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第四章焊接工装设计方法 第一节焊接工装设计的基本原则和要求 一 实用性原则 实用性是指工装的使用功能 它既表现为技术性能好 能满足装配焊接工艺要求 同时也表现为整个工装系统与人体相适应 操作舒展方便 安全省力 符合人体的生理和心理特征 使人机系统的工作效能达到最佳状态 焊接过程是构件体积和重量不断增加 结构趋于复杂的过程 所设计的工装应能适应这种情况 焊接过程是局部加热过程 不可避免会产生焊接应力和变形 在考虑定位夹紧方案时应充分考虑到焊接应力和焊接变形的大小和方向 焊接方法不同 对工装的结构和性能要求也不同 对于手动夹具和移动式工装 在保证足够刚度的前提下应尽量减轻重量 尽量使焊缝处于易于焊接的位置 尽量减少工件翻转次数 工装的功能设计和造型设计必须从人机工程学的观点 考虑人的各种因素 来确定适合人体机构特点的设备系统 二 经济性原则 经济性原则就是力求用最少的人力 物力和财力来获得最大成效 从经济角度考虑 采用工装可提高生产效率 降低生产成本 提高产品质量 增加产品附加值 设计制造工装时 应降低工装制造费用 缩短工装投资回收期 应尽量采用标准零部件 在保证工装可靠性的同时减少精加工比例和结构重量 是否采用以及采用何种工装要与生产纲领和生产类型相适应 A1 W1 F1 J N A0 W0 F0 A1 W1 F1 采用工装进行装配 焊接 机加工等工序的费用 A0 W0 F0 未采用工装进行装配 焊接 机加工等工序的费用 式中 三 可靠性原则 该原则要求工装在使用期内绝对安全可靠 凡是受力构件都应具有足够的强度和刚度 足以承受焊件重量和因限制焊接变形等引起的各向拘束应力 另一方面 工装应具有防差错功能 防止操作者出现错装 漏焊或者错焊等制造误差 四 艺术性原则 该原则要求工装设计造型美观 在满足功能使用和经济许可的条件下 使操作者在生理上 心理上感到舒展 给人以美的感受 造型设计的原则 实用是第一位的 美观处于从属地位 经济是约束条件 第二节焊接工装设计的步骤和内容 一 焊接工装设计的步骤 1 明确设计任务 收集设计资料 产品的图样 焊接组件图及技术要求 产品装配和焊接工艺文件 工装设计任务书 了解本厂制造 使用工装情况和车间生产条件 收集有关夹具零部件标准 典型结构图册和夹具设计手册等 2 拟定工装方案 绘制结构草图 机械化 自动化程度 是专用还是通用 实现某种功能拟采用的原理和相应机构 工装基本构成和总体布局 夹具体和主要零部件的基本机构形式 主机或主要机构的基本参数和技术性能的初步确定 工装方案的内容 工装结构草图的绘制步骤 布置图面 设计定位元件 设计夹紧装置 进行传动装置 夹具体和连接件等的绘制 3 进行必要的分析计算几何关系计算 定位误差分析 夹紧力估算 传动计算 受力元件的强度和刚度计算等 4 绘制总装配图 标注有关尺寸 公差及配合 制定工装的技术条件 标注零件编号及编制零件明细表 5 绘制工装零件图 6 编制设计说明书和使用说明书 二 焊接结构装配方案的确定 1 结构分离面 设计分离面 由于设计构造上和使用功能上的需要 将产品分解为部件和组合件等可单独进行装配的单元 这种装配单元之间的结合面称为设计分离面 设计分离面一般采用可拆卸的连接 以便使用和维修过程中迅速拆卸和重新安装 而不损坏机体 工艺分离面 在生产工程中 为了满足工艺上的要求 将部件进一步分解为若干生产上可独立装配的单元 这种装配单元之间的分离面称为工艺分离面 工艺分离面的连接一般为不可拆卸的连接方法 2 确定工艺分离面的原则 尽量保证部件和组合件构造上的完整性 便于各部件间最后的总装 受部件和组合件的结构形式限制 不能一次装配 否则先装配零件会直接影响后装配零件的装配工作 必须合理选择工艺分离面 复杂的组合件 必须合理选择工艺分离面 每个单元单独装配 焊接和矫形 以免造成总装时因变形太大而难以甚至无法矫形 部件结构虽然不复杂 但由于必须经过两个或两个以上的工艺才能完成 