。

特别的，由于箱体前后壁要安装轴承及轴承端盖，故将前后壁的壁厚设计为20mm，其他面壁厚设计为10mm。

箱体高度的设计依据偏心轮旋转位置及夹爪尺寸、尽可能小的传动力，从而设计高度为213mm。

支撑耳位置及尺寸设计依据夹爪夹持法兰盘的位置以及夹紧力的大小。

支撑耳孔大小依据夹爪上孔的大小，主要是为保证夹爪强度而设计，孔大小D=18mm。

地脚螺栓耳主要作用是保证夹具体的固定，从而根据选取的沉头孔D=10mm，设计地脚螺栓耳尺寸为30×30×15mm[13]。

3.3双面偏心轮的设计

双面偏心轮材料选用20钢。

双面偏心轮的结构，是由两个偏心轮合成的。

主要用于自动定心机构或用于多件、单件的多点夹紧，其操纵系统以轴的转动来带动偏心轮。

因此，我们需要对圆偏心夹紧机构进行说明。

如图3.2所示，双面偏心轮的组成由偏心轮

（1）和偏心轮

（2）组成。

其中偏心轮

（1）的几何中心为O1，偏心轮

（2）的几何中心为O2，回转中心为O。

图3.2圆偏心夹紧

3.3.1圆偏心夹紧机构的自锁条件

图3.3圆偏心夹紧

一个夹紧机构要保证夹紧安全可靠，就必须使机构可靠地符合自锁条件，而此机构的自锁就是在这个关键部件上得以实现的，下面我们来分析一下它是如何实现自锁的[14]。

在圆偏心夹紧中，夹紧力是随升高角λ值的大小而变化的

（3.2）

λ角越小，夹紧力越大；λ角越大，夹紧力越小。

当偏心轮的工作部分选择在K点附近时，由于在左、右夹角为35°～45°之间的一段圆弧内，λ角的变化不大，所以可以得到较稳定的夹紧力。

因此，常以K点为准进行夹紧力的计算。

由图3.3可看出，若不计圆偏心轮的自重，为保证夹紧状态时的自锁，必须满足

（3.3）

（F—夹紧力；e—偏心距；F1—焊件与圆偏心轮间的摩擦力；F2—圆偏心轮轴孔处的摩擦力；D—圆偏心轮直径；d—轴径）

图3圆偏心夹紧

因偏心轮轴孔处的摩擦力F2较小，可以忽略，则上式可写成

（3.4）

由图3.3（a）可知，tanλ=得tanλ≤f

（3.5）

因摩擦因数f=tanφ，故λ≤φ

由上式可知，圆偏心夹紧的自锁条件必须是升高角小于摩擦角。

由于圆偏心轮在夹紧过程中λ角是变化的，因此其自锁性能也是变化的。

当偏心线段oc处在水平位置时，λ角最大，自锁性能最差，影响使用安全；当oc处于垂直位置时，λ角为零，偏心轮又卡得很紧，使松夹发生困难[15]。

（3.6）

此外，为了保证自锁条件，从tanλ=不难看出，只有当e较小，D较大时才容易做到。

可是由于夹紧行程的限制，e不可能很小，所以只有增大D才能保证自锁条件。

上述两个问题是圆偏心夹紧机构的缺点。

对于钢与钢的摩擦，通常取f=0.1，得出圆偏心夹紧机构的自锁条件为

D≥20e

在实际应用中，考虑到圆偏心轮轴孔处仍有摩擦，取D≥14e仍可保证自锁，所以在进行圆偏心夹紧机构设计时，圆偏心轮的外径应等于或大于14倍的偏心距。

在本设计中，双面偏心轮的设计为关键部分，综合上述分析取偏心轮D=140mm，e=7mm。

设计图示如图3.4。

图3.4双面偏心轮

偏心轮运动的工作行程如下图3.5所示。

在图3.5中，偏心轮主要工作部分为转角ψ在45°～135°范围内，在该转角范围内可实现可靠的自锁。

3.3.2圆偏心夹紧机构的受力分析

圆偏心夹紧机构的受力如图3.6所示。

θ

图3.6偏心轮受力图

在图3.6中，F为夹紧过程中偏心轮所受的力，FT为垂直方向的分力，Fr为水平方向的分力。

3.3.3圆偏心夹紧机构夹紧力的计算

由于圆偏心夹紧机构可看成绕在转轴上的单楔，因而在计算其夹紧力时，可按单楔作用在焊件与转轴之间的情况来考虑。

如图3.3（a）所示，在距离转轴中心L处的手柄上，作用一力Fs，使圆偏心轮绕轴转动，此时，相当于一假想的单楔向左推移。

Fs对转动中心产生的力矩FsL，传至离转动中心距离为p的接触点K处，变为力矩Fgρ，这两个力矩值应相等。

即

（3.7）

FsL=Fgρ

