焊接工装夹具设计指导书

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1、材料成型及控制课程设计（焊接部分焊接工装夹具设计）指 导 书重庆大学材料学院材料成型及控制系第一章 焊接工装夹具及其在生产中的作用 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

2、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。 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健问题，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。 第二章 工件的定位及常用定位器 自由物体在空间直角坐标系中有六个自由

3、度，即沿Ox、Oy、Oz三个轴向的相对移动和三个绕轴的相对转动。要使工件在夹具中具有准确和确定不变的位置，则必须限制这六个自由度。工件的六个自由度均被限制的定位称为完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍能保证加工要求的定位称为不完全定位。在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力与变形，有些自由度是不宜限制的，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承点限制一个自由度的方法称为过定位，过定位容易使位置变动，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。根据工件的结构形式和定

4、位要求，工件的定位基准可以是平面、圆孔内表面或圆柱外表面。对这几种表面的定位器选择如下： 一 平面定位用定位器 以工件的平面为基准进行定位时，常采用挡铁、支承钉（板）进行定位。表2-1中列举了几种平面定位器的结构形式及其特点与使用说明（被定位的工件用双点划线绘制出）。 1挡铁 是一种应用较广且结构简单的定位元件，除平面定位外，也常利用挡铁对板焊结构或型钢结构的端部进行边沿定位。 固定挡铁可采用一段型钢或一块钢板按夹具的定位尺寸直接焊接在夹具体上使用。当固定挡铁对零件的安装和拆卸都非常不便利时，应选用由螺栓或销子固定的可拆式挡铁。 可拆挡铁为了提高其强度，在挡铁两平面间应设置加强筋。 可退出式挡

5、铁是为适应复杂结构的工件，经定位焊后工件能从夹具中顺利取出。挡铁的定位方法虽简便，但定位精度不太高，所用挡铁的数量和位置，主要取决于结构形式。对于受力(重力、热应力、夹紧力等)较大的挡铁，必须保证挡铁具有足够的强度，受力挡铁与零件接触线的长度一般不小于零件接触边缘厚度的一倍。2支承钉和支承板 主要用于平面定位。支承钉(板)的形式有多种。 固定式支承钉，又分三种类型：平头支承钉用来支承已加工过的平面定位；球头支承钉用来支承未经加工粗糙不平毛坯表面或工件窄小表面的定位，此种支承钉的缺点是表面容易磨损；带花纹头的支承钉多用在工件侧面，增大摩擦系数，防止工件滑动，使定位更加稳定。固定支承钉可采用通过衬

6、套与夹具骨架配合的结构形式，当支承钉磨损时，可更换衬套，避免因更换支承钉而损坏夹具。 可调式支承钉，这是对于零件表面未经加工或表面精度相差较大，而又需以此平面做定位基准时选用。此类可调支承钉基本上是采用与螺母旋合的方式调整高度，适当补偿零件的尺寸误差。 支承板定位，表2-1中支承板a构造简单，但螺纹孔易积聚灰尘使支承面不平而影响定位作用，所以适于零件的侧面和顶面定位。支承板b利于排除尘屑，适于底面定位。表2-1 以工件的平面为基准进行定位的定位元件名称与形式结 构 简 图特点与使用说明档铁固定式 可使工件在水平面或垂直内固定，高度不低于被定位件截面重心线，它用于单一产品且批量较大的生产中可拆式

7、档铁直接插入夹具体或装配平台的锥孔上，不用时可以拔除(见左图)，也可用螺栓固定在平台上，它适用于单件或多品种焊件的装配可退出式通过铰链结构使档铁可绕铰链转动，当工件装上后以插销固定，装焊完成后拔出插销，退出档铁，便于取下工件卸下，支承钉、板固定式固定安装在夹具体上，配合为或，用于刚性较大的工件定位。支承钉已标准化可调式装配形状相同而规格不同的焊件，常须调整定位元件，这类支承钉的高度可按需要调整，调好后即锁死，防止使用时发生松动支承板用螺钉紧固在夹具体上，适用于工件经切削加工平面或较大平面做基准平面 二 圆孔内表面定位用定位器 工件以圆孔内表面作为定位基准时多采用（轴）销定位器。表2-2是常用定

