焊接工装设计基础(陈焕明)课件---绪论、一、二、三章.ppt

课程名称 焊接装备及自动化 主要内容 一焊接结构的设计 主要包括焊接梁 柱 桁架和塔桅结构 机器结构等的设计 二焊接机械装备 主要包括焊接结构生产过程中的各种辅助机械装备 比如 焊接工装夹具 焊接变位机械 焊件输送机械 其他从属装置 三焊接结构的生产工艺过程 主要包括焊接结构生产的工艺过程 比如备料 装配 焊接等工艺 焊接结构的生产工艺分析 焊接结构生产的质量管理及劳动保护 焊接结构车间的工艺平面布置 四实例 汽车焊接结构的生产过程 主要包括汽车焊接结构的装焊工艺 比如 汽车车架 车身的装焊工艺 汽车装焊生产线 汽车装焊车间的设计 教材 一焊接工装设计 航空工业出版社 陈焕明 二焊接结构生产及装备 机械工业出版社 周浩森 参考书 一焊接结构制造技术与装备 机械工业出版社 宗培言二焊接工装夹具及变位机械 机械工业出版社 王政 三焊接工装夹具及变位机械图册 机械工业出版社 王政四汽车机器人焊接工程 机械工业出版社 卢本 五汽车装焊技术 北京理工 杨握铨六焊接结构及生产设计 天津大学 贾安东 基础学科 一各种力学 普通物理 理论力学 材料力学 结构力学 弹性力学 弹塑性力学 粘性力学 断裂力学 金属的机械性能 二机械设计 机械原理 机械零件 机械结构的设计 三焊接基础 焊接工艺 焊接电源 焊接结构 四液压专业 液压控制系统 电工学 电磁铁的设计 焊接工装设计 陈焕明 绪论 工装 在机械加工 产品检验 装配和焊接等工艺过程中 使用大量的工艺装备 简称工装 tooling 用以安装加工对象 使之占有正确的位置 以保证零件和产品的质量 并提高生产效率 焊接工装 焊接工艺装备就是在焊接结构生产的装配与焊接过程中起配合及辅助作用的夹具 机械装置或设备的总称 简称焊接工装 其中夹具主要包括定位器 夹紧器 夹具体等 机械装置或设备主要包括焊件变位机 焊接操作机 焊工升降台等 应用 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 往往需要各制造厂根据本厂的产品结构特点 生产条件和实际需要自行设计制造或者外协定做 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 因此 焊接工艺人员应掌握有关工装设计的基础知识 通常在工艺设计时 提出所需要的工装类型 结构草图和简要说明 例如装配焊接顺序 焊接变形预防或减小措施 焊接速度和焊接电流回路等 在此基础上由工装设计人员完成详细的结构和零件设计及全部图样 如果设计者对焊接工艺过程生疏 往往设计的工装夹具适用性较差 甚至不能满足生产要求 事实表明 为了使设计的工装适用性良好 通常由工艺工程师来主持设计或亲自参与设计 本门课程的目的 了解和掌握焊接工装设计的基本理论和结构设计的基础知识 一 焊接工装的作用1 保证和提高焊接产品的质量 采用工装夹具 可以保证装配定位焊时各零件正确的相对位置 可以防止或减少工件的焊接变形 尤其是批量生产时 可以稳定和提高焊接质量 减少焊件尺寸偏差 保证产品的互换性 2 提高劳动生产率 降低制造成本 提高劳动生产率 除了采用自动化焊接工艺外 还要采用先进的装配工艺 采用机械化和自动化程度高的工装夹具 3 减轻劳动强度 保障安全生产 二 焊接工装的分类 焊接结构种类繁多 形状尺寸各异 生产工艺过程和要求也各不相同 相应的工艺装备在形式 工作原理及技术要求上也有很大差别 1 按用途分类 1 装配用工艺装备这类工装主要任务是按产品图样和工艺上的要求 把焊件中各零件或部件的相互位置准确地固定下来 只进行定位焊 而不完成整个焊接工作 这类工装通常称为装配定位焊夹具 也叫暂焊夹具 它包括各种定位器 压夹器 推拉装置 组合夹具和装配胎架 2 焊接用工艺装备这类工装专门用来焊接已点固好的工件 例如 移动焊机的龙门式 悬臂式 可伸缩悬臂式 平台式 爬行式等焊接机 移动焊工的升降台等 3 装配焊接工艺装备在这类工装上既能完成整个焊件的装配又能完成焊缝的焊接工作 这类工装通常是专用焊接机床或自动焊接装置 或者是装配焊接的综合机械化装置 如一些自动化生产线 2 按应用范围分类 1 通用焊接工装指已标准化且有较大适用范围的工装 这类工装无需调整或稍加调整 就能适用于不同工件的装配或焊接工作 2 专用焊接工装只适用于某一工件的装配或焊接 产品变换后 该工装就不再适用 3 柔性焊接工装指用同一工装系统装配焊接在形状与尺寸上有所变化的多种工件 柔性概念没有明确的界限 可以是广义的 即工件变化可以在大范围 形状完全不同 尺寸变化也很大 如组合夹具 也可以是狭义的 工件变化只在小范围 即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内 如可调整夹具 3 按动力源分类可分为手动 气动 液压 电动 磁力 真空等焊接工艺装备 4 按焊接方法分类可分为电弧焊工装 电阻焊工装 钎焊工装 特种焊工装等 三 焊接工装的特点焊接工装的特点 是由装配焊接工艺和焊接结构决定的 与机床夹具比较其特点是 1 在焊接工艺装备中进行装配和焊接的零件有多个 它们的装配和焊接按一定的顺序逐步进行 其定位和夹紧也都是分别的单独的或是一批批联动地进行 其动作次序和功能要与制造工艺过程相符合 2 焊件在工装中比机加工零件在机床夹具中受有较小的夹持力 而且不同零件 