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焊接夹具课程设计说明书
课程设计说明书
题目：
工字梁组件的焊接夹具设计
学院:
材料科学与工程
专业:
焊接结构与工程
姓名:
学号:
11009030428
指导老师：
2014年1月
序言0
1.对焊接工装夹具的设计要求0
1.1焊接工装夹具的主要作用1
2.焊接结构件的分析
1
2.1焊接产品“钢梁组件”的重点技术要求分析：
1
2.2采用合理的焊接顺序和方向
2
图2焊接顺序2
3.夹具设计方案的确定2
3.1在设计夹具体时应满足以下基本要求：
2
3.2基准面的选择：
2
3.3定位方式及元器件选择3
3.4夹紧方式及元器件选择4
3.5装焊夹具结构5
3.6装焊方案5
4.主要零件设计的说明5
4.1夹具体5
5
4.2手动螺旋夹紧器5
4.3挡板6
4.4反变形装置6
4.5垫板7
4.6销钉7
4.7螺栓7
5.装焊夹具使用说明7
5.1夹具的操作步骤：
7
5.2夹具的结构特点：
7
5.3夹具使用注意事项、保养及维护7
6.本次课程设计总结、体会8
参考资料8
序言
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。
1.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。
1.1焊接工装夹具的主要作用
（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.焊接结构件的分析
图1钢梁结构
图1钢梁组件由大、小肋板和筋板构成，材料选用45钢，大腹板宽100mm，小腹板宽80mm，总长均为2000mm，厚度均为5mm；筋板宽80mm，总长2000mm，厚度为10mm。
工件焊接方法选用焊条电弧焊，采用间断焊接，主要焊接工件受反变形装置固定部分。
2.1焊接产品“钢梁组件”的重点技术要求分析：
（1）序1、序3两块肋板和序2筋板的垂直度要求
（2）公差要求：
不大于0.05mm
（3）序1、序2、序3焊接而成，焊接要求：
①焊接过程中对两主板进行反变形控制，焊后A面最大变形量小于2mm
②注意结构的合理性，装配方案的可行性；
③装配过程要尽量方便易行；
④装配成本应尽可能低。
2.2采用合理的焊接顺序和方向
图2焊接顺序
如图2尽量使焊缝能只有收缩，先焊收缩量比较大的焊缝。
先焊工作时受力较大的焊缝，如在工地焊接梁的接头时，应预先留出一段翼缘角焊缝最后焊接，先焊受力较大的翼缘对接焊缝，然后焊接腹板对接焊缝，最后再焊接翼缘角焊缝。
这样的焊接次序可以使受力较大的翼缘焊缝预先承受压应力，而腹板则为拉应力。
翼缘角焊缝留在最后焊接，则可使腹板有一定的收缩余地，同时也可以在焊接翼板对接焊缝时采取反变形措施，防止角变形。
实验证明，用这种焊接次序焊接的梁，疲劳强度比先焊腹板后焊翼板的高30%。
3.夹具设计方案的确定
3.1在设计夹具体时应满足以下基本要求：
①具有足够的强度和刚度。
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。
③安装稳定牢靠。
④结构的工艺性好，便于制造、装配和检验
⑤尺寸要稳定且具有一定精度。
⑥清理方便。
3.2基准面的选择：
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。
夹具体毛坯制造方法的选择：
综合考虑结构合理性、工艺性、经济性、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。
夹具体的外形尺寸：
在绘制夹具总图时，根据工件、定位元件、夹紧装置及其反变形装置在总体上的配置，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。
夹具体的壁厚25mm，长度2200mm，宽度360mm；根据设计要求，夹具体上设计有螺孔，与定位器和夹紧器的螺孔在装配时配套。
3.3定位方式及元器件选择
定位器的作用：
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。
在焊接夹具设计中，按加工要求应限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。
定位元器件的选择：
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；
②工件以圆孔内表面为基准进行定位时常采用销定位器；
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；
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。
本工装定位方式如下：
图3定位轴图4定位方式
肋板序1采用放置于工作台的垫板和螺旋加紧机构定位，垫板限制了Z方向上的平动自由度和X、Y方向上的转动自由度，螺旋加紧机构限制了沿X方向的平动自由度和Z方向上的转动自由度。
筋板序2选用放置于工作台的垫板作为主定位面，限制了Z方向上的平动自由度和X、Y方向上的转动自由度，挡块限制了沿X方向的平动自由度和Z方向上的转动自由度；
