915装载机工具箱箱体焊接工装夹具设计.docx

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915装载机工具箱箱体焊接工装夹具设计

毕业设计（论文）说明书

课题名称915装载机工具箱箱体焊接工装夹具设计

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摘要

本设计的主要内容包括工具箱箱体焊接工装设计和工具箱后板加强板的焊接工装设计。

为了降低生产本和优化焊接工装，将两个焊接工装合并成一个，同时提高焊接效率和焊接质量。

焊接工装设计是以六点定位原理基础，在一工作平面上安装定位装置和夹紧装置，通过夹具和定位块的加工精度及合理的装配顺序和方法来保证焊接件的焊接质量。

首先通过调研了解工具箱目前焊接夹紧方式，了解现有焊接夹紧方式的缺点及合理的地方，从而进行针对性设计。

其次对焊接工装所用到的材料进行调查分析，优化选材，以最低的设计成本设计出最佳设计方案。

最后得出最终具体设计内容包括：

夹具的分析及选择；焊接工作台的选材及结构设计；夹紧装置的夹紧方式及位置设计；定位装置的定位方式及位置设计；工作台支架固定方式及结构设计以及整个焊接工装安装顺序、焊接件安装次序及夹紧次序。

根据设计内容构想出草图，然后在UG软件上进行三维建模，对设计方案进行改进，并在AutoCAD软件的平台完成细节设计。

关键词：

焊接工装六点定位原理结构设计三维建模

ABSTRACT

Themaincontentofthisdesignincludingthetoolboxboxbodyweldingjigdesignandthetoolkitreinforcingplateafterplateweldingequipmentdesign.Inordertoreducethecostofproductionandoptimizetheweldingjig,thetwoweldingjigaremergedintoone,atthesametime,itimprovetheefficiencyofweldingandweldingquality.Weldingequipmentdesignisbasedonsixpositioningprinciple,andtheworkinaplaneinstallationpositioningdeviceandclampingdevice,throughthefixtureandlocatingpiecemachiningaccuracyandreasonableassemblysequenceandmethodstoguaranteetheweldingqualityofweldment.Firstofall,weshouldsurveykitweldingclampingwayatpresent,andtoknowtheshortcomingsofexistingweldingclampingwayandreasonable,thusitwithspecificdesign.Secondly,weldingfixturesusedmaterialforinvestigationandanalysis,optimizationofmaterialselection,designatthelowestcostabestdesignplan.Finallyitisconcludedthatthefinaldetaileddesigncontentincludes:

analysisoffixtureandchoice;Materialselectionandstructuredesignofweldingworkbench;Clampingwayandpositionofclampingdevicedesign;Positioningdevicepositioningmethodandpositionofthedesign;Tablesupportfixedwayandstructuredesignandtheweldingtoolinginstallationorder,productinstallationsequenceandtheclampingsequence.Accordingtoformulatesketchdesigncontent,andthenthethree-dimensionalmodelinginUGsoftware,toimprovethedesign,andcompletethedetaildesigninAutoCADsoftwareplatform。

Keywords:

Weldingjigsixpositioningprinciplestructuredesign3Dmodeling

第一章绪论

第一节国内外焊接工装的发展及现况

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设备。

在现代焊件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，焊接所需的工时较少，而占加工工时的三分之二以上的时间适用于备料、装配及其他辅助的工作，极大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设备。

20世纪，汽车作为最著名的人文标志之一，其发展从低质量到高质量，从单件小批量到大批量，再从现在的定制单件生产，汽车的焊接技术及生产效率变得越来越重要，伴随而产生的在焊接生产中与焊接工序相配合，有利于实现焊接生产机械化、自动化，有利提高装配——焊接质量，促使焊接生产过程中加速进行的各种辅助机械装置和设备——焊接机械设备。