不同部件的夹持力也不相同 在焊接过程中 当零件因焊接加热而伸长或因冷却而缩短时 为了减少或消除焊接变形 要求对某些零件给予反变形或作刚性固定 但是 为了减少焊接应力 又允许某些零件在某一方向是自由的 有些零件仅利用定位装置定位即可 而不夹紧 因此 在焊接工装中不是对所有的零件都作刚性的固定 3 由于工装往往是焊接电源二次回路的一个部分 有时为了防止焊接电流流过机件而使其烧坏 需要进行绝缘 因此绝缘和导电是一个重要而特殊的问题 例如 在设计电阻焊用的夹具时 如果绝缘处理不当 将引起分流 使焊接接头强度降低 在设计电弧焊用的变位机时 如果导电系统设计不当 将会烧坏轴承 4 焊接工装要与焊接方法相适应 例如 用于熔化焊的夹具 工作时主要承受焊接应力和夹紧反力以及焊件的重力 用于压力焊的夹具主要承受顶锻力 薄板钨极氩弧焊要求在夹具上设置铜垫 埋弧焊可在夹具上设置焊剂垫 焊接钛合金 锆合金等活性材料 可以考虑背面充氩气保护 焊接高强钢为防止裂纹需要焊前预热或焊后缓冷的 可以考虑在夹具上设置加热装置 再如 为了避免直流电弧的磁偏吹现象 焊缝两侧的压块不用磁性材料制作 真空电子束焊所使用的夹具也要考虑磁性材料对电子束聚焦的影响 5 焊接件为薄板冲压件时 其刚性比较差 极易变形 如果仍然按刚体的六点定位原理 即3 2 1定位 工件就可能因自重或夹紧力的作用 定位部位发生变形而影响定位精度 此外 薄板焊接主要产生波浪变形 为了防止变形 通常采用比较多的辅助定位点和辅助夹紧点以及过多的依赖于冲压件外形定位 因此 薄板焊接工装与机床夹具有显著的差别 不仅要满足精确定位的共性要求 还要充分考虑薄板冲压件的易变形和制造尺寸偏差较大的特征 在第一基面上的定位点数目N允许大于3 即采用N 2 1定位原理 第一章工件的定位原理及定位器设计 第一节工件的定位原理 一 六点定位原理刚体自由度 一个刚体在空间直角坐标系中具有六个自由度 p4如图1 1所示 沿X Y Z三个坐标轴的移动自由度和绕X Y Z三个坐标轴的转动自由度 即分别表示沿X轴 Y轴 Z轴的移动自由度和轴的转动自由度 当工件的六个自由度未加限制时 它在空间的位置是不确定的 要使工件的位置按照一定的要求确定下来 就必须将它的某些自由度或全部自由度加以限制 所谓工件的定位 location 就是指工件在夹具中的位置按照一定的要求确定下来 将必须限制的自由度一一予以限制 自由度的消除实例 p4图1 2A面三挡铁 可消除B面二挡铁 可消除C面一挡铁 可消除 图1 1刚体的六个自由度 图1 2工件的六点定位 工件放在XOY平台上限制了几个自由度 限制了三个自由度 再加一个台阶挡住工件 如图1 2所示 工件与阶梯面A B紧密接触 则夹具的A面限制了工件的三个自由度 B面限制了和两个自由度 如果在XOZ面上增加一个挡块支承工件 则可限制工件的自由度 这样 工件的六个自由度全部受到限制 使工件在夹具中处于完全确定的位置 六点定位原理 用六个正确布置的支承点就可完全限制工件的六个自由度 使工件在夹具中占有完全确定的位置 这种用支承点来分析限制工件自由度的方法 称为 六点定位原理 six pointlocatingprinciple 又称 六点定位法则 或 六点定则 由于这六个支承点相当于按3 2 1的数目分布在三个相互垂直的直角坐标平面上 因此又称为 3 2 1定位原理 在实际生产中 分析工件在夹具定位元件上定位时 理论上可将夹具定位元件转化为相应的定位支承点 并以此来分析具体定位元件所限制的工件自由度 一个大平面相当于三个支承点 图1 2中A面相当于三个支承点 限制了工件的三个自由度 窄长面相当两个支承点 如B面上两个支承点 限制了工件两个自由度 挡块C面相当于一个支承点 限制了工件最后一个自由度 二 六点定位原理的合理应用应用六点定位原理分析工件在夹具中的定位问题时 不能认为未夹紧前工件还可以相对定位元件反方向运动而判断其自由度未被限制 在分析支承点起定位作用时 不应考虑力的影响 因为我们说工件在某个方向上的自由度被限制 是指工件在该方向上有了确定的位置 并不是指工件在受到使它脱离支承点的外力时也不运动 使工件在外力作用下也不运动的是夹紧的结果 定位和夹紧是两个概念 不能混淆 1全定位与准定位全定位 工件的六个自由度全部被限制而在夹具中占有完全确定的位置 这种定位方式称为全定位或完全定位 全定位实例 p5图1 3准定位 工件在夹具中定位 如果支承点不足六个 但完全限制了按加工要求需要消除的工件自由度数目 这种定位方式称为准定位或不完全定位 准定位实例 p5图1 4 限制四个自由度就行了 图1 3T形板的全定位 图1 4工件的准定位 2 过定位与欠定位过定位 两个或两个以上定位支承点重复限制同一个自由度 这种定位方式称为重复定位或过定位 实例1 p5图1 5 以A B两端面为定位基准 过定位使工件定位精度受影响 定位不确定或使定位件产生变形 一般情况应避免 图1 5过定位示例 实例2 p6图1 6 1 7 过定位的优缺点 缺点是使定位不确定或使定位件产生变形 优点是可增强刚度 为减小或消除重复定位所造成的不良后果 可采取以下措施 1 改进定位件的结构 避免重复定位 2 提高工件定位基准和相应定位工作表面之间的位置精度 以减少干涉引起的不良后果 重复定位虽然一般应当避免 但在设计工装夹具时 对刚性差的工件 为了提高工件与定位元件的接触刚度 防止工件变形 常有意识地采用重复定位 