《焊接结构制造工艺及实施 第3版》课件 7-4 工装夹具设计

目录夹具设计的基本要求01.工装夹具设计基本方法与步骤02.工装夹具制造的精度要求03.夹具结构工艺性04.制造工装夹具的材料05.

正确的设计和选用夹紧夹具，可大大缩短装配和焊接的周期，减轻劳动强度，提高生产效率，保证焊件的装配和焊接质量。与相应的自动化焊接装备相配，可进一步发挥焊接装备的能力，有利于实现装配焊接的综合机械化和自动化。001夹具设计的基本要求根据夹紧夹具的设计原则，应对其提出如下的基本要求：①夹紧夹具应能快装、快卸、结构简单和操作方便。②夹紧夹具应有足够的空间，便于装配和焊接操作，易于装卸焊件。③夹紧机构应夹紧可靠。夹紧过程中不应使焊件移位或改变几何形状。同时不应损伤焊件的表面。④夹紧夹具，应按焊接工艺的要求装有适当的导热、导电、隔热、隔磁和绝缘等装置，以防止各种定位块、夹紧机构对焊接过程产生不利的影响。001夹具设计的基本要求⑤用于大型结构的夹紧夹具，应具有足够的刚度和强度，以保证焊件的装配焊接精度。⑥夹紧夹具上的定位块、定位器和夹紧机构，应尽量采用通用化和标准化的元件。在同一台夹具上应尽量采用同一种动力源的定位器和夹紧机构。⑦所设计的夹紧夹具，应易于制造和组装，同时又能达到所要求的制造精度。通常夹具的制造精度应高于焊件所要求的装配精度。⑧气动和液压夹紧夹具，应设置必要的安全保护装置，以防止误操作引起的安全事故。

001夹具设计的基本要求夹具设计的依据（1）焊件结构尺寸的公差要求（2）组成焊件的零件和坯料的加工工艺及此存公差

（3）焊件的装焊次序（4）拟采用的焊接工艺方法（5）焊件的生产批量001夹具设计的基本要求方案设计的内容（1）夹具体的结构（2）定位方法（3）定位基准（4）定位器数量（5）夹紧机构形式、布置和数量001夹具设计的基本要求

装配焊接夹具的设计大体可分为三个阶段：

第一阶段是确定设计方案第二阶段是设计计算第三阶段是绘制设计图样

002夹具设计的基本方法与步骤（1）确定夹具结构设计方案

1)分析原始资料，明确设计目的与任务首先分析产品结构和技术要求，即产品的几何形状、尺寸、重量、焊缝位置、数量、工件刚度等，以确定夹具的结构形式。

002夹具设计的基本方法与步骤（2)制定设计方案

对可供选用的设计方案进行充分论证，选出其中最佳的方案后，即可对夹具进行总体设计。①确定定位方案时，按照各个零件装配顺序及相互关系；需限制几个自由度，有无过定位和欠定位；分析定位误差是否小于工件允许误差。其次是确定定位基准和定位基面。确定定位方式，即确定定位元件的类型、定位基准与定位基面，这就是定位方案的主要内容。②确定夹紧方案，正确分析计算各种力，如重力、支承反力、摩擦力、惯性力、焊接残余应力及对工件的作用，考虑装配焊接对工件夹固(夹紧)的要求，确定夹紧力的方向、大小以及夹紧力的数目与作用，最后确定夹紧机构，尽量选择通用、标准夹紧机构和元件。

③确定夹具体及其他组成部分。夹具体是在上面安装定位器、夹紧器及承受工件重量的部分，它有平面型、箱型、框架型、曲轴型以及组合型等多种。

④确定各种装置的布局及夹具的整体结构。002夹具设计的基本方法与步骤（2）设计计算方案确定后，即可进行诸如夹紧机构、传动系统、能源(动力)系统以及必要强度、刚度的设计计算，确定夹具必要几何形状与尺寸、能源、水、气等需求量。（3）绘制夹具设计图