焊接机械设备相对于焊机是处于辅助地位，是配合焊机进行焊接生产的机械装置和设备。

其产生的目的是致力于提高焊接生产效率和焊接件的焊接结构质量及精度。

焊接机械设备首先在汽车行业应用的成功，使其在其他行业得到迅速应用和发展，如飞机行业，船舶行业以及装载机行业。

在装用车辆，工程车辆和大客车的生产中，由于批量小、客户要求不同，使用柔性化工装也非常实用和经济。

焊接工装夹具的发展焊接夹具也称焊接工装夹具，它与焊接变位机械装备在焊接结构生产中总称为工艺装备，属于焊接机械装备的一部分。

工装夹具包括定位器、夹紧器、推拉装置等。

夹紧器是焊接中最基本、应用量最多的设备，通过夹紧器对焊接工件的夹紧，可以有效保证焊接工件的焊接精度和焊接质量。

定位器在焊接中可对焊接件进行可靠的定位，而不用划线，可节省生产时间，提高焊接效率，而推拉装置可对焊接件进行夹紧和松开，方便焊接件的装配和焊后卸下。

50年代开始发展的中国汽车制造业带动了焊接加工业的发展。

夹紧器经历了刚开始以手动夹紧器为主，到以拉杆式气缸夹紧机构为主，再到现今的以气动一体式夹紧器为主的一个发展过程。

在现在激烈的市场竞争下，气动一体式夹紧器其主旨在于提高焊接效率和焊接质量已经成提高市场竞争力单方面因素，低成本的机械化和自动化焊接生产已成为现在节能型生产的重要因素。

例如手动夹紧器虽然效率不是很高，但是其廉价的设计和制造却为小批量，焊接精度的焊接件提供了经济型的焊接工装夹具。

降低生产成本，提高企业生产效益，尤其是中小型企业。

而且手动夹紧技术成熟国内外已有一定的生产标准，便于设计生产，这类焊接工装夹具生产周期短，见效快，对于新车研发和精度较高小批量焊接件焊接时气动一体化夹紧器是无法比拟的。

企业进行焊接加工是以盈利为目的，所以所采用的夹紧器要必须适应企业的现有设备和规模。

在计算效益时，除把生产过程降低物耗和工耗作为计算依据外，还应考虑；1、提高产品质量带来的效益；2、减少返修量的效益；3、增加产量在新增利润中的份额；4、减少工伤、降低劳动强度、改善劳动环境的长远利益；5、选用低技术级别操作工取代高级别熟练焊工的效益。

与大型技术力量雄厚的企业相比，中小型企业的焊接加工大都是中小批量焊接加工，在保证质量和产量前提下，使用手动焊接夹紧器更为经济。

第二节焊接机械设备在焊接生产中的作用

焊接机械设备对焊接加工有力的作用有以下几方面：

1）采用焊接工装夹具，焊接件由定位器直接定位，不用划线和测量就能得到准确的装配位置，从而保证了装配精度，加快焊接作业进程，缩短焊接辅助时间。

此外，焊接工装夹具不管使用磁力、液压、气动还是手动加紧方式，都有扩力机构，因此可减少工人的体力劳动，提高装配效率。

2）由于焊接件在夹具中可强行夹固或预先给予反变形，能控制或消除焊接变形，提高焊件的表面质量和精度。

3）采用焊接工装夹具后，由于装配精度得到了保证，同时控制了焊接变形所以可提高焊接件的互换性能；焊接件的配合孔、配合槽等机械加工要素可由原来的先焊接后加工改为先加工后焊接，从而避免了大型焊接件加工后加工带来的困难，有利于缩短焊件得到生产周期，减少大型设备的使用，从而降低生产设备成本。