同时采取相应的工艺措施 欠定位 工件实际限制的自由度数少于该工序加工要求所必须限制的自由度数 三N 2 1定位原理产生原因 对汽车车身这类薄板冲压件 定位夹具除了具备限制刚体运动外 还必须能够限制过多的工件变形 六点定则不能满足这要求 N 2 1定位原理 是cai w等人采用变分法 结合3 2 1定位原理针对薄板零件提出的 内容如下 1 第一基准面上所需的定位点数为N N 3 2 第二 三基准面所需的定位点为2个和1个 第二基准面的二个定位点布置在较长的边上 3 禁止在正反两侧同时设置定位点 易产生挠度和潜在的不稳定 N 2 1定位原理的发展 N 定位点的确定 上海交大利用有限元分析和非线性规划 定位原则 采用定位销与支承钉相辅 第二节定位方法及定位器 一 关于基准的概念基准 基准又叫基准面 datum 它是一些点 线 面的组合 用它们来决定同一零件的另外一些点 线 面的位置或者其他零件的位置 可分为 1 设计基准设计图样上所采用的基准 它是以决定零件在整个结构或部件中相对位置的点 线 面的总称 2 工艺基准在工艺过程中采用的基准 它是加工装配过程中用来进行定位 安装零件位置的点 线 面 工艺基准又可分为工序基准 定位基准 装配基准和测量基准 工序基准 工序图上用来确定本工序所加工表面加工后的尺寸 形状和位置的基准 定位基准 零件在夹具中定位时所依据的点 线 面 图1 2中 平面A与工件的接触面最大 消除三个自由度 称第一定位基准 平面B消除二个自由度 称第二定位基准 平面C消除一个自由度 称第三定位基准 装配基准 它在夹具中决定各零件相对位置的点 线 面 P8图1 8 测量基准 在加工装配过程中用以检查零件位置或工艺尺寸所依据的点 线 面 实践中 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 尽量选用零件粗糙度适宜的面作为基准 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 从而简化夹具的机构 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 二 工件以平面定位工件以平面作为定位基准 是生产中常见的定位方式之一 常用的定位器有挡块 支承钉 支承板等 1 挡块挡块分受力挡块和不受力挡块两种 受力挡块承受工件的部分重力或夹紧力 以及焊接应力等 设计时可按零件的厚度加固 挡块与工件接触线的长度应大于被定件零件厚度的1倍 其高度则不应低于被定件零件截面的重心线 挡块的各种形式 p9图1 9 固定挡块 可拆挡块 固定的螺栓挡块 铰接式可退出挡块 永磁材料及软钢制成的定位挡块 下图是用永磁材料及软钢制成的定位挡块 可装配铁磁性金属材料的焊接件 特别适用于中 小型的板材及管材的装配 p9图1 10 直角用永磁定位挡块 多用永磁定位挡块 应用示例 2 支承钉和支承板固定支承钉 p10图1 11下图为三种固定支承钉 GB T2226 其中A型为平头 多用于定位基准光滑的工件 B型为圆头 用于未经机械加工的平面定位 C型为花纹头 多用于未加工的零件侧面定位 A型B型C型 支承板 p10图1 11 下图为支承板 GB T2236 多用于已经机械加工的平面定位 A型用于侧面或顶面定位 B型带有斜槽 便于清理积屑和脏物 宜作底面定位 A型 B型 可调支承 p10图1 12 下图为可调支承 适用于毛坯分批制造 其形状和尺寸变化较大的粗基准定位 也可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件 或用于专用可调整夹具和成组夹具中 在一批工件加工前调整一次 调整后用锁紧螺母锁紧 图 a 的结构用于中 小型工件 图 b c 的结构用于重型工件 自动调节支承 p10图1 13下图为自动调节支承 未装入工件前 支承栓在弹簧作用下 其高度总是高于基本支承 当工件在基本支承上定位时 支承柱被压下 并在弹簧力作用下始终与工件保持接触 然后锁紧 即可相当于刚性支承 每次新装入工件前 应将锁紧销松开 以免破坏定位 三 工件以圆孔定位常用的定位器有定位销 定位插销和衬套式定位器 1 定位销标准化定位销 p11图1 14 下图所示定位销均已标准化 主要用于直径在50mm以下的中小孔定位 每种定位销有圆柱销和削边销两种形式 根据定位销与定位孔配合的长径比和配合长度与总体尺寸的关系等 圆柱销可限制工件的两个或四个自由度 削边销可限制工作的一个或两个自由度 非标准定位销 如果结构上有特殊要求 或尺寸超过标准定位销 可根据需要设计非标准定位销 下图 a 为削边锥销 用于未加工过的孔定位 图 b 为普通圆锥销 用于精基准定位 工件以单个圆锥定位时容易倾斜 故应和其他定位元件组合定位 2 衬套式定位器P11图1 16下图所示为衬套式定位器 将衬套分为上 下两部分 下半部分固定在夹具体 旋转轴 上 上半部分制成活动式 向上撑开时可以顶紧和定位工件 适用于薄壁圆筒环缝焊接 3 定位插销p12图1 17定位插销可以设计成各式各样的手柄 便于拔插 插销顶端15 倒角 插销定位部分也可以制成削边销 减少接触面积 下图是定位插销应用实例 四 工件以外圆柱面定位工件以外圆柱面作为定位基准 也是生产中常见的定位方式之一 常用的定位器有V形块 定位套和半圆孔定位器 1 V形块V形块作为定位元件 不仅安装工件方便 而且定位对中性好 