汽车座椅内导轨焊接夹具设计Word格式.docx
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目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题研究的背景与意义1
1.1.1课题研究的背景1
1.1.2焊接夹具在国内、外的发展1
1.1.3焊接夹具的设计与意义3
1.2本课题的设计思路与研究内容3
1.2.1课题的设计思路3
1.2.2课题的研究内容3
1.3本章小结4
第2章工件的定位原理与定位器设计5
2.1工件的定位原理5
2.1.1六点定位原理5
2.1.2N-2-1定位原理6
2.2定位方法及定位器6
2.2.1定位基准面的确定6
2.2.2定位器布局与必限自由度的确定7
2.2.3定位器的材料及技术要求的确定8
2.3本章小结9
第3章焊接工装夹具的设计10
3.1焊接工装夹具的设计原则10
3.1.1实用性原则10
3.1.2经济性原则10
3.1.3可靠性原则11
3.1.4艺术性原则11
3.2夹紧装置设计11
3.2.1夹紧装置的组成与要求11
3.2.2夹紧装置的分类与初步选择12
3.2.3夹紧力的初步确定13
3.2.4简单夹紧机构的夹紧力的计算14
3.2.5复合夹紧机构的确定16
3.3柔性夹具17
3.4本章小结18
第4章焊接工装夹具的装配18
4.1焊接夹具各部件的选择与确定19
4.1.1夹具体19
4.1.2各种模块19
4.1.3多杆夹紧器20
4.2焊接夹具的装配20
4.2.1分离面的介绍20
4.2.2装配方式的确定与装配过程20
4.3本章小结21
第5章焊接夹具部件的校核与分析22
5.1汽车座椅内导轨的力学性能22
5.2导轨的夹紧力与校核22
5.3本章小结23
第6章结论24
参考文献25
致谢26
第1章绪论
1.1课题研究的背景与意义
1.1.1课题研究的背景
汽车制造业作为我国的经济支柱产业之一，改革开放之后已经历30多年的风雨，如今已在世界范围内的汽车制造业里占有一席之地。
汽车工业的发达程度可以客观间接地体现国家的工业实力和国民的生活质量。
在上世纪70年代，在除国内之外的国际范围内，汽车已经走进了千家万户，而人们对汽车质量、性能、豪华程度的需求一直持续到今天。
汽车车型从最初到现在，各代改良，才有了今天的既高性能、奢华、环保又不失美观的新一代。
焊接工装设计属于非标准装置，各个制造厂的的焊接工装设计皆不相同，其设计细节需要以其工厂的结构特点、生产条件和实际需要来确定。
焊接工装在汽车制造业里占很大比重，但由于多种小批量生产已成为当下的主要生产方式，对工装系统更要求其适应变化的能力。
因此，对于焊装夹具来说，适应多种工件、柔性化、高效率已成为主流。
要设计出柔性化强、效率高、质量水平优的焊装夹具也是我国汽车制造业的目标之一。
夹具可划分为通用夹具、组合夹具、专用夹具几大类，组合夹具和专用夹具在装配时需要进行校准、定位等一系列操作才能正常使用。
本文旨在介绍汽车座椅内导轨焊接夹具的设计，属于组合夹具，以组装代替设计与制造，灵活多变，节省了生产周期，适用范围广。
但单单作为导轨的焊接夹具，为专用夹具。
因此本文会较详细地介绍设计夹具的机理和选用原则、以及定位配合等方法。
1.1.2焊接夹具在国内、外的发展
工装夹具从19世纪的作为机床的附件与延伸物开始发展。