4）采用焊接机械装备后，可使手工操作变为机械操作，人仅处于机械控制地位，加少了人为因素对焊接质量的影响，也可降低对焊工操作操作技术水平的要求。

5）采用焊接机械装备后，装配和焊接可以集中在一个工位上完成，减少工序数量，节约车间使用面积。

6）要想焊接工序本身实现机械化和自动化，或使焊接生产过程实现综合机械化、自动化，都需要焊接机械装备的配合才能实现。

总之，焊接机械装备对焊接生产的有力作用是非常多的，概括地讲，焊接质量的提高，焊接生产率的提高，工人焊接作业环境的改善，焊接机械化、自动化的实现这四个方面。

因此无论是是在焊接车间还是施工现场，焊接机械设备已成为焊接生产中不可缺少的装备之一，使用越来越广泛。

第三节焊接机械设备之焊接工装夹具

焊接工装夹具是焊接机械设备的三部分之一（其余两部分是焊接变位机械和焊接机器人与焊件变位机械），是将焊接件准确定位并夹紧，用于装配和焊接的工艺装备。

在焊接加工生产中焊接件的装配和焊接是最重要的两道工序，完成这两道工序通常有两种方式，即装配完成后焊接和装配边焊接两种。

我们通常所说的焊接工装夹具是指用来装配以进行定位焊的装配夹具、专门用来焊接焊件焊接夹具和既用来装配又用来焊接的装焊夹具。

根据焊接工装夹具的动力源可将其分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、磁力夹具、真空夹具、电动夹具和混合式夹具。

本毕业设计采用的是手动式夹具，其结构简单，价格低廉，对于中小批量，精度要求较高的焊接结构件非常适用。

一个完整的夹具，是由夹紧机构、定位器和夹具体真是三部分组合而成的。

在这三部分中，夹具体是根据焊接件的结构进行专门设计的而夹紧机构和定位器多是通用结构形式，当然定位器也可根据企业的现有条件自己加工。

焊接工装夹具的特点

1）装配焊接工艺和焊接结构的形式决定了焊接工装夹具的本身特点。

焊件是由一个个简单的零件组成，这些零件的装配和定位焊，在焊接工装夹具上时按顺序进行的，因此他们的定位和夹紧也是按一定的顺序进行的。

2）焊接过程中，零件在焊接时因热胀冷缩，为了减少或者消除焊接变形，这要求夹具能对某些零件给予反变形或进行刚性夹紧，同时对于有些零件在焊接后有焊接应力，这就需要对这些零件在某一方向进行自由伸缩。

3）在焊接完成后，焊件尺寸变大，重量增加，形状变得更为复杂，增加了从焊接工装夹具上卸载下来的难度，因此设计焊接工装夹具时，必须保证焊件能顺利卸下。

4）焊接工装夹具一般尺寸较大，装配夹具和装焊夹具上的夹紧和定位点多，因此设计时难度大尤其是加紧点、定位点的数量、选位和两者间的关系，都会对夹具的功能和质量产生影响。

5）焊接工装夹具本身具有制造精度，由对焊件的定位精度决定,并且焊接工装夹具要保证焊接结构连接件的相对位置精度和整体结构的形状精度以及焊接结构件工作面的质量（如覆盖件外表面，罐体的内表面等）。

因此，在设计焊接工装夹具时，要充分考虑其本身特点，这样设计出焊接工装夹具，才能满足生产使用要求。

第四节课题的设计目的及意义

本毕业设计的任务是915装载机工具箱焊接工装夹具以和工具箱后板与加强板焊接工装夹具的设计，其目的和意义主要有两方面；一，对大学生所学专业知识的总结和拓展，首先，焊接工装夹具的设计，需要良好的专业知识，如机械制造，机械原理，机械制图等方面知识的综合利用，以及CAD、UG等设计辅助软件的掌握应用。

其次在设计过程中需要查阅大量有关焊接及焊接工装和机械机构及其原理的知识，同时也要对材料进行一定的了解，以便于设计过程选用比较。

进一步了解掌握机械设计的要求，熟练运用设计的基本方法和基本思路。

二，915焊接工具箱焊接工装夹具设计也是一个横向课题，在设计过程中，毕业生所要完成不仅是毕业设计，同时也要完成企业所交付的任务。

这种毕业设计不再仅是理论的设计，更加是理论与实际相结合的设计，在设计过程需要不断地与企业联系反应设计的方案和问题，是否实用以变得越来越重要，设计时，要进行调研和社会调查，同时，所设计的焊接工装夹具零件材料在要求性能良好同时还要充分考虑企业的现有设备及条件。