广泛应用于管子 轴和小直径圆筒节等圆柱形零件的安装定位 标准V形块 p12图1 18V形块在夹具体上调整好位置后用螺钉紧固并配作两个销孔 用两个定位销确定位置 V形块两个定位面的夹角 有60 90 和120 三种 以90 应用最为广泛 因为它在保证定位稳定性和减少夹具的外形尺寸方面比60 和120 的都好 标准V形块是根据工件定位面外圆直径来选取 非标准V形块 p12表1 1 由 NK来计算T 间断型V形块 p13图1 19 下图为间断型V形块 用于基准面长度较大的工件 如果两段基准面相距较远 也可以采用两个短V形块组装的结构 如图 c 大型的V形块 其基体可以和夹具本体铸在一起 工作表面镶上淬硬支承板 如图 d 用于粗糙的基准面时 工作表面长度要小些 如图 a 所示 一般为2 5mm 中小型的V形块常用20钢制成 渗碳淬火后硬度达55 60HRC 或用45钢直接淬火到40 45HRC abcd 可调节的V形铁 p13图1 10当零件的直径不定时 最好采用可调节的V形铁 如下图所示 它由底座1 左右夹板2和3 调节螺杆4 滑动轴承5及止动螺钉6组成 使用时调节反向双头螺杆4 即可调节两块V形铁的间距 因而适应不同直径的工件定位 通用性好 工件需转动时 V形块的二斜面可用两个滚轮或长辊轴代替 p5图1 4 b 1 底座 2 3 夹板 4 调节螺丝 5 滑动轴承 6 止动螺丝 2 定位套和半圆孔定位器定位套和半圆孔定位器都是以圆孔定位 图 a 用于工件以端面为主要定位基准时 短定位套孔只限制工件的两个移动自由度 图 b 中工件以外圆柱表面为主要定位基准 长定位孔限制了工件四个自由度 图 c 所示为半圆孔定位器 上半圆起夹紧作用 下半圆孔起定位作用 下半圆孔的最小直径应取工件定位基准外圆的最大直径 定位套 p14图1 21a b 将工件套在里面 定位孔 p14图1 21c abc 五 组合表面定位定义 以工件上两个或两个以上表面作为定位基准时 称为组合表面定位 采用组合表面定位时 如果各定位基准之间无紧密尺寸联系 即没有尺寸精度要求 时 即把各种单一几何表面的典型定位方式直接予以组合 P14图1 22例如 如图所示为采用工件的部分外形组合定位 P14图1 23图 a 的样板用于确定圆柱体的位置 图 b 的样板用于确定筋板的位置及垂直度 图1 22图1 23 采用组合表面定位时 如果各定位基准之间有紧密尺寸联系 即有一定尺寸精度要求 时 需设法协调定位元件与定位基准的相互尺寸联系 以克服过定位现象 生产中常见的例子是 两孔一面 定位 即工件以两个中心线互相平行的孔及与之相垂直的平面作为定位基准 采用的定位元件是两个圆柱销和一个支承面 或者是一个圆柱销 一个削边销和一个支承平面 即 两销一面 的定位方式 其设计要点是如何在保证加工精度的条件下 使工件两孔能顺利装配到两销上去 1 以两个圆柱销及平面支承定位问题 两销都采用短圆柱销 实际上这是一种过定位情况 因为一个支承平面限制三个自由度 每个短圆柱销限制两个自由度 沿两孔连心线方向的自由度被重复限制了 这时假定第一个孔能正确装到第一个销上 但同批工件第二孔就会因孔间距误差和销间距误差的影响而装不到第二销上 有可能出现孔心距为最小而销心距为最大 或者孔心距为最大而销心距为最小的极限情况 P15图1 24 解决方案 减小第二销的直径 如图 a 所示 孔心距为最大而销心距为最小 即L LD L Ld 此时 工件根本无法装入两销实现定位 为了保证一批工件都能实现顺利定位 可将第二销的直径减小 并使其减小量足以补偿销间距和孔间距误差的影响 设工件上两孔中心距为L LD 两销中心距为L Ld 定位孔1与定位销1之间的最小配合间隙X1min 定位孔2与定位销2之间的最小配合间隙X2min 定位销1直径最大极限尺寸d1 定位销2直径最大极限尺寸d2 定位孔1直径最小极限尺寸D1 定位孔2直径最小极限尺寸D2 图 b 表示孔心距为最大 L LD 而销心距为最小 L Ld 的极限情况 在这种情况下 两定位孔恰好能套在两定位销上 此时有L LD X1min 2 D2 2 L Ld d2 2 缩小后的第二销的最大极限直径为d2 D2 2 LD 2 Ld X1min 1 2 定位销2与定位孔2间的最小配合间隙X2min应达到X2min D2 d2 2 LD 2 Ld X1min 1 3 另一种极限情况是孔心距为最小 L LD 而销心距为最大 L Ld 的情况 同理可得到式 1 3 的结果 图片为 这种缩小一个定位销直径的方法 虽然能实现工件的顺利装卸 但显然加大了孔与销的配合间隙 使工件的转角误差增加 影响装配精度 因此 只能在加工要求不高时使用 所以实际上往往不采用减小第二销直径的办法 而是采用削边销 2 以一圆柱销和一削边销及平面支承定位好处 为使工件在极端情况下能装到定位销上 在不减小圆销直径的情况下 可把第二销碰到孔壁的部分削去 只留下一部分圆柱面 如上页图所示 这样 在连心线方向上仍有减小第二销直径的作用 而在垂直于连心线方向上 由于销子直径并未减小 因此工件转角误差没有增大 同时也保证了工件装配容易 削边销保留宽度b可按下图所示的几何关系进行计算 p15图1 25 由直角 ACO2和直角 BCO2可知CO2CO2 AO2AO2 ACAC BO2BO2 BCBC 1 4 式中AO2 D2 2BO2 d2 2 D2 X2min 2BC b 2AC AB BC