8、位销结构图及工作特点与使用说明。定位销一般按过渡配合或过盈配合压人夹具体内，其工作部分应根据零件上的孔径按间隙配合制造。销钉的表面要耐磨，一般用20钢渗碳0.81.0mm，淬至5560HRC。 表2-2 以圆孔内表面为基准进行定位的定位销形 式结 构 图工作特点与使用说明固 定 式 定位销装在夹具体上，配合为或，工作部分的直径按工艺要求和安装方便制造。已标准化可 换 式大批量生产时，定位销磨损快，为保证精度须定期维修或更换可拆式(定位插销)零件之间靠孔以定位销来定位，定位焊后须拆除该定位销才能进行焊接，这时应使用可拆式定位插销可退出式通过铰链使圆锥形定位销用后可以退出，让工件能装上或卸下定位插

9、销可以设计成各式各样的手柄，以便于拔插。插销项端15倒角，插销定位部分也可以制成削边销，减少接触面积，图2-1是定位插销及应用实例。c )图2-1 定位插销及应用实例 a) 弹簧插销 b) 链式插销 c) 插销应用三圆柱外表面定位用定位器 工件以圆柱外表面作为定位基准时多采用V形铁定位器。V形铁作为定位元件，广泛应用于圆柱形零件的安装定位。V形铁的结构参数见图2-2。V形铁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。 设计V形铁时，可按表2-3计算图2-2所示有关尺寸。工件的直径D是已知的，V形铁高度H和开口

10、尺寸N先确定后，再求V形铁的标准定位高度T。T在V形铁零件图上必须标出，以便制造和检查。 V形铁高度H的选取：当用于大直径定位时，取H0.5D ；小直径定位时，取H1.2D 。 T的计算如下： T - H = OE - CE OE = 0.5Dsin( / 2) CE = 0.5Ntan( / 2)所以 T = H + 0.5Dsin( / 2) - 0.5Ntan( / 2)V形铁在夹具体上调整好位置后先用螺钉紧固，然后再配作两个销孔并压入销钉，销钉与销孔采用过盈配合，由这两个定位销确定V形铁的位置。表2-3 V形铁尺寸计算计算项目符号计 算 公 式工作角度6090120标准定位高度TT =

11、 H+D - 0.866NT = H+0.707D - 0.5NT = H+0.577D - 0.289N开口尺寸NN = 1.15 ( D k )N = 1.41D - 2kN = 2D - 3.46k参 数kk = ( 0.140.16 ) D图2-2 V形铁的结构及参数V形铁对圆柱外表面定位具有对中性好，能使工件的定位基准轴线在V形块两斜面的对称平面上，而不受定位基准直径误差的影响。V形铁的定位作用与零件外圆的接触线长度有关，一般短V形铁起两个支承点的作用，长V形铁起四个支承点的作用。中小型V形铁常用20钢制成，渗碳淬火后硬度达到5560HRC，或用40钢直接淬火到4045HRC。对于阶

12、梯外圆柱表面和轴线交叉圆柱表面的定位，可采用V形和其它定位器组合应用的方式解决，如图2-3所示。图a是带阶梯的零件，需要沿两个不同轴径定位，采用了V形铁和可调支承钉的综合支承定位。图b是轴线交叉零件表面的定位方式，通过两个固定短V形铁和支承钉的作用，消除了除沿V形铁轴线方向移动未定位外的五个自由度。V形铁还可根据需要设计成可移动式的，如图2-4所示。 a） b）图2-3 V形块的应用示例 图2-4 可移动式V形铁四样板定位器 图2-5 样板定位应用示例利用已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。如图2-5所示。样板定位器使用轻便灵活,但定位精度差。 定位元件的工作表面的粗糙度应比

13、工件定位基准表面的粗糙度要好13级。定位元件工作表面的粗糙度值一般不应大于Ra3.2 um，常选Ra1.6um。定位元件的工件表面常与工件接触摩擦，这要通过选择材料和热处理的方法获得工件表面硬度在4065HRC，使其具有一定的耐磨性，以保持定位精度。定位元件使用时一般不应作受力构件，以免损伤其精度。然而，在与夹紧器配合完成焊接工作过程中，常受到各种受力因素的影响，因此，凡受力定位元件一般要适当增加强度和刚度。第三章 工件的夹紧及常用夹紧器夹紧机构的作用是保持定位器的准确定位和防止零件在装配和焊接过程中因受力和翻转而发生位移。 一、夹紧机构的三要素 选用夹紧机构的核心问题是如何正确施加夹紧力，即