也应合理选择工艺分离面 分离面对总成尺寸的影响应尽量小 以减少总体尺寸的累计误差 必须考虑工艺和经济上的合理性 3 装配方法的分类 划线定位装配 先划线后装配 适用于试制 单件生产 修理和位置精度要求不高的场合 安装孔装配 以现有孔和工艺孔为定位基准 多用于汽车装焊生产 工装定位装配 采用工装进行定位夹紧 效率高 互换性好 应用于批量生产 按定位方式 互换法 控制零件加工误差保证装配精度 零件加工精度高 互换性好 装配简单 工人技术要求低 便于流水作业 选配法 工人手工选配 对零件工艺精度要求低 增加了装配工时和装配难度 修配法 工人手工修配 放宽零件制造精度 增加装配工时 对工人技术要求高 按互换程度 随装随焊法 装配焊接交替进行 适用于单件小批量生产和大型复杂结构生产 整装整焊法 完全装配 整体焊接 适用于结构简单 零件数量少或大批量流水作业 部件组焊法 部件分解装配焊接 再总装焊接 适用于批量生产 利于采用先进工艺装备提高装配焊接效率和质量 按装焊次序 4 装配方案的选择 装配方案的总体原则 集中装配 对某一焊接产品的装配工作集中在较少的工作地点 工位 使用较少的工艺装备来完成装配工作 称为集中装配原则 分散装配 对某一焊接产品的装配工作 可以分散在较多的工作地点和工艺装配上完成 称为分散装配原则 分散装配的优点 分工细致 专业化程度高 工人技术熟练 生产效率和装配焊接质量高 工作面大 有利于缩短焊接生产周期 通过分解 使焊接结构由复杂变简单 不仅改善了劳动条件 还可广泛采用自动化专业化装备 为获得良好的装配焊接质量创造条件 分散装配和焊接 有利于分别进行矫正和热处理 有利于改善总装矫形条件 减少焊接应力和变形 分散装配的缺点 由于采用较多的专用工装 生产准备周期较长 也增加了工作的制造费用 专用工装数量多 工装之间的协调关系较复杂 已合拢组合件对新合拢焊缝具有拘束作用 容易产生较大的焊接应力甚至焊接裂纹 而增加中间热处理又使得装配过程复杂化 拟定装配方案需考虑的内容 结构分离面的划分和划分的数量 产品批量的大小 工厂的生产条件 包括现有生产面积大小 生产设备和技术工人的配备情况等 当大批量生产时 采用分散装配原则进行生产 能显著地提高劳动生产率和产品质量 缩短生产周期 降低产品成本 当单件生产 试制和产量很少时 为了缩短生产准备周期 减少工艺装备的费用 简化工艺装备之间的协调关系 宜采用集中装配的原则 三 装配焊接工艺规范设计 装配焊接工艺过程是指由各种零件装配焊接成组合件和部件 以及再进一步装配成总成的过程 规定此过程的工艺文件即为装配焊接工艺规程 工艺分析 工艺方案设计 形成装配焊接工艺流程 进行焊接工艺评定 进行生产工艺规程设计 工艺装备设计任务书 工艺装备设计制造 编制工艺定额等生产文件 是工厂组织生产 制定计划 进行成本核算的主要依据 是工厂质量体系运转和法规贯彻的见证件 是焊接结构制造质量和实物质量的软件描述 第三方监检和制造资格认证审查的重要考核依据之一 常用的装配焊接工艺规程有指令性工艺规程和工作工艺规程两种 1 指令性工艺规程 指令性工艺规程亦即所谓装配工艺方案 它对装配过程中的主要问题 作出原则性规定 如产品划分为几个装配单元 其装配顺序如何 采用何种装配方法 利用工件哪个面作为装配基准以及需要何种设备和装备等 编制步骤 1 编制和确定结构分解为各个装配单元的装配系统图 2 协助设计人员确定设计分离面和工艺分离面的连接方法 3 确定部件的装配方法以及主要零件和组合件的定位基准 4 确定保证零部件互换性的方法及设备 5 确定所需要的工艺装备种类 数量及技术条件 6 确定装配件的检验或试验方法及所用设备 装配过程所需的起重运输设备等 2 装配系统图 所谓装配系统图 就是按部件的设计分离面和工艺分离面 将部件划分为若干可独立进行装配的单元 并将所有装配单元按装配顺序加以排列 用以表明产品零部件之间相互装配关系和装配流程 装配系统图应说明以下问题 1 部件的指令性装配顺序 2 可分散和平行装焊的工作地点数量 