LD Ld b 2代入式 1 4 得D2D2 4 LD Ld b 2 2 D2 X2min 2 4 b2 4化简并略去二次微量 LD Ld 2和X2minX2min 整理后得b D2X2min 2 LD Ld 1 5 设计夹具时 两孔一面 定位的定位销尺寸和公差常按以下步骤确定 1 确定两定位销中心距及公差 计算时 工件孔中心距均应化成以平均尺寸为基本尺寸 偏差对称分布的形式 两定位销中心距的基本尺寸等于两孔中心距的平均尺寸 其公差一般为 Ld 1 5 1 3 LD 2 确定圆柱销直径d1的基本尺寸及公差 圆柱销d1以工件相应孔的最小极限尺寸D1为基本尺寸 公差取g6或f7 即d1 D1 g6或f7 3 确定削边销宽度b和限位基面直径d2的基本尺寸 公差 削边销的宽度b对工件的定位及削边销的寿命影响较大 所保留的宽度过大 工件仍有可能装不进去 过小容易磨损且易划伤孔表面 兼顾工件的装夹 定位精度及夹具的使用寿命 一般按国标GB T2203所推荐的数值选取 为使工件装入方便 定位销端部应按15 倒角 同时还应使削边销低于圆柱销3 5mm 从表1 2查出b值 代入式 1 5 中求出X2min 则削边销的限位基面直径d2为d2 D2 X2min 公差取h5或h6 六型面定位定义 对于复杂外形的薄板焊接件 一般采用与工件的型面相同或相似的定位件来定位 实例 p17图1 261 27 第三节定位方案设计的方法与步骤 通常按以下步骤设计定位方案 一 确定定位基准 对一产品 首先应根据工件的技术要求和所需限制的自由度数目 确定好工件的定位基准 在焊接夹具上装配的零件都不是单个的 而是许多个 整个组装过程 就是把这许多个零件按顺序逐个地在夹具上进行定位和夹紧 待点固或焊接完后才形成一个部件 一个零件的定位基准或待装部件用的组装基准 可以按下列原则去选择 1 当在零部件的表面上既有平面又有曲面时 优先选择平面作为主要定位基准面或组装基准面 尽量避免选择曲面 如果各个面都是平面时 则选择其中最大的平面作为主定位基准面或组装基准面 2 应当选择零部件上窄而长的表面作为导向定位基准 窄而短的表面作为止推定位基准 3 应尽量使定位基准与设计基准重合 以保证必要的定位精度 以产品图样上已经规定好的定位孔或定位面作为定位基准 若没有规定时 应尽量选择设计图样上用以标注各零件位置尺寸的基准作为定位基准 4 尽量利用零件上经过机械加工的表面或孔等作为定位基准 或者以上道工序的定位基准作为本工序的定位基准 备料过程中 冲剪和自动气割的边缘以及原材料本身经过轧制的表面都比较平整光洁 可以作为定位基准 手工气割的边缘和手工成形的表面其精度差 一般不宜作定位基准 上述原则要综合考虑 灵活应用 检验定位基准选择得是否合理的标准是 能否保证定位质量 方便装配和焊接 以及是否有利于简化夹具的结构等 实例 p18图1 28装配工字梁时 有两个面可作组装基准 下图a是以下盖板的底平面作组装基准 即采取立装 这样缺点较多 重心高 不稳定 装配上盖板时 定位与夹紧困难 需要仰面定位焊 因此 应像图b中那样 以腹板的侧面作为整个工字梁的组装基准 即采取放倒装配 这样装配稳定 并且施焊方便 但是 两面定位焊时 工件需要翻转 二 确定定位器的结构及其布局非常重要 定位基准确定之后 设计定位器时 应结合基准结构形状 表面状况 限制工件自由度的数目 定位误差的大小 以及辅助支承的合理使用等 并在兼顾夹紧方案的同时进行分析比较 以达到定位稳定 安装方便 结构工艺性和刚性好等设计要求 实例 p19图1 29P19图1 30 三 确定必限的自由度根据工序图中装配顺序和技术要求 正确地确定必须限制的自由度 并用适当的定位器将这些自由度加以限制 常用定位器所限制的自由度 p19表1 3 四 提出定位器的材料和技术要求定位器本身质量要高 其材料 硬度 尺寸公差及表面粗糙度要符合要求 装入夹具后强度和刚性要好 定位方案的设计 不仅要求符合定位原理 而且应有足够的定位精度 不仅要求定位器的结构简单 定位可靠 而且应使其加工制造和装配容易 强度和刚度计算 精度等级IT9或IT8 粗糙度Ra1 6 耐磨性40 65HRC 材料45 40cr T8 T10或20 20cr等 五定位方案实例分析以汽车驾驶室为例1装焊定位基准的选择汽车驾驶室装焊定位基准及工装设计基准与车身的设计基准一致 汽车车身为空间形体结构 其设计基准以X Y Z轴坐标系 间距200mm作基准线 p21图1 31 对装配最重要部分 选择装配定位基准时要 1 保证门框尺寸门框作为定位基准 EQ1090驾驶室的定位点如图p21图1 31的定位方案 驾驶室采用侧围装配 门框冲压成整体结构 2 保证前 后悬置孔的位置精度 3 保证前 后围风窗口装配尺寸 2定位分析P22图1 32 前围立柱 3 5为定位主基准 采用了四个定位支承 4 6为第二定位基准 Z方向用冲点位p22图1 33 采用六点定则 图为p22图1 32过定位 后围立柱 与前围立柱相同 驾驶室底板 采用一面两销 有的情况还要考虑辅助支承 1支承块 3驾驶室总成装焊夹具EQ1090驾驶室随行夹具p23图1 34 门框装焊夹具p23图1 35 由2 8 4 9构成 装焊顺序 底板装在定位夹具上 然后装前围 后围 门上梁 夹紧后焊接 习题与思考题1 何谓六点定位原理 是否一定要完全限制工件的六个自由度才算定位合理 2 何谓全定位 准定位 欠定位和重复定位 