横梁焊接夹具设计设计说明书

专业课程设计说明书设计题目：横梁焊接夹具设计学院：材料科学与工程学院专业：焊接技术与工程学号：姓名:指导老师:设计时间:2014.12.22—2015.01.16目录1．夹具设计的目的意义及要求 31.1焊接工装夹具的意义 31.2夹具设计的基本要求 32.焊接结构件的分析 42.1焊接结构件组成及成分析 42.2焊接材料焊接性能分析如下： 53．制订焊接结构件的焊接工艺 54．焊接夹具的设计 64．1各构件组成及成分 64．2．1基准面的选择 64．2．2定位器的设计 64．2.3夹具体的设计 84．2．4夹紧装置的设计 94．2．5夹具材料的设计 104.1.6夹具尺寸公差及粗糙度 104.1.7国家标准件的选择 104.2绘制夹具草（见图） 104.3绘制正式装配图（见图） 114.4绘制零件图（见图） 115．夹具使用说明 115.1夹具体的安装说明 115.2夹具体的使用说明 125.2.1钢管定位及夹紧 125.2.2板和支撑的定位及夹紧 125.3夹具体的实用性说明 136．参考文献 131．夹具设计的目的意义及要求1.1焊接工装夹具的意义焊接工装夹具就是将焊件进行准确定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接、保证焊接结构精度方面要求的工艺装置。在现代焊接结构生产中，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，减轻焊接工人的劳动强度，加速焊接生产实现机械化、自动化进程等诸方面起着非常重要的作用。焊接工装夹具的主要作用有以下几方面：(1)准确、可靠地定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和装配时的划线工作。减小制品的尺寸偏差，提高了零件的精度和互换性。(2)有效地防止和减小焊接变形。(3)使工件处于最佳的施焊位置，焊缝的成形性优良，工艺缺陷明显降低，焊接速度得以提高。(4)以机械装置取代手工装配零部件时的定位、夹紧及工件翻转等繁重工作，改善了工人的劳动条件。(5)可以扩大先进工艺方法和设备的使用范围，促进焊接结构生产机械化和自动化的综合发展。1.2夹具设计的基本要求—个完整的焊接工装夹具，一般由定位器、夹紧机构和夹具体三部分组成。夹具体（底板）起工作平台的作用，在其台面上开有安装槽、孔，用来安放和固定各种定位器和夹紧器件，有时还用于焊件的支承。其中，定位是夹具结构设计的关键问题，定位方案一旦确定，则其它组成部分的总体配置也基本随之而定。(1)工装夹具应具备足够的强度和刚度。夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用，所以工装夹具应具备足够的强度和刚度。(2)夹紧的可靠性。夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求。既不能允许工件松动滑移，又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。(3)焊接操作的灵活性。使用夹具生产应保证足够的装焊空间，使操作人员有良好的视野和操作环境，使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态

(4)便于焊件的装卸。操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出，还要制品在翻转或吊运使不受损害。(5)良好的工艺性。所设计的夹具应便于制造、安装和操作，便于检验、维修和更换易损零件。设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素，降低夹具制造成本。2.焊接结构件的分析2.1焊接结构件组成及成分析需要焊接的焊接结构如图1所示。一条钢管上焊接一块板和二块支撑；其中二块支撑是平行放置的，另外的一块板是与前二块支撑呈30度角放置。焊接的构建组成就是：一根钢管、二块支撑、一块板。并且板和支撑都有倒角。表1.部件成分编号名称材料1板Q2352钢管20#3支撑45#每个部件的材料不同意味着其焊接性有所差异，因此焊接过程中应该制定不同的的焊接工艺进行焊接。图1.焊接结构图板的材料为Q235，支撑的材料为45，钢管的材料为20钢。显然该焊接结构的焊接属于异种材料的焊接。2.2焊接材料焊接性能分析如下：(1)Q235含碳适中，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛适用于手工电弧焊、气焊等多种焊接方法。