1）确定图面布置视图。

2）画出工件外形轮廓及夹具整体结构图。

3）标准尺寸和公差。

4)绘制夹具零件图。绘出所有非标准件全部零部件图。002夹具设计的基本方法与步骤绘制草图阶段

（1）基准的选择（2）绘制焊件图（3）定位件和夹紧件设计（4）夹具主体（骨架）设计

几种常用毛坯制造方法见表

（5）完成设计草图002夹具设计的基本方法与步骤（1）基准的选择①确定定位方案时，按照各个零件装配顺序及相互关系；需限制几个自由度，有无过定位和欠定位；分析定位误差是否小于工件允许误差。其次是确定定位基准和定位基面。确定定位方式，即确定定位元件的类型、定位基准与定位基面，这就是定位方案的主要内容。002夹具设计的基本方法与步骤（2）绘制焊件图

设计基准确定后，在图纸上按设计基准用双点划线绘制出被装配工件图。包括工件轮廓及工件要求的交点接头位置（注意包括收缩余量）。002夹具设计的基本方法与步骤（3）定位件和夹紧件设计

正确分析计算各种力，如重力、支承反力、摩擦力、惯性力、焊接残余应力及对工件的作用，考虑装配焊接对工件夹固(夹紧)的要求，确定夹紧力的方向、大小以及夹紧力的数目与作用，最后确定夹紧机构，尽量选择通用、标准夹紧机构和元件。002夹具设计的基本方法与步骤夹紧力的确定

满足夹紧装置的基本要求，必须合理选择夹紧力。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。确定夹紧力是一个综合性的问题，必须结合工件定位方式、结构特点、装配焊接工艺要求、工件在装配焊接过程中的受力状况等情况来综合考虑。在综合考虑后，首先要确定的就是夹紧力的三要素，然后进一步选择适当的传力方式，具体设计夹紧机构。002夹具设计的基本方法与步骤

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。2)夹紧力的方向应有利于减小工件变形。

如薄板对接时主要产生波浪变形，可以用琴键式压板在焊缝两侧均匀施加压力图1：角焊缝主要产生角变形，在夹具上采用刚性固定，限制角变形的方法如图2。

图1琴键式压板图2角焊缝刚性固定

002夹具设计的基本方法与步骤

夹紧力的方向应有利于减小夹紧力

在保证夹紧可靠的情况下，减小夹紧力可以减轻工人的劳动强度，提高劳动效率，简化夹紧机构，使其轻便紧凑，以及使工件的压伤和变形减少。

图

所示为从实际夹具中抽象出来的表示夹紧力Fj与重力G及焊接热引起的作用力Fh之间关系的几种典型情况。通常主要定位基准面是水平向上的，被装配的零件放置在它的上面，因而图

a的夹紧力最小，有些情况下不施加夹紧力，仅靠工件自重即可装配焊接，图

b中Fh与主要定位表面平行，需要较大的夹紧力Fj，使其摩擦力能克服Fh，即夹紧力必须满足下式要求：002夹具设计的基本方法与步骤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)。选择作用点的问题是指夹紧方向已定的情况下确定夹紧作用点的位置和数量。选择夹紧力的作用点必须注意以下几点。

1)夹紧力作用点的选择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如图

所示,图

所示，如图

所示图

夹紧力作用点图

夹紧力作用点的选择002夹具设计的基本方法与步骤

图

夹紧力作用点的布置

002夹具设计的基本方法与步骤图a、b、c、d所示为在夹紧时因摩擦力而使工件发生转动或移动的一些例子，其相应的改进方法如图

e、f、g、h所示。002夹具设计的基本方法与步骤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。对于薄壁管类零件，径向夹紧时作用点的数目与其变形有很大关系。如图所示，当分别以3点、4点、6点夹紧时，其变形量可逐步减小，图c的变形量仅为图a的变形量的1/10。图