在20世纪时，由于美国市场对汽车生产以及自动化的需求，出现了钻模和专用夹具，提高了生产效率。
而后华尔通公司从积木玩具中获得灵感，首次发明了槽型组合夹具。
之后经过苏联的工程师的大力改进，生产并应用了很多大型的槽型组合夹具。
到了20世纪中期，为了适应第二次世界大战后经济发展以及市场由大量生产向多品种成批生产模式转变，前苏联工程师米塔洛范诺夫创造了成组技术，紧接着由欧洲迅速推广并应用到了美国，风靡全球。
作为成组技术的重中之重的成组夹具（可调整夹具）也由此出现。
这样仅在20世纪内，人们根据不同的生产模式就开发出了一个由通用夹具（常称为机床附件，如三爪卡盘、虎钳、分度台等）、成组夹具、组合夹具和专用夹具子系统组成的一套完整的夹具系统。
完整的夹具系统为20世纪汽车制造业乃至全球制造业的发展做出了巨大贡献。
由于我国的工业化起步较晚，较欧美发达国家落后了很多，但我国自改革开放之后，大力发展生产力，并与发达国家的先进制造企业进行了全面的接触，随后引入了许多外资企业及其技术先进的产品，其中包括：
先进动力夹紧技术、各类工艺过程夹具、焊接夹具、坐标测量夹具、电加工夹具以及装配夹具等[1]。
虽然我国自改革之后向全世界开放，引进先进技术，但焊接夹具的设计和研究工作在我国一直处于停滞状态，其成就可以说是少之又少。
大部分焊接夹具基本依赖于进口，而没有自己的独创和改进。
尤其是汽车焊接夹具，这无疑严重影响了我国的汽车制造业的发展。
在焊接夹具方面，欧美发达国家的成就远远超出我国很多，例如美国、德国等。
在上世纪，德国的AMF公司和美国的VEKTEK公司就已经生产出了专为夹具液压系统而设计的成套装置和元件，结构简易，性能优良。
为了解决数控加工机床封闭作业时与液压动力源连接困难这一难题，VEKTEK公司研发了耦合脱离块的专利，构思巧妙，非常适用于机械生产的需要。
使液压夹具相对于气动夹具的优势更加明显的显现出来[1]。
德国的demmeler公司结合钢结构焊接生产的特点，应用组合夹具的设计思想，研发出一种柔性化三维焊接组合夹具系统[17]。
该焊接夹具组合系统已广泛应用于机械、汽车、船舶、金属家具等制造业中。
该系统为孔系夹具系统，本设计也正是参照了该设计理念，从工作台到各个零部件都以孔来配合（本文在第三章中会详细说明）。
该孔系列组合焊接夹具系统的最大特点是设计极其精细。
其等高误差为±
0.03mm；
精密平口钳的垂直度和平行度可误差可缩小到5μm以内；
夹具重复安装的定位精度达到±
5μm；
机床夹具的精度已提高到微米级。
并且该夹具仅用规格、种类很少的配套元件即能组合出各种各样的焊接夹具。
如此功能性强大的元件极大地提高了夹具的通用性。
也正是该夹具的使用零件数量少、配套花销低、经济实用性高等特点使该夹具组合系统广泛应用于各个行业，也正符合了夹具高精、高效、组合、通用的原则[2]。
1.1.3焊接夹具的设计与意义
由于本文为汽车座椅内导轨的焊接夹具设计，因此在设计之前应了解导轨内焊接的焊接方式。
导轨内的焊接一般为点焊，因此本文为点焊夹具的设计进行讨论。
由于本次焊接夹具设计偏机械类，不涉及焊接工艺及金属热处理环节，因此对工艺和热处理环节不予赘述。
前文已述，我国的焊接夹具设计还没有达到标准化、规范化、通用化，夹具设计涉及到包括机械工程学、运动学、控制技术、电气应用等众多学科，是一项综合繁复的设计种类，因此得需要理论基础扎实、操作经验丰富的综合性人才才能胜任[3]。
由于我国设计夹具很依赖设计师的经验而不重视理论，没有一个系统、完备的设计体系。