(2)45号钢常用中碳调质结构钢。45号钢属中碳钢，常用于制造机械零部件，多为修复性焊接，其焊接性较差，如果仍按焊接低碳钢常用的工艺随意施焊，往往焊件会产生裂纹而导致产品报废。当焊接45号钢时，如果焊接材料的选择和焊接过程的控制不好，则焊缝和近缝区可能产生硬脆的马氏体组织，导致接头使用性能下降，在振动或疲劳载荷下容易破坏，也是诱发冷裂纹的主要因素。为了减少或避免焊缝、近缝区的淬硬组织，改善接头性能，需要采取必要的工艺措施，通常焊前要进行预热，预热温度为150~250℃，若构件厚度或刚性较大，则可在250~400℃。焊接过程中，层间温度保持不低于250℃。焊件结构比较复杂而采用某些防止裂纹的措施有困难时，应当尽量选用低氢型焊条，在不要求焊接接头与母材等强度的情况下，可选用强度低一级的焊条，能获得塑性更好的焊缝金属，有利于避免裂纹的产生。焊后最好立即进行600~650℃消除应力的回火处理，如不能立即消除应力，也应进行消氢处理，其保温时间约每10mm厚度1h左可。该钢冷塑性一般，退火、正火比调质时要稍好，具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。适合于氢焊和氩弧焊，不太适合于气焊。焊前需预热，焊后应进行去应力退火。(3)20钢很少淬火，无回火脆性。冷变形塑性高、一般供弯曲、压延、弯边和锤拱等加工，电弧焊和接触焊的焊接性能好，气焊时厚度小，外形要求严格或形状复杂的制件上易发生裂纹。切削加工性冷拔或正火状态较退火状态好、一般用于制造受力不大而韧性要求高的。该钢属于优质低碳碳素钢，冷挤压、渗碳淬硬钢。该钢强度低，韧性、塑性和焊接性均好。抗拉强度为355~500MPa，伸长率≥24%。3．制订焊接结构件的焊接工艺焊接结构中所用的材料分别为：45钢、20钢、Q235钢。焊接性能从好到差的排序为：Q235>20钢>45钢。因此制定焊接工艺应当保证焊接性最差的45钢能够完成焊接并且达到设计要求。若45钢焊接控制不合理则焊缝和近缝区可能产生硬脆的马氏体组织，导致接头使用性能下降，在振动或疲劳载荷下容易破坏，也是诱发冷裂纹的主要因素。根据45钢的性能制定焊接工艺为：(1)先焊接管（20钢）和板（Q235），并且不需要预热；采用手工电弧焊；电流采用中等电流。焊材选用E5015（J507），焊丝直径选用3.2mm。(2)其次焊接管（20钢）和支撑（45钢），焊接工艺为：焊前预热温度为150~250℃，焊接过程中，层间温度保持不低于250℃，焊后最好立即进行600~650℃消除应力的回火处理，如不能立即消除应力，也应进行消氢处理，其保温时间约每10mm厚度1h左可。并且选用低氢型焊条。采用手工电弧焊。4．焊接夹具的设计4．1各构件组成及成分焊接工装夹具的各个构件除了需要一定的韧性之外，还要具有一定的刚度。并且焊接夹具的结构不采用焊接结构。全部采用机械加工，连接方式为螺纹连接。因此45号钢能够满足要求。45号钢是中碳钢，市场价格便宜。容易购买。机械加工性能较好。因此夹具的主体结构选用45号钢。4．2．1基准面的选择钢管端部需要定位，并且支撑和端部圆孔之间必须保持垂直，如图2所示，为焊接结构的三维图。从图中可以清晰的指出各个部件的定位基准面。首先钢管的定位基准面为断面（A），二块支撑的定位基准面分别为B、C。板的定位基准面为D。这四个定位基准面为主要定位基准面。图2.焊接结构三维图钢管的另一个定位基准面为圆柱面，采用二个半圆轴套进行圆柱面的定位。通过端部定位基准面和圆柱定位基准面可以使钢管的的五个自由度被限制。还有一个自由度通过钢管断面的销孔定位。如此光管的六个自由度完全被限制；及钢管被完全定位。支撑的另一个定位基准面为支撑的下表面。通过断面和下表面可以限制其5个自由度在通过夹紧的摩擦力可以使得支撑完全定位。最后一块板的定位原理与支撑一样。4．2．2定位器的设计(1)钢管轴向移动定位器件选好定位基准面后就可以进行定位器的设计，将整个定位器结构分为三部分设计。第一部分是钢管的定位器件。钢管的端部定位器件是挡块其图示如下：图3.端部定位挡块为了保证端部挡块的安装精度，使用直径为4mm的圆柱销先将挡块定位，再用螺栓紧固。该挡块可以限制钢管在轴向上的移动。(2)钢管轴向旋转定位器件钢管端部的定位器件为直径是直径为12mm长度为60mm的圆柱销。该圆柱销可以限制钢管再轴向上的旋转自由度。(3)钢管在水平方向上的定位器件为了在定位钢管在水平面上的自由度，使用半圆轴套来定位，半圆轴套可以限制二个移动自由度二个转动自由度，半圆轴套器件的设计如图5。图5.