次外，设计过程不断地与企业交流，解决设计中遇到各种问题，在这交流过程中，逐渐提高学生与企业的交流能力和沟通技巧，在设计中就要求学生要进行理论和实际相结合，设计出经制造出来并调试就能直接使用的产品。

因此本设计不仅是对毕业生所学专业知识的综合应用，同时也给毕业生一个与企业向交流沟通的机会，加快毕业生由学校向社会过渡，有利于学生毕业后快速投入工作并适应工作。

与此同时，小组中的交流与合作，有利于加强学生的团结协作能力。

在现在既激烈竞争同时又团结合作的社会中，这种能力显得极为重要。

第二章焊件焊接工艺的分析及焊接方案的确定

第一节焊件焊接工艺的分析

工具箱及其后板加强板焊接拼装三维如下；

图2-1.1工具箱焊接三维模型

图2-1.2后板与加强板焊接三维模型

根据焊件的结构状可得，工具箱焊件由前板、后板、左板以及右板四个零件焊接拼装成，焊接的主要任务是左（右）板与后板及其与前板的的焊接。

工具箱的焊接为平头对接焊，要求焊接后焊缝平整或突起，但不能出现焊接隔断或凹槽，并且要求焊件外表面质量高，左右要求平行，由于焊接零件为冲压拉延件，零件有一定的回弹量，因此零件在焊接前要有一定的力进行校正和刚性固定，焊接方式是企业已有的焊接设备——二氧化碳气体保护焊，在零件装配夹紧后现在焊缝各处点焊固定，然后进行全部焊接。

后板与加强板的焊接零件是后板和加强板的焊接，采用角焊方式进行焊接，焊缝呈U型，焊接特性跳焊焊接时要求焊段分布均匀，焊接后不能出现翘曲等变形。

焊断不能太密集，以免浪费焊芯和能源，同时又不能太疏，焊接强度不够。

第二节焊接方案的确定

根据焊件的结构，工具箱及后板焊接结构件的焊接方案主要有两种

方案一边装配边焊接，即先装配夹紧后板与加强板，将它们进行焊接，然后固定夹紧右板与后板，右板和前板并进行焊接，最后将左板与前板，后板固定夹紧，进行焊接，完成焊接。

方案二先装配后焊接，即将后板和加强板进行固定夹紧，进行焊接，焊接完成后，将已焊接有加强板的后板、左板、右板、前板进行固定加紧，然后进行焊接，完成焊接任务。

焊接方案的分析与比较；边装配边焊接的焊接方案占用的焊接面积大，需要较大的工作台面，焊接过程繁杂，工作劳动强度大，同时焊件的形状进度和焊接质量难以得到到保证，而先装配后焊接的焊接方案在设计方面不仅可以节省工作台面积，同时焊接质量容易得到保证，从工艺性能和设计成本方面考虑，方案二更为合理。

第三章焊接工装夹具主体设计

第一节焊接工装夹具的设计要求及原则

1）焊接工装夹具要求做到动作快速、操作便利，其操作位置应尽可能在焊接工人容易接近和操作的部位。

尤其对手动夹具而言，首先夹具的操作力不能过大，其次操作的频率也不能过高，同时工作台高度也要适中，保证焊接工人在夹紧时最易用力，最后，当夹具处于夹紧状态时，必须要保证能自锁，否则夹具就起不来夹紧作用。

2）焊接工装夹具要求有足够大的装配和焊接活动空间，不能影响焊接操作机焊接工人的观察，同时要便于焊件的装配和卸载，，焊接定位元件和夹紧机构与焊道应当保持适当距离，或在焊件的侧面或上方布，尽量避免焊接加工时定位元件及夹紧元件受热膨胀影响焊件精度及质量，同时夹紧机构的执行元件必须能自由伸缩和转位。

3）夹紧必须安全可靠，刚性适当，在选择夹具时，一方面，夹具过小，不能有效地进行夹紧装配，影响焊件质量；另一方面，夹具过大有会使焊件的拘束过大以至产生较大的应力，同样影响焊件质量。