3 主要工艺装备的种类和数量 4 供装配用的夹具和待装配零件的供应顺序 燃烧室进气装置总成装配系统图 3 工作工艺规程 工作工艺规程是指令性工艺规程中每一工序内容的具体说明 它根据部件指令性工艺规程进行编制 规定出各装配零件的安装顺序 定位和焊接方法 焊接规范 工人的工种及等级 时间定额 工装和设备以及消耗性器材等 4 设计工艺规程的基本要求 工艺规程是直接指导现场生产操作的重要技术文件 应做到正确 完整 统一 清晰 在充分利用本厂现有生产条件基础上 尽可能采用国内外先进工艺技术和经验 在保证产品质量基础上 尽可能提高生产率和降低消耗 必须考虑生产安全和环境保护 采取相应措施 结构和工艺特征相近的零部件应尽量设计典型工艺规程 各专业工艺规程在设计过程中应协调一致 工艺规程中所用的术语 符号 代号要符合相应标准的规定 计量单位要采用法定计量单位 5 焊接结构生产的基本工序 1 备料及装配工序 待焊零件准备情况的好坏 对焊接质量影响很大 零件的准备工作包括 零件的尺寸精度和物理机械性能 焊缝坡口的制备和零件表面的清理 零件装配定位时可按夹具定位或划线定位 使零件间保持相互正确的位置和焊接间隙 一般采用夹具定位 尤其是重要零件 即使是单件生产 2 定位焊工序 定位焊的目的在于将装配好的工件增加一些刚性固定点 协同夹具的定位夹紧装置 以便更牢靠地固定零件地相互位置和保证零件间具有均匀地焊接间隙 从而保证焊接过程中间隙不发生变化 同时显著降低焊接变形 设计定位焊工艺规范 主要确定定位焊方法 焊接顺序 焊点位置和间距 3 焊接工序 焊接工序是焊接结构生产的核心工艺过程 焊接方法选择和焊接工艺过程实施对焊接结果具有决定性影响 另外操作工技术水平 焊接操作机和工装配备以及生产协调管理也会严重影响焊接质量 效率和成本 4 矫正工序 每道焊接工序完成或热处理之后一般要安排矫形 以减少或消除变形 矫形既可采用机械矫形 也可采用热矫形 5 热处理工序 为保证满足焊接结构技术条件 防止裂纹和某些其他的焊接缺陷产生 改善焊接接头的机械性能 消除焊接应力 一些结构需要进行热处理 热处理工序可在焊前 焊后进行 故分为预热 后热及焊后热处理 预热的目的是减缓焊接接头加热时的温度梯度和冷却速度 改善焊缝和热影响区显微组织 防止气孔 裂纹等焊接缺陷的产生 后热的目的是为了防止热裂纹敏感性较大和拘束度较大焊件产生裂纹 焊后热处理的目的是为了改善焊接接头组织和性能 消除焊接残余应力 6 整修工序 一般在焊件经过矫形和检验后需要进行整修工作 以增加工艺补偿性 一般采用精加工手段 包括钻孔 铰孔和铣削等机械加工 另外 焊件表面也需要进行表面修正 7 检验工序 常用的检验方法包括 外观检验 机械性能试验 无损探伤 气密性试验和金相检验等 四 夹具体设计 1 对夹具体的基本要求 具有足够的刚度和强度力求结构简单 重量轻安装稳定可靠结构工艺性好尺寸稳定清理方便 2 夹具体毛坯制造方法 1 铸造夹具体 优点 可制造复杂结构形状 抗压强度 刚度和抗振性能好缺点 制造周期长 单件生产成本高常用材料为HT150或HT200 强度高时采用铸钢适用于批量大 结构复杂的夹具体和振动大的场合 2 焊接夹具体 优点 制造容易 结构形式多样 生产周期短 成本低 重量轻缺点 焊接变形大 焊后需经退火处理 3 装配式夹具体 选用标准毛坯和标准零部件组装成所需的夹具体结构 可大大缩短夹具体制造周期 并可进行专业化生产 从而有利于降低成本 提高效益 3 夹具体的外形尺寸 1 铸造夹具体的壁厚一般为8 25mm 加强筋厚度为壁厚的0 7 0 9倍 加强筋高度一般不大于壁厚的5倍 定位面高度一般为3 5mm 2 焊接夹具体的壁厚一般取6 16mm 若刚性不足可增设加强筋 五 夹具元件的安装方法 1 按划线安装 将夹具定位件和夹紧件 按钳工划线的方法安装在夹具体上 测量工具为通用测量工具 一般适用于中小型夹具 2 根据样板或样件安装 对于复杂外形的工件 常采用型面定位 按照与工件外形完全相同或相近的样板或样件进行夹具安装 