14、确定夹紧力的大小、方向和作用点三个要素。 1夹紧力方向的确定 夹紧力的方向主要和零件定位基准的配置及零件所受外力的作用方向有关。夹紧力一般应垂直于主要定位基准，使这一表面与夹具定位件的接触面积最大，即接触点的单位压力相应减小，有利于减小零件因受夹紧力作用而产生的变形。夹紧力的方向应尽可能与零件的重力和所受外力的方向相同，使所需设计的夹紧力最小，因此主要定位基准的位置最好是水平的。 图3-1 夹紧力作用点布置a) 不正确 b) 正确 2夹量力作用点的确定 作用点的位置主要考虑如何保证定位稳固和最小的夹紧变形。作用点应位于零件的定位支承之上或几个支承所组成的定位平面内，以防止支承反力与夹紧力或支承

15、反力与重力形成力偶造成零件的位移和偏转。作用点应安置在零件刚性最大的部位上，必要时，可将单点夹紧改为双点夹紧或适当增加夹紧接触面积。图3-1是夹紧力作用点布置方式的比较。 3夹紧力大小的确定 确定夹紧力的大小需考虑以下几方面因素：1)当焊件在夹具上有翻转或回转动作时，夹紧力要足以克服重力和惯性力的影响，保持夹具夹紧焊件的牢固性。 2)需要在夹具上实现弹性反变形时，夹紧装置就应具有使零件获得预定反变形量所需的夹紧力。 3)夹紧力要足以应付焊接过程热应力引起的约束应力。 4)夹紧力应能克服零件因备料、运输等造成的局部变形，以便于顺利装配。 二、对夹紧机构的基本要求 1夹紧作用准确，处于夹紧状态时应

16、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，夹紧时不应损杯零件表面质量。 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。 三、常用手动夹具 典型的夹紧装置一般由力源装置、中间递力机构和夹紧元件三部分组成。力源装置是产生夹紧作用力的装置；中间递力机构起着传递夹紧力的作用，工作时可以通过它改变夹紧作用力的方向和大小，并保证夹紧机构在自锁状态下安全可靠；夹紧元件是夹紧机构的最终执行元件，通过它和零件受压表面直接接触完成夹紧。一般手动夹具，主要由中间递力机构和夹紧元件组成，力源则为手动人力。夹紧装置的种类很多，常用的结构形式有以下几种：

17、1螺旋夹紧器 螺旋夹紧器一般由螺杆、螺母和主体三部分组成，与之配合使用的还有压块、手柄等零件。使用时，通过螺杆与螺母的相对旋动达到夹紧工件的目的。旋压时，若螺杆直接压紧工件，容易造成零件表面的压伤和产生位移，因此，通常是在螺杆的端部装有可以摆动的压块，即可使夹紧的零件不随螺旋拧动而转动，又不致压伤零件。图3-2是摆动压块的结构形式。图a型压块端面光滑，用来夹紧已加工表面；图b型压块端面带有齿纹，用于比较粗糙的零件表面。压块与螺杆间采用螺纹或钢丝档圈略微活动的联接方式。 a） b）图3-2 摆动压块结构形式 螺旋夹紧器根据零件形状和工作情况的差异具有多种形式，生产中最常见的是弓形夹紧器。制造螺杆

18、的材料常用45号钢，热处理表面硬度为3338HRC。螺纹形状与螺杆直径有关，一般直径在12mm以下采用三角螺纹；超过12mm则采用梯形螺纹。螺母容易磨损，一般做得较厚，还可以设计成套筒螺母固定在主体上。为了克服螺旋夹紧器夹紧动作缓慢(每转一圈前进一个螺距)、辅助时间长和工作效率不高的缺点，可采用快速夹紧的结构形式。图3-3a是旋转式螺旋夹紧器，夹紧机构的横臂可以绕转轴进行旋转，便于快速装卸焊件。图3-3b是铰接式螺旋夹紧器，夹紧主体可以绕铰接点旋转到夹具体下面，工件可顺利装卸，螺旋的行程可根据焊件的厚度和夹紧装置确定。图3-3c是快撒式螺旋夹紧器，螺母套筒1不直接固定在主体4上，而是以它外圆上