试举例说明 3 什么是N 2 1定位原理 在薄板件的焊装夹具中如何应用 4 两销一面定位中为什么要选用削边销 它在定位装置中如何布置 5 工件以平面为定位基准时 常用哪些定位元件 各用于什么场合 6 工件除以平面定位外 还常用哪些表面作定位基准 相应的定位元件有哪些类型 7 在夹具设计中 基准重合与基准不重合的含义是什么 8 工件的定位与夹紧的区别是什么 9 确定工件在夹具中应限制自由度数目的依据是什么 10 试分析和设计轴类工件的六点定位装置 11 试分析图1 36所示盘类工件的定位情况 12 两根直径为50mm的圆管需要环缝对接焊 若采用外圆柱面定位 试设计工作角度为90 的v形块 第二章夹紧装置设计第一节夹紧装置的组成与要求 工件在夹具上的安装包括定位和夹紧两个密切联系的统一过程 为使工件在定位件上所占有的规定位置在焊接过程中保持不变 就要用夹紧装置将工件夹紧 才能保证工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠地接触 防止装焊过程中移动或变形 一 夹紧装置的组成 1 力源装置 2 中间传力机构 3 夹紧元件 1 力源装置它是产生夹紧作用力的装置 通常是指机动夹紧时所用的气动 液压 电动等动力装置 下图中的气缸便是一种力源装置 2 中间传力机构它是将力源产生的力传递给夹紧元件的机构 如图中的斜楔 传力机构的作用有三种 改变夹紧力的方向 改变夹紧力的大小 扩力 保证夹紧的可靠性 自锁性 3 夹紧元件即与工件相接触的部分 它是夹紧装置的最终执行元件 通过它和工件直接接触而完成夹紧动作 图中的压板即为夹紧元件 这三部分相互关系 可用下框图表示 在手动夹紧装置中 没有第一部分 手动夹紧的力源是由人力来保证的 中间传力机构和夹紧元件组成为夹紧机构 夹紧装置的设计内容 就是设计这几个部分 夹紧装置的具体组成是由工件特点 定位方式 工艺条件等来综合考虑的 二 夹紧装置的分类1 按作用力的来源分 1 机动夹紧又有气压传动 液压传动 气液压传动 电机传动 电磁夹紧及真空夹紧等 2 手动夹紧是夹紧装置中最简单 最原始的形式 在小批和成批生产中仍然用得很广 2 按转变原始力为夹紧力的机构分 1 简单夹紧机构是将原始力转变为夹紧力的机构只是一个 如螺旋式 楔式 偏心式 杠杆式和弹簧式夹紧机构等 2 组合夹紧机构是两个或两个以上的简单夹紧机构所组成 如螺旋 杠杆式 螺旋 楔式 偏心 杠杆式及偏心 楔式等 组合夹紧机构可以进一步增大夹紧力或得到适当要求的夹紧力作用点及夹紧方向 3 按夹紧方向及位置分按机构对工件所作用的夹紧力方向及位置的安排方式 夹紧装置又可分为 垂直夹紧 平行夹紧 对向夹紧 张开夹紧 沿圆周径向夹紧 或内部夹紧 外部夹紧等 三 夹紧装置的基本要求设计夹紧装置时 必须满足下列基本要求 1 正 夹紧时 不能破坏工件在定位元件上所获得的正确位置 为此要正确选择夹紧力的方向和作用点 2 牢 夹紧力的大小要适当 可靠 夹紧机构一般要有自锁作用 保证在装配焊接过程中工件不会松动 又不会使工件产生的变形和表面损伤超出技术条件的允许范围 3 快 夹紧装置应操作方便 安全省力 夹紧迅速 以便减轻劳动强度 缩短辅助时间 提高生产率 4 简 结构要力求简单 紧凑 并具有足够的刚性 使工装具有良好的工艺性和使用性 四 夹紧力的确定夹紧力包括力的方向 作用点和大小三个要素 它对夹紧装置的设计起着决定性的作用 1 夹紧力方向的选择 1 夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面 可使工件与定位件更好节触 使夹紧力引起的变形小 2 夹紧力的方向应有利于减小工件变形 工件变形与焊接工艺密切相关 材料 结构 夹具等 P26图2 3P26图2 4 3 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力 P26图2 5 2 夹紧力作用点的选择夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的部位 局部接触面积 1 应不破坏工件定位已确定的位置 即应作用在支承上或支承所组成的面积范围之内 P27图2 62 7P27图2 8夹紧力的摩擦力使工件转动和移动P28图2 9 2 夹紧力作用点的数目增多 能使工件夹紧均匀 提高夹紧的可靠性 减小夹紧变形 增加作用点数目 琴键式压板及P28图2 10增加接触点面积 P28图2 112 12 3 夹紧力作用点应不妨碍施焊 3 夹紧力大小的确定一般采用类比法 经验法来确定计算法时 考虑下面几点确定夹紧力大小应考虑下列因素 1 夹紧力应能够克服零件上局部变形 2 当工件在胎具上实现翻转或回转时 夹紧力足以克服重力和惯性力 把工件牢牢地夹持在转台上 3 需要在工装夹具上实现焊件预反变形时 夹具就得具有使焊件获得预定反变形量所需要的夹紧力 4 夹紧力要足以应付焊接过程热应力引起的拘束应力 五定位及夹紧符号的标注P29图2 13定位及夹紧符号的标注 国标 第二节简单夹紧机构 简单夹紧机构常见的有楔式 螺旋式 偏心式 杠杆式和弹簧式等数种 它们都只有一个机构将原始力转变为夹紧力 楔式 螺旋式和偏心式夹紧机构都是利用机械摩擦的斜面自锁原理来夹紧工件的 其中楔块是最基本的形式 偏心轮和螺杆只不过是楔块的变种 一 楔块夹紧机构P30图2 14楔块夹紧机构 