第三节尺寸链及其在结构设计中的应用 一 尺寸链的基本概念 1 尺寸链的定义 在机器装配或零件加工过程中 互相联系的且按一定顺序排列的封闭尺寸组合 称为尺寸链 在零件上 相互联系的尺寸所形成的一个封闭尺寸系统为零件尺寸链 在机器的装配过程中 由有关零件相互联系的尺寸所形成的一个封闭尺寸系统为装配尺寸链 2 尺寸链的特点 1 关联性 尺寸链中某一尺寸的变化将影响其他尺寸的变化 2 封闭性 尺寸链中间接获得的尺寸与直接得到的尺寸之间构成了封闭的尺寸组合 3 尺寸链的组成 组成尺寸链的尺寸称为环 可分为封闭环和组成环 组成环又分为增环和减环 1 封闭环尺寸链中间接得到的尺寸称为封闭环 封闭环常用字母N表示 每个尺寸链只能有一个封闭环 在装配尺寸链中 封闭环是装配过程中最后行程的尺寸 代表装配技术要求 体现装配质量指标 在零件加工中封闭环代表间接获得尺寸 或者被代换的原设计要求尺寸 2 组成环尺寸链中除封闭环外的其他尺寸称为组成环 组成环本身的误差是由其本身的制造条件独立产生而存在的 不受其他环的影响 在其他组成环不变时 若某一组成环的增大会导致封闭环增大 则该组成环称为增环 若某一组成环的增大反而使封闭环减小 则这个组成环称为减环 3 组成环的判别对于环数较少的尺寸链 可以用增 减环的定于来判断组成环的增减性质 对于环数较多的尺寸链 可在绘制尺寸链图时 从封闭环开始从任一方向画一箭头 然后一次画出所有组成环箭头 与封闭环箭头方向相反者是增环 相同者为减环 4 尺寸链的分类 按应用场合 可分为零件尺寸链 装配尺寸链 结构尺寸链和工序尺寸链 按空间位置 可分为直线尺寸链 平面尺寸链和空间尺寸链 按几何特征 可分为长度尺寸链和角度尺寸链 按尺寸链之间的联系方式 可分为并联尺寸链 串联尺寸链和混合尺寸链 二 尺寸链的基本计算公式 1 概率法 概率法是根据数理统计学原理对尺寸误差进行分析 封闭环公差TN与各组成环公差Ti之间的关系为 在组成环公差不变时 由概率法计算出的封闭环公差要小于极限法计算的结果 因此 在保证封闭环精度不变的前提下 应用概率法可使组成环公差放大 降低加工和装配时对工艺尺寸的精度要求 2 极限法 又称完全互换法 是根据各环的最大和最小极限尺寸进行计算 只要尺寸链中各环的尺寸均合格 则可保证达到完全互换 1 封闭环的基本尺寸 2 封闭环的极限尺寸 3 封闭环的极限偏差 4 封闭环的极限偏差 三 解尺寸链 基本任务 为了正确确定有关尺寸的公差和极限偏差 应用 在结构设计中 计算部件或零件的公差 分析技术要求 以保证经济 合理地制造 在装配过程中 计算分析零件地制造公差 实现完全互换装配 在机械加工中 确定工序尺寸公差 保证能用最有效地加工方法和工艺过程来制造合格零件 计算方法 1 正计算已知各组成环地基本尺寸及极限偏差 求封闭环地基本尺寸和极限偏差 正计算主要用来验证设计地正确性 2 反计算已知封闭环的基本尺寸及极限偏差和各组成环的基本尺寸 求各组成环的极限偏差 反计算主要用于设计时合理确定各零件的公差和极限偏差 3 中间计算已知封闭环和其他组成环的基本尺寸及极限偏差 求尺寸链某一组成环的基本尺寸和极限偏差 中间计算主要用于零件加工工艺设计 正确解决工艺过程中出现的矛盾 四 结构尺寸链分析的内容 1 设计开始阶段 分析部件与部件的联系尺寸链 解决部件总体装配时部件与部件之间的相互位置关系和技术要求 应用尺寸链分析机器的总体布局 并控制结构尺寸链和各部件的轮廓尺寸 2 部件分组设计阶段 从机器的总体要求 确定各个部件的技术要求 由此合理确定部件的尺寸公差 形位公差和有关配合与连接 分析运动件的运动和和移动 使在结构上具有适当的间隙 过盈量 超越量及裕度 防止传动过程中的干扰与碰撞 应用尺寸链分析 在结构中设置必要的补偿和调整环 并合理确定补偿量或者调整量 使制造容易 而且能经济地保证质量 应用尺寸链分析确定基准件 大件和主要连接件的尺寸公差和技术要求 3 零件设计阶段 应用尺寸链 具体计算确定零件上有关尺寸的制造公差和技术要求 