夹紧力作用点数目与工件变形的关系002夹具设计的基本方法与步骤增加接触点的面积来减小工件变形，如图

所示，三爪夹头使点接触变为面接触。如图

所示，为了避免薄壁管径向受压失稳，可以在压板下面加一块厚度较大的锥面垫圈，使夹紧力通过垫圈均匀地作用在薄壁上，防止使工件局部压陷。

图改善接触状态减小工件变形图

防止薄壁工件变形的措施3)夹紧力作用点应不妨碍施焊。

尤其是刚性小的薄壁零件，夹紧力作用点要尽量靠近焊缝边缘以利于减小变形，但又不能妨碍定位点固焊或者连续焊接。002夹具设计的基本方法与步骤（３）夹紧力大小的确定为了选择合适的夹紧机构及传动装置，就应该知道所需夹紧力的大小。夹紧力的大小要适当，过大了会使工件变形，过小了则在装配焊接时工件易松动，安全性无保证。确定夹紧力大小时，一般考虑下列因素：1)夹紧力应能够克服零件上局部变形，这些变形不是因为长度的变长或缩短，而是因为零件刚性不足，在备料（剪切、气割、冷弯等）、储存或运输过程中可能引起局部不平直。严重的必须经矫正后才能投入装配，因为强力装配要引起很大的装配应力。只有轻微的变形，才能通过夹紧装置去克服。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。焊接热所引起的作用力很难精确计算，只能粗略估计，一般是将计算的理论值增加2～3倍（安全系数），作为设计夹紧机构的基本数据。002夹具设计的基本方法与步骤

综上所述，夹紧力三要素是互相矛盾的，又是互相关联和统一的。在力的分析中要将作用到工件上的各种外力综合考虑和处理。

另一方面，必须以合理的结构设计实现各种矛盾因素的统一，只有这样才能使夹紧机构既保证定位的稳定性又保证装配焊接的安全可靠性。

在实践中，合理的结构设计不但能满足力学的分析要求，而且还能合理地实现焊接工艺的要求。这就需要设计者有丰富的工艺知识和经验。002夹具设计的基本方法与步骤制造方法特点常用材料适用场合铸造能铸出复杂结构形状，抗压和抗振性能好，易于加工。但制造周期长，单件生产成本高HT150HT200小型、复杂、批量大的夹具体和有振动的场合锻造可用强度较高的钢材，常用自由锻方法制成，其加工量较大低碳钢中碳钢形状简单、尺寸不大，对强度和刚度要求高的的场合焊接可用钢板、管材和型钢组合成刚性大的夹具体，生产周期短、成本低、质量轻Q235A等单件、小批、大型的夹具体或新产品试制用的夹具体

夹具主体（骨架）设计

夹具体是在上面安装定位器、夹紧器及承受工件重量的部分，它有平面型、箱型、框架型、曲轴型以及组合型等多种。几种常用毛坯制造方法见下表。002夹具设计的基本方法与步骤

完成设计草图确定各种装置的布局及夹具的整体结构。002夹具设计的基本方法与步骤表

夹具直线尺寸公差与产品公差的关系产品公差夹具公差产品公差夹具公差0.300.360.400.420.500.550.600.180.200.210.210.230.230.280.750.911.001.502.002.503.000.320.420.500.650.901.101.35003工装夹具制造的精度要求表

夹具常用配合的选择工作形式精度选择示例定位元件与工件定位基准间H7/h6，H7/g6，H8/h7，H8/f7，H9/h9定位销与工件基准孔有导向作用并有相对运动元件间H7/h6，H7/h7，H8/g6，H9/f9，H9/d9滑动定位件与导套没有相对运动的元件间H7/n6（无紧固件），H7/k6，H7/js6（有紧固件）支承钉、定位销及其衬套固定

夹具常用配合的选择见表。003工装夹具制造的精度要求

（1）对夹具良好工艺性的基本要求（2）合理选择装配基准

正确选择装配基准示例004夹具结构工艺性（3）结构的可调性（4）维修工艺性

便于维修的定位销钉结构004夹具结构工艺性