wedgeclamp 是利用楔的斜面将楔块的推力转变为夹紧力从而将工件夹紧的一种机构 如下图 1夹紧力的计算P31图2 15 2自锁条件由机械原理 自锁条件为松夹时 也可由受力分析得到上述结果p31图2 16 3增力比与行程比 P32图2 17 斜楔的行程比 2 18的双升角斜楔 二 螺旋夹紧机构利用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧工件的机构 统称螺旋夹紧机构 screwclamp 这类夹紧机构由于结构简单 夹紧可靠 通用性强 既可独立使用 也可以安装在夹具上和定位器配合使用 所以在焊接生产中广为应用 其缺点是夹紧和松开工件时比较费时费力 1 螺旋夹紧件的基本构造两种基本形式 螺钉夹紧件 螺母夹紧件 螺钉夹紧机构 P32图2 19 P33图2 20 快速动作的螺旋夹紧器p33图2 21 2 螺旋夹紧机构的工作性能P34图2 22 以螺杆为受力对象 受三力FQ FN FJ 力矩平衡和力平衡可得 自锁分析当螺杆端部为平端面时 分析同上 P35图2 23螺旋产生的夹紧力p35表2 2 三 偏心夹紧机构偏心夹紧机构 eccentricclamp 是指用偏心件直接或间接夹紧工件的机构 偏心件有圆偏心和曲线偏心 即凸轮 两种 1 圆偏心的夹紧原理实质是升角变化的楔p35图2 24 参数p36图2 25 2 园偏心白锁条件 3 夹紧力的计算向斜楔转化p37图2 26ACDK 4 园偏心参数及工作位置的确定偏心距e和直径D 园偏心的夹紧行程 偏心距e的范围 偏心轮的安装位置 即旋转中心至被夹紧表面的距离c p38图2 27所示 距离c可由下式计算偏心轮的工作段 已知c e 用作图法求出 p38图2 27去多余部分及安装手柄 偏心轮的夹紧行程h e 1 sin 偏心轮的工作行程 转角从 1 2 S e cos 1 cos 2 p39表2 5表2 6 5 偏心夹紧机构的特点形式 常用的偏心件形式有轮型 轴型 槽型和钩型 P40图2 28 圆偏心轮叉型偏心轮单面偏心轮双面偏心轮 轴型偏心夹紧件槽型偏心夹紧件钩型偏心夹紧件 材料 T7A T8A 20 20cr特点 夹紧迅速 自锁 但夹紧力小 P41表2 7 四 弹簧夹紧机构弹簧夹紧机构是利用弹簧变形产生的力作为持续动力 然后把这个力转变为夹紧力将工件夹紧 弹簧夹紧机构有以下主要优点 1 限制并稳定夹紧力 在夹紧状态下调整弹簧的变形量 则夹紧力限定在某范围内 2 在批生产使用时 夹紧力稳定 其力的大小无变化 3 弹簧夹紧容易实现自动夹紧 结构形式 应用较多的有圆柱形螺旋弹簧 拉伸弹簧和压缩弹簧 和碟形弹簧两种结构 它们都是标准件 可查手册选用 对于非标准件可自行设计 关于强度 变形量等的验算可参考设计手册 以验算数据作为参考依据 在结构设计中统一考虑 实例 p41图2 29 五 推拉夹紧机构在焊接生产中 经常需要将笨重的零部件移动几毫米至几十毫米 使它们处于正确的位置 这时可以使用推拉来顶紧 撑开或拉近工件 有时它也可用作装配时支承工件的基面 常用的推拉夹具有千斤顶 拉紧器和推撑器 用来防止 矫正变形 1 拉紧器p42图2 30拉紧器用于装配时拉紧工件 常用的拉紧器多数是机械式的 其中以螺旋拉紧器应用最广 2 推撑器把两个工件顶紧或撑开 而本身受压力的装置叫推撑器 最简单的螺旋推撑器是螺旋千斤顶 圆筒容器的装配 p43图2 31 专门用于装配中小型管道用的推撑器 p43图2 32 环形螺旋撑圆器 p44图2 33 六 杠杆夹紧机构单独应用少 无自锁能力 它常与斜楔 螺旋 偏心轮等具有自锁性能的夹紧件组合 构成各种复合夹紧机构 P44图2 34 第一杠杆 第二杠杆第三杠杆 杠杆夹紧机构是利用杠杆原理使原始力变为夹紧力 并用杠杆作为传力件或夹紧件实现夹紧的机构 杠杆必须由三个点和两个臂组成 支持杠杆转动的点叫支点 承受重物的点叫重点 对杠杆施力的点叫力点 支点到重点的距离叫重臂 支点到力点的距离叫力臂 支点在中间的为第一杠杆 重点在中间的为第二杠杆 力点在中间的为第三杠杆 第三节复合夹紧机构 复合夹紧机构是由几种简单夹紧件和传力件利用杠杆原理和自锁原理组成的夹紧机构 复合夹紧机构的用途很广 与简单夹紧机构比较有下列优点 1 扩大夹紧力 原始力经过第一个机构传至第二个机构 而第二个机构再将力的三要素加以改变 2 可使整个夹紧机构得到自锁作用 以弥补无此作用的简单夹紧机构的缺点 3 能在最合适的地点与方向夹紧工件 便于工序的进行 常用的复合夹紧机构有 螺旋 杠杆 斜楔 杠杆 偏心 杠杆 铰链 杠杆等 一 螺旋 杠杆夹紧机构螺旋 杠杆夹紧机构是经螺旋扩力后 再经杠杆进一步扩力或缩力来实现夹紧作用的一种夹紧装置 P45图2 35螺旋 杠杆夹紧机构 Fj FQL L1 常见的螺旋 杠杆夹紧机构 P46图2 36螺旋压板双分力夹紧装置图2 37 2 38 2 39 2 40 2 41图2 42 2 43 外薄筒为工件 螺旋压板双分力夹紧装置铰链压板双分力夹紧装置 带复合杠杆的联动夹紧装置气动联动夹紧装置 螺旋杠杆式外张夹紧装置安装法兰用的杠杆螺旋夹紧器 带钢球和斜槽杠杆的螺旋夹紧装置带交叉杠杆的螺旋夹紧装置 二 偏心轮 杠杆夹紧机构偏心轮 杠杆夹紧机构 eccentric leverfixture 是利用偏心轮 或凸轮 和杠杆所组成的一种夹紧装置 P48图2 44 2 45P49图2 46 2 47 