应用尺寸链分析各个零件的加工工艺性和可装配性 使机器的制造在保证质量的前提下尽量改善制造条件 使用情况 对于与工艺装备技术指标和运动精度有关的尺寸链 要进行细致的分析计算 确定相关公差和技术要求 对于一般的传动件和紧固件 以及操纵件和润滑件等 只是按生产经验和加工经济精度制定加工公差和技术要求 一般不进行尺寸链计算 必要时也只是做一些大致的估算 对于复杂结构 制造和安装困难的环节 可设置补偿调整环节来保证精度 五 结构设计中封闭环的确定 1 封闭环是保证配合的径向间隙或过盈量 2 封闭环为防止运动件与固定件卡死或碰撞所留间隙 3 封闭环为防止装配时的干涉现象所留间隙 4 封闭环为传动链中传动件之间的间距 5 封闭环为机器结构中的等高线尺寸 第四节夹具公差配合与技术条件制定 一 制定的依据和基本原则 1 依据 产品图样 工艺规程 设计任务书 2 基本原则 为了保证装配焊接精度 应使夹具的定位 夹紧 制造 调整等误差之和小于相应原始尺寸公差 工序公差 一般不超过工序误差的1 3 夹具中与工件尺寸有关的尺寸公差 不论是单向的还是双向的 都应化为双向对称的公差 当工件加工尺寸未标注公差时 则视为IT12 IT14级 夹具上相应尺寸公差按IT9 IT11级制定 工件位置要求未注公差时 视为IT9 IT11级 夹具上相应位置公差按IT7 IT9制定 夹具装配可采用调整法 修配法或装配后组合加工法 其夹具零件的制造公差可适当放宽 为保证夹具的使用寿命 常留出一定的精度储备量 二 夹具总图上应标注的尺寸和公差 1 应标注的尺寸和公差 最大轮廓尺寸 即夹具的长 宽 高尺寸 若有活动部分 应用双点划线画出最大活动范围 或标出活动部分的尺寸范围 影响定位精度的尺寸公差 主要指工件与定位元件及定位元件之间的尺寸和公差 影响定位元件在夹具体上安装精度的尺寸和公差 影响夹具精度的尺寸与公差 主要指定位元件 安装基面之间位置尺寸和公差 其他重要尺寸与公差 即一般机械设计中应标注的尺寸和公差 2 公差值的确定 夹具总图上标注定位元件之间以及其他相关尺寸 如孔间距 和相互位置 如同轴度 垂直度 平行度等 的公差 一般取工件相应公差的1 5 1 2 最常用的1 3 1 2 各组成元件工作表面相互位置精度通常采用的有0 01 100 0 02 100 0 03 100 0 05 100 三 技术条件的确定 对夹具制造和使用的一些特殊要求 无法用符号标注的 可作为技术条件用文字在夹具总图上加以说明 有的零件必须在装配时再进行相配加工 有的应在装配后再组合加工 应根据具体加工工艺再零件图上标注 根据夹具零件的使用情况 还应注明热处理和表面处理技术要求 第五节零部件尺寸的合理标注 一 尺寸标注的一般原则 图样尺寸应能明确而完整地表示零件特性 图样尺寸的标注不应限制加工工艺的可能性 要尽量标注部件和零件的总长及其他轮廓尺寸 标注方法应使尺寸之间的误差累计最小 即遵循尺寸标注的 误差最小原则 尽可能标准直接加工尺寸 遵循尺寸不重复标注的原则 零部件上的未注明尺寸应当是结构设计上和制造上都没有精度要求的尺寸 零件上与装配尺寸链有关的尺寸必须明确标注其尺寸和公差 二 尺寸标注基准的合理选择 尽量选用设计基准为尺寸标注的基准 应用测量基准为尺寸标注的基准 应用工艺基准为尺寸标注的基准 在同一个零件上尽量有统一的 共同的基准 径向尺寸和对称尺寸 应以中心线为尺寸标注的基准 三 零件尺寸的标注方法 1 零件尺寸标注的形式 1 链环式尺寸标注 其特点为尺寸之间没有共同基准 尺寸之间彼此相连 这种方法将导致各个尺寸的加工误差累积 使总长误差增大 从设计观点看 这种尺寸标注方法主要应用在各段尺寸要求严格而总长尺寸要求较低的场合 2 坐标式尺寸标注 其特点为尺寸之间有共同基准 各部分尺寸以共同基准分别控制误差 没有误差积累 但从制造观点看 各段表面的加工尺寸和测量尺寸不等 对加工不利 由于这种尺寸标注方法能保证制造精度 所以广泛应用于高精度零件的标注 3 混合式尺寸标注 在实际生产中