4）必要时，为了焊工的工作安全，应设有必要的安全联锁保护装置，尤其是大型且夹紧力大的焊件。

5）夹具夹紧时保证不能损坏焊件的表面质量，特别是表面质量要求高的焊件，而对于薄件和软质材料的焊件夹紧时，要控制夹紧力，加大夹紧面积，如加夹紧垫块等保护措施。

6）档某些夹具靠近焊接部位时，应保护好定位器工作表面及保护好夹具，同时夹具手柄应有保护措施，以免烫伤焊工。

7）夹具的施力点应尽可能早焊接件支承位置或靠近支承位置，尽可能避免焊件在夹紧时发生变形。

8）在同一焊接工装夹具上，定位器和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽可能采用一种动力源。

9）焊接工装夹具应具有良好的制造工艺性能，同时机械工作效率高和保证焊件质量。

10）在选择工装夹具零件时，应经济地选择已通用、标准化的夹紧结构，以及尽量选择常用的定位装置。

第二节焊接工装夹具设计方案的确定

在设计工装夹具的方案时，经常以夹具设计合理性和经济型两个因素作为主要考虑因素，同时焊接工装夹具的设计方案受焊件的焊接方法和工艺主导。

所选取的夹紧机构，以保证焊接工艺的实施作为首要条件，否则设计就不合理。

同时确定夹具定位方法、定位基准和夹紧机构方案的重要依据则是焊件机构尺寸以及组成焊件坯料的制作工艺和制造精度。

此外还应考虑经济方面的因素，使夹具的设计制造及使用的成本降到最低，而焊件焊接质量和效率又得到保证下，获得最大的经济效益。

但在设计过程要对各种因素进行综合考虑而不是单方面考虑某单一因素。

根据焊件的焊接方案：

先装配后焊接，即将后板和加强板进行固定夹紧，进行焊接，焊接完成后，将已焊接有加强板的后板、左板、右板、前板进行固定加紧，然后进行焊接，完成焊接任务。

可得出以下三种工装夹具的设计方案；

方案一：

工作台用钢板加工而成，其底部焊接加强筋，提高工作台的强度和刚性，定位块和夹具支撑块采用45钢加工成长方体焊接在工作台上，支架采用角铁并且用型材钢板焊接固定箱体的夹紧采用由内向外夹紧的加紧方式，而后板和加强板的夹紧用由上往下压的夹紧方式。

方案二：

工作台和定位块以及夹具支撑座采用灰铸铁铸造为一个整体，且工作台底部设计成减重方式，设计加强筋，并用铣床进行铣削加工，左后在夹具支承座上加工出螺纹孔已安装夹具，支撑架用角铁和钢板焊接紧固并用螺栓连接在一起，箱体的夹紧以及后板与加强板的夹紧与方案一相同。

方案三：

工作台直接用灰铸铁铸造而成，底部设计加强筋和减重结构，工作表面通过铣削成一平面，然后再在上面加工螺纹孔，通过用内六角螺钉紧固定位块和夹具支撑座，而支承座和定位块则用45钢加工而成。

支撑架与方案二的相同。

设计方案的分析与比较；方案一设计单从经济方面因素考虑是最经济，但工艺性则难以实现，尤其是定位块的焊接固定，且焊接完成后不利于焊件卸下，同时工作台的稳定性不好，夹具和定位块确实可调节空间。

方案二工作台采用灰铸铁提高了工作台的未定型，但夹具支承座和定位块与工作台铸成一个整体，不利与工作台的加工。

方案三，将定位块、夹具支承座与工作台分开独自加工，大幅度降低工作台的机械加工难度，同时定位块用45钢机械加工后热处理，大幅度提高了定位块的耐磨型，能在长时间使用工装夹具时定位精度仍能得到保证。