此时，可以认为在升角为λ的假想单楔上受到外力Fg的作用而对焊件产生夹紧力。

式中F—夹紧力，N；

Fs—作用在手柄上的外力，N；

1—圆偏心轮与转轴之间的摩擦角，通常取6。

；

2—圆偏心轮与焊件之间的摩擦角，通常取6。

；

λ—接触点的升高角，升高角随接触点而变化，若以K点为准进行夹紧力计算时，则λ=arctan；

L—外力作用点至圆偏心轮转动中心的距离，mm；

（3.8）

ρ—焊件与圆偏心轮的接触点至转动中心的距离，mm。

以K点为准计算时

算得F≈（13.5～16.6）Fs

由式3.1得出F=1000N。

因此Fs≈（60～74）N

不难看出，在该夹具体中力源输出能够保证。

3.4夹爪的设计

夹爪材料选用20CrMnMo。

夹爪在本夹紧机构中起到杠杆的作用，主要起到改变力的大小和方向的作用，下面从力和行程两方面进行分析以达到最佳设计。

图3.7夹爪分析图

根据力矩平衡原理，图3.7左图的力分析以C点为轴心，在忽略弹簧弹力作用的条件下可得出关系式：

F﹒a一f﹒b＝0；由此可得到F=f﹒b/a，由此式可知：

在所要求夹紧力f一定的情况下，要想得到较小的力F就得让b/a较小。

图3.7中右图是左图绕C点旋转一定角度后的图例，AD、BE分别是A、B两点在旋转过程中两个力方向的行程，由于三角形ADC与三角形BEH相似，所以，AD/a＝BE/BH，BH≈b，由此可得出关系式：

AD/a≈BE/b即BE≈AD﹒b/a；因此，在凸轮行程AD一定的情况下，要想得到较大的行程BE就得让b/a值较大。

由此可见，以上两个结论刚好矛盾，在设计过程中要根据实际情况决定b/a的取值，在满足使用要求的前提下，做到最优化。

从而在设计中b=70mm，a=65mm使手柄所用的力较小。

3.5旋转轴的设计

旋转轴材料选用45钢，其强度极限σB=637MPa。

在一般情况下，轴的工作能力取决于它的强度、刚度。

对于一般的轴都要求其具有足够的强度、刚度、合理的结构和良好的工艺性[16]。

在图3.6中，已经对偏心轮进行受力分析。

从受力图可以看出，由Fr产生的两个弯矩方向相反，相互抵消。

而由两侧的FT产生的扭矩T将在旋转轴上叠加，变为两倍的转矩。

轴的设计计算公式为

（3.9）

d≥

对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为

（3.10）

式中，T—轴所传递的转矩，N·mm；

WT—轴的抗扭截面系数，mm3；

τ、[τ]—轴的切应力、许用切应力，MPa；

d—轴的估算直径，mm。

（3.11）

又由

N.mm

由于轴采用45钢，所以[τ]的取值范围是30～40,则d的取值范围为12～21，轴径定为D=20mm符合强度要求。

3.6拉伸弹簧的设计与选择

由于夹具体结构的特点，该设计中选用圆柱螺旋弹簧[17]，所用材料为60Mn。

其中弹簧的主要几何参数：

弹簧丝直径d、弹簧中径D2及有效圈数n。

在夹爪设计中选取螺栓为M8，故弹簧内径要大于8mm。

因此，弹簧丝直径按尺寸系列表初定d=0.3mm，中径D2=9mm，n=30。

设计计算时，经常用到弹簧的旋绕比C。

C值的大小，将影响弹簧强度、加工难度。

C值越小，弹簧内外侧的应力差越大，加工困难；C值越大，弹簧径向尺寸越大，弹簧易产生不稳定。

由d=0.3mm，C的范围为7～14，故取C=7。

弹簧的应力主要为扭切应力

（3.12）

式（3.12）可化解为

（3.13）

式中，K—曲度系数

经计算得d=5>>0.3，满足应力要求。

第4章主要零件校核计算

4.1螺栓强度校核

4.1.1支撑耳螺栓强度校核

支撑耳处螺栓即固定夹爪所用，该处螺栓受力如图4.1所示。

图4.1剪切力受力图

由于该处剪切力为双剪，则由[18]

（4.1）

得

0.07MPa<47MPa=[τ]

因此，M18螺栓满足夹具使用要求。

4.1.2弹簧连接螺栓强度校核

图4.2剪切力受力图

弹簧连接螺栓作