肋板序3采用工作台和挡块定位，工作台限制挡块限制了Z方向上的平动自由度和X、Y方向上的转动自由度，挡块限制了沿X方向的平动自由度和Z方向上的转动自由度；
3.4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。
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。
④结构力求简单，便于制造和维修。
本工装Z轴方向上有很大的自重，不需要夹紧，Y轴方向不需要夹紧，所以只需考虑X方向上的夹紧，X轴向上采用螺旋夹紧机构。
3.5装焊夹具结构
装焊夹具基座采用夹具体，再在夹具体上安装定位肋板序3的挡板，定位筋板序2的垫板，和螺旋夹紧装置，以及在两块肋板上分别安装反变形装置，构成整个焊接夹具。
3.6装焊方案
装焊时，首先为两块肋板安装反变形装置，再在夹具体上装上定位的挡板、垫板和螺旋夹紧器，然后分别放上肋板和筋板，并用螺旋夹紧器将其固定夹紧。
焊接时，先焊上半部分两条焊缝，然后松开螺旋夹紧装置，翻转工件，装配夹紧后，再焊接另两条焊缝。
焊接时采用焊条电弧焊分段焊接，以减小焊接变形。
4.主要零件设计的说明
4.1夹具体
图5工作平台
如图5综合考虑结构的合理性、工艺性、经济型、标准化以及各种夹具体的优缺点等，夹具体制作材料选用铸铁，毛坯制造方法为铸造夹具体；考虑到定位的精确度，要求定位器和螺旋夹紧器的螺孔在装配时要与夹具体配作。
4.2手动螺旋夹紧器
图6手动夹紧器
如图6手动螺旋夹紧器选用Q235钢，螺旋夹紧器件主体各部分通过焊接的方式连接在一起；焊接时，应先夹紧各部分元件，防止焊接时产生焊接变形。
并且要求底座螺孔应与夹具体配作，螺旋夹紧器在夹紧状态时应有自锁性能。
手动螺旋夹紧器的工作过程：
夹紧器底部用螺栓固定在夹具体上，工件定位好后，转动螺旋装置，螺杆向前移动夹紧工件；螺杆端部有可以相对转动的底靴，它用于增加制品的受压面积，减小螺杆与制品间的摩擦力，以及防止螺杆压在与轴线不垂直的表面上时螺杆可能出现的弯曲；各螺杆中心线应与主板纵向中心线垂直相交，以保证夹紧精度。
4.3挡板
图7挡板
如图7挡板选用Q235钢制造，毛坯制造方法选用铸造毛坯，成型性好，加工方便。
挡板螺孔也应与夹具体配作，装配时通过螺栓固定在夹具体上。
4.4反变形装置
反变形装置采用Q235钢。
考虑到整体难于直接生产，所以反变形装置弯曲部分与整体连接时采用型钢拼焊，焊接时，先点固焊，再用支撑钉支撑弯曲部分，防止焊接变形，最后完成全部焊接。
反变形装置内部间隙应比工件厚度大，以便于工件插入，间隙部分通过打入销钉固定加紧。
4.5垫板
图8垫板
如图8垫板材料选用铸铁，制造方法为铸造，成型后表面打磨平整。
4.6销钉
销钉45钢制作，采用火焰表面淬火处理，以提高耐磨度。
4.7螺栓
螺栓选用材料45钢的标准件，螺栓连接时通过开口垫圈使应力均匀分布。
5.装焊夹具使用说明
5.1夹具的操作步骤：
（1）焊接前，先为两块肋板安装反变形装置，在夹具体上装上定位的挡板、垫板和螺旋夹紧器，然后分别放上肋板和筋板，调整好位置，用螺旋夹紧器将其固定夹紧。
（2）在第一面焊缝焊接好后，松开螺旋夹紧器，翻转工件并调整好位置，再用螺旋夹紧器夹紧工件，焊接另一面焊缝。
（3）当所有焊缝焊接好后，松开螺旋夹紧器，取出工件和反变形装置，拆卸下固定在夹具体上的挡板和螺旋夹紧器，然后去除反变形装置，取出成型工件。
5.2夹具的结构特点：
（1）操作方便，工件易于装卸；
（2）该夹具结构简单，容易生产制造；
（2）该夹具能够有效地夹紧工件和控制工件的反变形，使工件据有良好的成型性。
5.3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）使用后需要涂防锈油。
6.本次课程设计总结、体会
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。
在工艺设计时，应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。
因零件尺寸存在制造误差，因此装配时也就有误差的综合积累。
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，因此合理地确定零件的尺寸公差和形位公差也显得尤为重要。
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有机的结合在了一起。
但收获更深的是夯实并拓宽了我们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。
参考资料
[1]陈祝年，焊接简明设计手册，机械工业出版社，1999
[2]王政，焊接工装夹具及变位机械，机械工业出版社，2001
[3]陈焕明，焊接工装设计基础，航空工业出版社，2004
[4]孙丽媛，机械制造工艺及专用夹具设计指导，冶金工业出版社，2002
[5]贾安东，焊接结构及生产设计，天津大学出版社，1989
[6]诸世敏，现代工程图学，北京邮电大学出版社，2007
[7]许杏根，简明机械设计手册，机械工业出版社，1999
[8]中国机械工程学会焊接学会，焊接手册（第2版），机械工业出版社，2001
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