所以工装夹具的设计方案采用方案三更为合理。

及工装夹具设计方案是；工作台直接用灰铸铁铸造而成，底部设计加强筋和减重结构，工作表面通过铣削成一平面，然后再在上面加工螺纹孔，通过用内六角螺钉紧固定位块和夹具支撑座，而支承座和定位块则用45钢加工而成，支架用角铁和型材钢板焊接紧固并通过螺栓与工作台连接。

如图所示

图3-2.1工作台三维模型

第三节夹紧机构的选择

在焊接加工过程中，夹具机构对焊接件其夹紧固定作用，是组成工装夹具的核心部分，按动力源划分，可分为手动夹具、气动夹具、磁力夹具、真空夹具、混合夹具、电动夹具和液压夹具总共七大类。

其中气动和手动一起结构简单，经济，以及工作迅速的特点应用作为广泛。

本课题中，焊件的焊接生产属于中小批量生产，而且焊接方式是焊工手动焊接，焊接速度中等，在降低工装夹具的设计制造成本和保证焊件焊接质量的前提下，采用手动夹紧机构更为合理。

手动加紧机构的动力源是人力，通过扳动手柄或踩踏板，人工作用与夹具进行工作，其结构简单，具有扩力和自锁性能，特别适用生产效率较低，中小批量的焊接生产。

手动夹紧机构根据其结构和工作原理主要分为以下几类；

1）手动螺旋夹紧器，其结构简单，形式多样，适应面广，夹紧力大自锁性能良好，但螺旋每转行程小，效率低，主要用于单件或小批量生产。

其典型机构如图1

图3-3.1手动螺旋夹紧器

图3-3.2手动螺旋夹紧器

图3-3.3手动螺旋夹紧器

2）手动螺旋拉紧器通过螺旋的扩力作用，将工件向内拉拢，常用于装配和矫形加工中。

其典型结构如图所示

图3-3.4手动螺旋拉紧器

3）手动螺旋推撑器，常用于支撑工件、防止变形和矫正场合，其典型结构如图所示

图3-3.5手动螺旋推撑器

4）手动螺旋撑圆器主要用于筒形工件及正其不圆柱度、防止变形或消除局部变形的场合。

典型结构如图所示

图3-3.6手动螺旋撑圆器

5）手动楔形夹紧器简单易做，主要用于现场焊接作业，为了保证自锁同时又能方便取出，楔角应保证在8°~11°。

典型结构如图所示

图3-3.7手动楔形夹紧器

6）手动凸轮（偏心轮）夹紧器工作时，只转动一次手柄，就可以将工件夹紧，加紧速度快，但行程小，与螺旋夹紧机构相比，扩力和自锁性能都有所不及，常用于夹紧力较小和振动较小的场合。

其典型结构如图所示

图3-3.8手动凸轮（偏心轮）夹紧器

7）手动弹簧夹紧器其原理是将弹簧力转换成夹紧力传递到工件上主要用于薄板零件的夹紧固定。

典型结构如图所示

图3-3.9手动弹簧夹紧器

8）手动螺旋—杠杆夹紧器其工作原理是经螺旋扩力后，在经过杠杆作用，进行扩力或缩力实现工件夹紧，这类夹紧器的派生结构多，且容易设计制造，其典型结构如图所示

图3-3.10手动螺旋—杠杆夹紧器

9）手动凸轮（偏心）—杠杆夹紧器其工作原理石经过凸轮或偏心轮扩力再通过杠杆作用对工件进行夹紧，动作迅速，但自锁性能不如螺旋—杠杆夹紧器好。

典型结构形式如图所示

图3-3.11手动凸轮（偏心）—杠杆夹紧器

10）手动杠杆—铰链夹紧器其原理是借杠杆与连接板的组合，实现加紧作用的夹紧机构。

其加紧速度快，家头开度大，并且派生结构多，机动、使用方便灵活，使用方便，购买方便，在焊接生产作业应用较多。

其典型结构如图所示

图3-3.12手动杠杆—铰链夹紧器

图3-3.13手动杠杆—铰链夹紧器

还有手动弹簧—杠杆夹紧器和手动杠杆—杠杆夹紧器两类在焊接工装夹