因此我国的焊接夹具设计领域仍有很大的空间，对其研究与创新研发的意义也不言而喻。
1.2本课题的设计思路与研究内容
1.2.1课题的设计思路
通过对一些文献的查阅[4~12]，本文从最基本的基准面设计、定位器、夹紧装置、直到夹具的组合系统，借鉴了一些设计的优缺点，以最基本的设计思路、回归传统的夹具设计理念，对汽车座椅内导轨的焊接夹具进行初步的设计，其中还包含对柔性夹具的简单介绍与借鉴。
最后对夹具部件进行校核与计算分析，确定夹具设计与选用的合理性。
1.2.2课题的研究内容
本文主要研究焊接工装夹具的设计方案和细则以及对设计的夹具的夹紧力进行初步计算并进行校核。
对各个零部件进行合理的分析和选择以及讨论最终的装配过程。
本文综合以上内容，将分为六个章节，按照正常设计流程，第一章会介绍课题的研究背景与国内外发展现状；
第二章为定位器的设计；
第三章便开始对夹紧件进行设计；
第四章将介绍对各种夹具件进行装配与位置安排；
紧接着第五章对各部件进行校核与分析；
最后是小结与致谢。
1.3本章小结
本章作为全文的绪论部分，主要介绍了课题的背景、方向。
其中包括焊接夹具的背景、来源与历史发展，又介绍了夹具的国内外研究发展现状，明确了课题的研究意义，提出了设计思路和研究内容；
最后整体规划设计细则并分排了章节。
第2章工件的定位原理与定位器设计
2.1工件的定位原理
2.1.1六点定位原理
理论上一个刚体在空间直角坐标系中有6个自由度，其中包含沿X、Y、Z三个坐标轴移动的自由度和绕X、Y、Z三个坐标轴转动的自由度，工件定位分析分别用
表示移动自由度，用
表示转动自由度。
要想限制工件在夹具的位置就得将其必须限制的自由度予以限制。
在设计夹具时，可以将夹具的定位元件转化为支承点，这样可以分析夹具定位元件所限制的自由度，该方法称为“六点定位原理”，即“3-2-1定位原理”。
（图2-1即为本设计的导轨图样）
图2-1导轨图样
将导轨定位的过程中，应尽量限制其6个自由度。
由于使导轨尽量不与工作台接触，于是在工作台与导轨之间设置垫铁以将工作台与导轨隔离，在导轨的一端设置插入式F夹，与垫铁结合，可以限制导轨的
自由度；
在其附近与对应的另一端安放定位器可以限制
和
两个自由度；
在断口处再安放一个直角定位器可以限制
垫铁与导轨紧密接触，限制了
三个自由度。
这样，导轨的六个自由度全部受到限制，在夹具中处于完全确定的位置。
本设计正是根据以上的定位方案设计的各种定位器并确定其分布。
2.1.2N-2-1定位原理
对于薄板冲压件来说，为了避免薄板因其易变形和偏差较大的特点导致的定位不准等问题，将采用N-2-1定位原理。
该原理旨在对薄板件进行柔性定位。
由于本次设计的对象为汽车座椅内导轨，不属于薄板冲压件，因此仍采用传统的六点定位，即3-2-1定位原理。
2.2定位方法及定位器
2.2.1定位基准面的确定
定位方案的确定是整个夹具设计的首要步骤，也是比较重要的一个环节，定位的好坏可以决定后续工作的装配焊接的精度和效率，一旦定位确定，其余的夹具组成部分也大致确定。
由于本次设计仅仅为汽车座椅内导轨的焊接夹具设计，与复杂的车身不同。
导轨的结构比较简单，构造较规整，因此定位基准面的选择会比较简单。
在确定定位基准时，应考虑导轨的技术要求和所限制的自由度的数目，对于导轨自由度的限制过程，上文已简要叙述。
对于结构简单的导轨来说，会比较容易选择稳定可靠的定位面作为基准面。