19、的L形槽沿着主体上的定位销3来回移动。工件装入后推动手柄2使螺母套筒1连同螺栓5快速接近工件。转动手柄使定位销3进入螺母套筒的圆周槽内，螺母不能轴向移动，再旋转螺栓便可夹紧工件。卸下焊件时，只要稍松螺栓，再用手柄转动螺母套筒使销钉进人螺母套筒外圆的直槽位置，便可快速撤回螺栓，取出工件。图3-3 快速夹紧的螺旋夹紧器a) 旋转式 b)铰接式 c)快撒式产生中还有一些常用的简易螺旋夹紧器如图3-4 a）d）所示。 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) 图3-4 产生中一些常见的简易螺旋夹紧器2偏心轮夹紧器 偏心轮是指绕一个与几何中心相对偏移一定距离的回转中心而旋转的零件。偏心夹紧器是由偏

20、心轮或凸轮的自锁性能来实现夹紧作用的夹紧装置。此种机构夹紧动作迅速(手柄转动一次即可夹紧零件)，应用较广，特别适用于尺寸偏差较小、夹紧力不大及很少振动情况下的大批量生产。 常见的偏心轮有两种：圆偏心轮和曲线偏心轮。曲线偏心轮的外轮廓为一螺旋线，制造麻烦，很少采用；圆偏心轮应用较多，图3-5是其结构特性示意。o1是圆偏心轮的几何中心，R是圆半径；o是圆偏心轮的回转中心，Ro是最小回转半径；两中心的距离为e，即e = R - Ro当圆偏心轮绕o点回轮时，外圆上与零件接触的各点到o点的距离逐渐增加，增加的部分相当一个弧形楔，回转时依靠该弧形楔，卡入半径为Ro的圆与零件被压表面之间，将零件夹紧。可见，

21、圆偏心轮工作表面的升角(即斜楔的斜角)是变化的，按图中位置在转动90时升角最大，此时，偏心距为2e。要求偏心轮在任何位置都能自锁的条件是：2e / D f式中 D 圆偏心轮直径(D=2R)； f 圆偏心轮与零件间摩擦系数一般取01015。 生产中多采用f = 015，此时，偏心距应为e x90)良好(90x80)中等(80x70)及格(70x60)不及格(x60)评分参考标准参考标准参考标准参考标准参考标准学习态度15学习态度认真，科学作风严谨，严格保证设计时间并按任务书中规定的进度开展各项工作学习态度比较认真，科学作风良好，能按期圆满完成任务书规定的任务学习态度尚好，遵守组织纪律，基本保证设

22、计时间，按期完成各项工作学习态度尚可，能遵守组织纪律，能按期完成任务学习马虎，纪律涣散，工作作风不严谨,不能保证设计时间和进度技术水平与实际能力25设计合理、理论分析与计算正确，实验数据准确，有很强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献查阅能力强、引用合理、调查调研非常合理、可信设计合理、理论分析与计算正确，实验数据比较准确，有较强的实际动手能力、经济分析能力和计算机应用能力，文献引用、调查调研比较合理、可信设计合理，理论分析与计算基本正确，实验数据比较准确，有一定的实际动手能力，主要文献引用、调查调研比较可信设计基本合理，理论分析与计算无大错，实验数据无大错设计不合理，理论分析与

23、计算有原则错误，实验数据不可靠，实际动手能力差，文献引用、调查调研有较大的问题创新10有重大改进或独特见解，有一定实用价值有较大改进或新颖的见解，实用性尚可有一定改进或新的见解有一定见解观念陈旧论文(计算书、图纸)撰写质量50结构严谨，逻辑性强，层次清晰，语言准确，文字流畅，完全符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸非常工整、清晰结构合理，符合逻辑，文章层次分明，语言准确，文字流畅，符合规范化要求，书写工整或用计算机打印成文；图纸工整、清晰结构合理，层次较为分明，文理通顺，基本达到规范化要求，书写比较工整；图纸比较工整、清晰结构基本合理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，勉强达到规范化要求；