半圆轴套定位器件半圆轴套的直径和钢管的直径一样大，这样可以保证钢管在半圆轴套中的定位精度。(4)支架的定位器件支架的形状是一个平板，因此定位器件可设计为平面定位，其设计如下图。图6.支架定位器件通过二个平面就可以定位支架的的自由度(5)板的定位器件板和支架的结构相似，都是板状结构。但是板与支架有30度的夹角，在设计定位器件时需要定位这个角度。因此可以将板的定位器件的下表面定位设置一个倾斜角为30度，就可以实现这种功能。如图7。图7.板的定位器件4．2.3夹具体的设计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。夹具体的设计既要考虑到定位器件和夹紧器件便于安装，又要考虑到重量和市场价格还要考虑到容易加工。对夹具体的要求如下：足够的强度和刚度；便于实施装配和焊接作业；能方便地卸下装焊好的焊件；必要的导电、导热、导水、导气及通风条件；易于清除焊渣、锈皮等污物；有利于定位器、夹紧机构位置的调节与补偿；必要时应具有反变形的功能。图8.夹具体在该夹具体中，为了很好的布置夹具的定位和夹紧装置，将夹具体设计成带有孔的平面。孔是为了装配定位及夹紧装置的螺栓及销连接，平面是为了底板的放置。此构件的夹具体如下图8所示。4．2．4夹紧装置的设计在夹具上被定好位置的工件，必须进行夹紧，否则无法维持它的即定位置，即始终使工件的定位基准与定位元件紧密接触。这样就必须有夹紧装置来完成这份工作，在夹紧时要使夹紧所需要的力应能克服操作过程中产生的各种力，如工件的重力、惯性、因控制焊接变形而产生的拘束力等。但是在本焊接工件进行焊接时需要工件以轴线进行旋转故而不需要额外的夹紧装置，只需要支撑及顶紧装置。采用活动压脚可以实现板的夹紧要求。图9.活动压脚活动压脚通过螺纹旋入板的定位器，并且压紧需要夹紧的构件，通过适当的调节可以获得不同的夹紧力。活动压脚的设计是为了不损伤焊接构件的表面结构。在旋转螺杆时活动压脚与焊接器件之间没有相对运动。防止焊接构件表面的划伤。因此该结构是比较合理的压紧装置。图10.半圆轴套压紧装置半圆轴套压紧装置的作用是为了压紧钢管。其结构如图10所示。半圆轴套的压紧装置安装在半圆轴套定位器件上。使用时压紧装置绕右端空旋转。在不将半圆轴套压紧装置拿下的情况下就能实现光管的定位夹紧和取出。该结构可以大大提高生产效率。4．2．5夹具材料的设计夹紧的材料是决定夹具性能好坏的一个重要因素，材料的选取既要考虑性能，还要考虑到材料的经济性。在该构件所用夹紧装置中V形块滚轮基座及顶紧装置基座：由于该夹具体形状简单，就要求带孔底座平台，故选用材料铸铁(价格便宜，利于成型)，热处理要求为调制处理。4.1.6夹具尺寸公差及粗糙度粗糙度等级中，内孔及内侧面1.25；螺钉头部粗糙度1.25。夹具体的上表面的粗糙度为1.25.其余表面粗糙度为12.3。半圆轴套的粗糙度要求为1.25。因为半圆轴套和钢管直接接触，为了不损伤零件表面，因此粗糙度要求较高。定位器件安装在夹具体上时的定位销钉的配合为过盈配合。详细配合关系见图纸。定位器件的螺纹孔配合关系为间隙配合。4.1.7国家标准件的选择零件中的螺母、螺柱、垫片都是标准件。选用标准为：螺栓GB/T5782M10x50、垫圈GB/T9310、螺母GB/T6172.1M10等，详细标准见装配图。国家标准件数量螺母GB/T6172.1M1016垫圈GB/T931016螺栓GB/T5782M10x5016螺母GB6172.1M82垫圈GB6172.1M82螺柱GB6172.1M82半圆套拧紧螺母GB/119.1M102销GB/T119.116螺母GB6172.1M62螺柱GB6172.1M6x4024.2绘制夹具草（见图）首先通读工件图，确定要焊接的构件的材料，焊接位置，焊缝形式，接头形式等，然后据此来制定一套行之有效的工装夹具设计方案，首先选择基准面，选择钢管的左侧作为基准面、圆柱面为基准面。然后要焊接的工件有支撑和板，支撑和钢管、板和钢管都是环焊缝，压紧机构用半圆轴套压紧装置。板的定位和夹紧用定位板和活动压脚和螺柱，接下来把底板固定在底座上，用销钉定位随后紧固螺钉压紧；据此方案将草图绘制完毕。4.3绘制正式装配图（见图）根据草图将各结构件夹具体等按照一定尺寸绘制装配图，将原工件绘制为虚线。下图是夹具设计总装三维图，其中的各部件的工程图见图纸。图10.夹具三维图如图10中的横梁的焊接夹具设计，由定位器件、夹紧器件等组成。可以满足横梁的焊接要求。有三条立焊缝，对焊接工人的焊接技术要求较高。图11.设计装配图4.4绘制零件图（详见图纸）根据装配图绘制各零件图，标注尺寸，公差，配合，粗糙度等。5．夹具使用说明5.1夹具体的安装说明1