由于导轨底部的面积最大，而且与最大面平行的面上分布焊点（如图2-2）。
（a）（b）
图2-2导轨正面图与焊点分布
因此选择底部的面为组装基准面，在工作平台表面（支撑基准面）与组装基准面之间安置垫铁，以保证焊接过程时，导轨不与工作台直接接触，以免对导轨上的焊接点焊接产生的焊接热影响工作台。
其中应注意插入式F夹对其的夹紧力不宜过大，以免因应力过大而导致导轨产生非弹性形变。
应该注意的是，侧面也有焊点，因此在对正面焊接结束后应将导轨翻转90度，在侧面对侧面端部进行施焊（如图2-3）。
所以侧面也可以作为组装基准面。
图2-3导轨侧面图图2-4直角定位件T60305
2.2.2定位器布局与必限自由度的确定
本次设计采用的定位器是直角定位件T60305（如图2-4）。
用来作为支撑点限制导轨的自由度，垫铁、插入式F夹UDN300、多杆夹紧器GH-30290M都会对导轨予以限制，如图2-5所示（对各个定位件的细节，第四章会详细说明）。
图2-5需限制的自由度图样
通过对表2-1的查阅可以初步确定所选定位器的自由度限制情况，从而确定定位器的分布。
导轨的一端
附近的插入式F夹，与垫铁结合，可以限制导轨的
在其附近与对应的另一端安放直角定位器可以限制
在断口处再安放直角定位件可以限制
这样，导轨的六个自由度全部受到限制，保证其在夹具中处于完全确定的位置。
表2-1工件与自由度限制对应表
工件定位基准面
定位元件
相当支点数
限制自由度情况
平面
宽敞定位板
3
1个移动，2个传动
窄长定位板
2
1个移动，1个转动
定位钉
1
1个移动
圆柱孔
长圆柱销
4
2个移动，2个转动
短圆柱销
2个移动
段削边销
1个转动
短圆锥销
3个移动
前后顶尖联合使用
5
3个移动，2个转动
2.2.3定位器的材料及技术要求的确定
定位器的位置分布的工作大致完成后，还要对其材料及技术要求进行商榷。
其材料类型、表面硬度、尺寸公差及表面粗糙度
要满足要求。
韧性和刚性也要达到标准。
对一些焊接工艺文献[18]的查阅后可得知：
焊接组合件的制造精度一般不超过IT14级，夹具的精度必须高于制作精度至少3个等级，即不低于IT11级。
对于定位元件，其等级精度需略高一些，可取IT9或IT8级。
装焊夹具定位元件的工作表面的粗糙度应比工件定位基准的粗糙度低1~2级。
定位元件的表面粗糙度
一般不应大于3.0
，实际生产中通常取
=1.5
。
由于导轨的焊接夹具组合相对较简单，导轨本身也并非结构复杂、制作精密的零件，因此对与导轨频繁接触的定位元件表面不要求太高的加工精度和耐磨性，其加工精度和耐磨性适当即可。
夹具定位元件可选用45、40Cr等优质碳素结构钢或合金钢，也可以选用T8、T10等碳素工具钢制造，并经淬火—回火处理，以提高耐磨性。
2.3本章小结
本章最初简单介绍了六点定位原理以及N-2-1定位原理，对定位基准、定位器的布局与必限自由度进行了初步确定，最后对定位器的材料与技术要求进行简单的选择与说明。
第3章焊接工装夹具的设计
3.1焊接工装夹具的设计原则
3.1.1实用性原则
实用性是指夹具的使用功能，既能体现在技术性能上的优越，又要保证人性化，即整个工装系统与人体适应，操作简便、安全，最大可能的提高工作效率。
众所周知，焊接产品通常由两个或两个以上的零部件结合而成，为了施焊方便或易于控制焊接变形，本设计将装配和焊接两道工序分开进行，先装配后焊接，形成永久连接的整体，由于设计的夹具是将导轨与其内部的部件进行固定，因此装配过程比较简易，结构不太复杂。
