焊接工装设计

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 ，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 ， 需 要 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 。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 。 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) 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 。 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 ， 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 。 , , , x y zx y z 及 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 。 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 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 。 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 ， 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 。 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 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 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 50 mm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 1-18 V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 。 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 25 mm。 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 4045HRC。 a b c d 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 a b c 五 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 1-26 1-27 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 。 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 。