带直角压板的偏心夹紧装置偏心装于压板上的夹紧装置 带移动压板的偏心夹紧装置带双面偏心轮的均衡夹紧装置 三 铰链 杠杆夹紧机构铰链 杠杆夹紧机构 hinge leverfixture 是利用杠杆原理将杠杆系通过固定铰链和活动铰链组成的夹紧机构 也称肘杆夹紧器 toggleclamp 1 自锁条件自锁原理的特殊性 气动铰链 杠杆夹紧机构一般不具有自锁作用 手动铰链 杠杆夹紧机构必须要自锁 它并非利用机械摩擦斜面 斜楔 螺旋及偏心轮 来自锁 而是利用肘杆铰链的支反力变向 对夹紧力有利 而实现自锁的 分析 p49图2 48 2 49 结论 对铰链四杆机构 从动件与连杆共线是出现死点的位置 铰链 杠杆夹紧机构的自锁条件是 手柄杠杆与连接板共线 2 基本结构形式来源于铰链四杆机构 曲柄摇杆 双摇杆 导杆机构 分三类 p50图2 50机构常用的基本类型有三种 图 a 为第一类铰链 杠杆夹紧机构 属双摇杆机构 图 b 为第二类铰链 杠杆夹紧机构 与第一类不同点是选取连杆BC作为手柄杠杆 图 c 为第三类铰链 杠杆夹紧机构 属导杆机构 派生形式 p51图2 51 手柄杠杆 夹紧杠杆 连接板的铰结形式和位置形状不同 3 典型实例图2 52 2 53 2 54 2 55为第一类铰链 杠杆夹紧机构 特点 由两组杠杆与连接板的组合 手柄杠杆与夹紧杠杆与支座铰链 手柄杠杆为垂直式 夹紧时 保证自锁的稳定性 夹紧时手柄杠杆的施力点应越过手柄杠杆支点和夹紧杠杆受力点的连线一小段距离 即夹紧与松开的临界线 但又不能越线过度 应设计限位挡块或支座的局部 图2 56为第二类铰链 杠杆夹紧机构 特点 也是两组杠杆与一组连接板组合 夹紧杠杆与连接板与支座铰链 手柄杠杆为水平式 设计时要考虑夹紧杠杆松开时是否打手 这类夹紧器的夹紧杠杆转角小 图2 57为第三类铰链 杠杆夹紧机构 特点 为一组杠杆与连接板组合 夹紧力大 图2 58为大力钳 ab为第二类铰链 杠杆夹紧机构 C为第三类铰链 杠杆夹紧机构 一手柄固定分析另一手柄 图2 59 2 60为多杆机构 第三类 4 设计要点 1 先按工件的夹紧要求 确定铰链 杠杆夹紧机构的基本类型 采用解析法 几何作图法 实验法完成主要几何参数设计 已知松夹位置 求杆件尺寸 取d 1P57图2 61 四个方程可求出a b c 四杆同时乘比例系数均满足要求 对垂直式肘杆夹紧器 2 90 BC CD AB 2 1 414AD 2 p58图2 62 2 确定夹紧器的结构尺寸 P57图2 61杠杆的引出 对第一类 手柄杠杆从A B 夹紧杠杆从C D对第二类 手柄杠杆从B 夹紧杠杆从C D手柄杠杆夹紧杠杆的伸出长度 力的大小方向作用点杠杆 连接板 销轴的强度与刚度 3 设计的铰链 杠杆夹紧机构必须具有良好的自锁性能 手柄杠杆与连接板的铰结点要越过共线0 5 3mm 可调弹性压头 p58图2 63提高夹具停留在死点的稳定性 四 其他形式复合夹紧机构P59图2 64 第四节定心夹紧机构 定心夹紧机构 是指能同时实现工件定位和夹紧的机构 三爪卡盘 three jawchuck 和弹性夹头 collet 就是常用的两种定心夹紧机构 它们的共同特点是 定位和夹紧由同一元件完成 并通过元件等速移近或离开工件 来消除工件尺寸公差对定位精度的影响 定心夹紧机构按其特性分为 定心元件等速移动原理 螺旋式 偏心式 楔式 杠杆式 和弹性元件均匀变形原理 弹性夹筒式 碟形弹簧片式和液性塑料定心夹具 两类 一 定心元件等速移动原理及机构1 螺旋式定心夹紧机构图2 65 2 66 2 67利用丝杠 螺母三爪卡盘利用盘形螺旋槽机构 p61表2 12下图为用左右螺纹传动的机构示意图 定心元件上带有与其刚性相连接的螺母 螺母可在具有相等螺距的左右螺纹丝杆上对理想中心点O作对向或背向移动 以实现自动定心的作用 此处防止丝杆纵向移动的挡块1和一对凸肩2应位于丝杆的中部 2 楔式定心夹紧机构图2 68 2 69 2 70 3 偏心式定心夹紧机构P62图2 71 4 连杆式定心夹紧机构P62图2 72原理采用主从定位块配合p62图2 73表2 13 二 弹性夹筒式定心夹紧机构弹性夹筒式定心夹紧机构通常称为弹性夹头 它是利用弹性夹筒的弹性变形来将工件定心并夹紧的装置 适用于对各种直径和长度的内外圆作基准的工件定心及夹紧 下图为工件以外表面定心的弹性夹头 p63图2 74后拉式 前推式 不动式 不动式 下图为工件以内表面定心的弹性夹头 也称弹簧芯轴 p64图2 75 弹性夹头的设计 1 结构特点p64图2 76弹性夹头的形式要适应工件及其定位基准的尺寸和形状 最常用的夹头结构都具有三个部分 如下图 头部为卡爪1 中部为簧片2 尾部为导向部分3 这三部分的工作条件不同 所以各部分的机械性能和硬度要求也不同 2 硬度 头部卡爪50 55HRC 尾部导向为40 45HRC 材料 65Mn 18CrMnTi等 热处理 p65表2 14 锥度 p64图2 77弹性夹头的锥度对定心夹紧的性能影响较大 为了使弹性夹头在工作时不被卡住 并且在夹紧时不需要很大的力 锥度一般采用30 夹具体上的锥角比夹头上的锥角相差1 根据夹头的锥面方向的不同来决定其锥角的数值 当锥面为内拉式夹紧时 如图 a 所示 夹具体锥角采用29 夹头的锥度用30 当锥面为外推式夹紧时 如图 b 所示 夹具体锥角采用31 夹头的锥度用30 3 标准化及自行设计p65表2 15 第五节柔性夹具 柔