该夹具足可以适应这种情况。
由于焊接部分无精度高低之分，因此可以不考虑焊接顺序带来的影响。
导轨中的焊点较少，且焊缝面积也小，因此不会因局部受热产生明显的焊接应力与变形。
而且导轨与工作台平面平行，焊缝处于平焊位置，较其他位置的焊接相比更容易获得高质量焊缝，几乎所有焊点都可以在该位置完成，省时省力。
由于导轨的一端需要与座椅的其他部件焊接，且该处焊缝与其余的焊点在不同的平面上，因此导轨仅需要翻转90度就可以使该焊缝同样处于平焊位置。
为了尽量使夹具符合人性化，导轨可以很容易地放置在定位件和夹紧器组成的系统中，从夹具中取出同样很简单快捷，夹紧器和定位件的位置不与焊接点冲突，且不会影响导轨安装，又很适应于工人操作，具有协调、简洁、清晰的特点。
3.1.2经济性原则
经济性原则是指用最少的人力、物力、财力来获得最佳的效果。
焊接夹具的经济性一方面取决于工件的复杂程度，另一方面取决于采用巧妙的部件、精密的结构以及适宜的材料对焊接夹具系统的简化程度，前者难度不大，而后者则需要巧妙的思维、缜密的设计、丰富的经验才能做到。
汽车座椅内导轨本身结构简单，其夹具构造自然清晰明了，在使用材料和部件选择两个方面进行优化设计即可符合经济性原则。
通过对相关文献及资料的查阅[18]，可以粗略得出工装夹具的经济性公式：
其中
，
分别为采用工装夹具进行焊接、装配、机加工等工序的花销；
分别为未用工装夹具进行焊接、装配、机加工等工序的花销；
为工装夹具制造支出；
为工装夹具制造出的工件数量。
从经济的方向来看，本设计应采用标准零部件，在保证工装夹具可靠性的同时减少精加工比例和结构重量。
因此，本次设计采用孔系结构的通用的、标准的工装夹具组件，专用于单件或小批量生产。
（有关孔系结构的设计详见第3节）
3.1.3可靠性原则
可靠性原则是指夹具在受力时具有足够的刚度和强度，一方面其可以足够支承工件以及因限制其焊接变形而导致产生于各个方向的拘束力。
另一方面，夹具应具备防差错功能，防止操作者因疏忽造成装配错误、漏焊、错焊等差错。
关于这点，由于本次设计的焊接夹具构造简单，对导轨焊接过程也无复杂工序，所以未对防差错功能予以设计。
但设计的夹具系统以孔系连接，各部件之间装配牢靠，绝对能够保证正常的夹紧工作，并可以承受各种拘束力。
3.1.4艺术性原则
工装夹具造型美观、对称乃是在满足功能使用和经济许可条件下的优化设计，对夹具的变化与统一、稳定与均衡、比例与尺度等形式美法则的设计也适应现代工业和科学技术的美学原则。
本次设计的焊接夹具在满足使用的基础上，使各个夹紧器、定位件等部件处于对称位置，既美观又得体，既实用又不会显得很突兀。
在保证符合人体系统协调的基础上，使简洁的造型富有美感。
3.2夹紧装置设计
3.2.1夹紧装置的组成与要求
工件在夹具中的位置确定由定位和加紧两个方面决定，为了能使工件在焊接过程中保持不动，不仅需要定位件，最重要的是夹紧器对工件的夹紧作用。
因此，要设计出即符合要求又具备以上的原则的夹紧器显得尤为重要。
典型的夹紧装置分为三个部分，力源装置、中间传力机构和夹紧元件。
其中，力源装置是产生夹紧作用力的装置，通常是指机动夹紧时所用的气动、液压、电动等动力装置。
本次设计的力源是人力，不涉及复杂的气、液、电等启动设施。
因此，力源装置部分的设计可以忽略。
紧接着是中间传力机构
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