24、图纸比较工整内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求；图纸不工整或不清晰指导教师评定成绩：指导教师签名： 年 月 日目 录一夹具设计任务181焊接产品（复合件）“锁杆” 草图182焊接产品“锁杆” 的重点技术要求18二“锁杆”装焊夹具设计方案的确定181装焊方案182装焊夹具结构183夹具的定位原理及特点184夹具中主要零件设计说明185夹具的装配要求19三装焊夹具使用说明201 夹具的操作步骤202 夹具使用注意事项、保养及维护20四本次课程设计小结、体会及建议20五参考资料20一夹具设计任务焊接产品（复合件）“锁杆”的草图见附图所示。焊接产品“锁杆”的重点技术要求分析

25、（1）序1钩两件之间距为156 +0.5，两件须平行，且在侧向投影重叠；（2）序2板中心线与序1钩B成30 0.5二“锁杆”装焊夹具设计方案的确定1 装焊方案从焊接件产品图中看出，序1、序2分别与序3进行焊接。序3为主焊接零件，同时也是主体件，它的两端外园可用V形铁定位，轴向定位可采用挡铁。装焊方案初拟为：序1钩与序3先在夹具上点固、取出焊接，然后在夹具上进行序2板与序3杆的装配、点固，再取出完成焊接。2装焊夹具结构装焊夹具采用两个带V形铁的左、右主块和一根带槽（起格子挡铁作用）的横轴刚性连接，组成夹具主体，再在左主块上装上定位档铁块、孔档销、限位销，右主块上装上压紧元件压板，即构成了整个焊接

26、夹具。“锁杆”装焊夹具结构简图见附图2所示。 3夹具的定位原理及特点主焊件“杆”用两个V形铁定位，限制了4个自由度，轴向挡铁块限制了1个自由度，共限制了5个自由度。由于杆是旋转体，故剩下 自由度不必加以限制。件“钩”是套在“杆”上，且是配合关系，可以限制4个自由度 、，再用格子挡铁可限制、两个自由度，即6个自由度都已受限制，完成了定位。件“板”同样套在“杆”上，限制了4个自由度，再用孔4内定位挡销可限制、自由度。由于“锁杆”件尺寸小，又存在主体件，只要把定位元件设计成组合刚体，可成为无底板夹具（通常典型的装焊夹具都有底板，即夹具体，本例较为特殊），可大大减轻夹具重量。4主要零件设计说明（1）横

27、轴：主要作用是支撑联接件，长210，最细部分为17，刚度已足够，采用双向对称分布公差制，取定位尺寸为156.250.2 ，用车床加工易于达到要求。材料为45钢调质，综合性能良好。限位槽尺寸3与焊件“钩”配作，双向间隙0.1。整体表面发黑处理以防锈。（2）孔挡销：工作为悬臂状态，考虑要有足够的刚度，设计成阶梯轴形状，如图所示。图中12h7配合孔为12H8，是间隙配合，间隙为00.045；3.9 端部工作时最大偏差为: (47+4) = 0.0115 ( 30tg 0.5) = 0.131 故选用12合理。其他尺寸主块厚20、12及47等也合适。图1孔挡销 材料为45钢调质，3.9 端10mm热处

28、理HRC40，提高耐磨性能。（3）限位销：材料用45钢调质，8装配调节好后表面发黑处理，如图2所示。图2限位销（4）左右主块：材料用45钢，要求两件重叠一起加工，包括V形铁四周边、通孔18H8、12H8和7H8，以保证尺寸的一致。5夹具的装配要求（1）左右主板与横轴装配，按图钻孔攻丝装上骑缝螺钉（注意方位一致）；（2）在左主板上压入限位销，用孔挡销和样板校准30 0.2角度；样板主要尺寸如图3所示。若有不合，可修磨限位销的 8外园。图3 样板（3）按图装上档块，检查“杆”的轴向尺寸12，合格后旋紧压紧螺栓，配钻销孔，定位；（4）装上压板、螺母、螺栓等其它零件，完成整个装配。三装焊夹具使用说明1 夹具的操作步骤（1） 将工件“钩”、“板”按图套在“杆”上，“杆”在夹