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支架焊接夹具设计说明书

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材料科学与工程

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1.夹具设计的目的意义及要求3

1.1夹具设计的目的意义3

1.2夹具设计的要求3

2.焊接结构件的分析4

2.1焊接结构件组成及成分分析4

2.2焊接结构件焊接性能分析4

3制订焊接结构件的焊接工艺5

3.1制定焊接方法及焊接规范5

3.2焊接材料的选择5

3.3焊缝类型及位置5

3.4焊接工序的确定5

3.5焊接质量的保证措施5

4焊接夹具的设计6

4.1基准面的选择6

4.2定位器的设计6

4.3夹具体的设计9

4.4夹紧装置的设计10

4.5夹具材料的设计11

4.6夹具尺寸公差及粗糙度12

4.7国家标准件的选择12

4.8绘制夹具草图（见图）12

4.9绘制正式装配图（见图）12

4.10绘制零件图（见图）13

5夹具使用说明13

5.1夹具的安装说明13

5.2夹具体的使用说明13

5.3夹具体的使用性说明13

6参考文献14

1.夹具设计的目的意义及要求

1.1夹具设计的目的意义

焊接工装夹具是实现机械化、自动化焊接生产不可缺少的工艺设备。

在焊接生产中推广使用它，对提高产品质量，加速焊接生产过程，减轻焊工的劳动强度等有着非常重要的作用。

焊接工装夹具的特点是

1）可以对简单零件组焊而成的焊件按照顺序，对各个零件单独定位夹紧。

2）在焊接过程中，零件会因焊接加热而伸长或因冷却而缩短，为了减少和消除焊接变形而使用刚性夹固；为了减少焊接应力，又允许某些零件在某一方向可以自由伸缩。

因此焊接工装夹具不是所有零件都做刚性拘束。

3）对用于熔焊的夹具，工作时主要承受焊件的重力、焊接应力和夹紧力，有的还要承受装配时的锤击力；用于压焊的夹具还要承受顶锻力。

4）焊接工装夹具往往是焊接电源二次回路的一个组成部分，因此绝缘和导电是设计中必须注意的问题。

5）焊接工装夹具一般比较大，设计难度大。

6）焊接工装夹具主要用来保证焊接结构各连接件的相对位置精度和整体结构的形状精度。

1.2夹具设计的要求

对焊接工装夹具的设计要求：

1.焊接工装夹具应动作迅速，操作方便，操作位置应处在工人容易接近，最宜操的部位。

特别是手动夹具，其操作力不能过大，操作频率不能过高，操作高度应设在工人最容易用力的部位，当夹具处于夹紧装态时，应能自锁。

2. 焊接工装夹具应有足够的装配焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸，所有的定位原件和夹紧装置应与焊道保持适当距离或者布置在焊件的下方和侧面。

夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。

3.夹紧可靠，刚性适当，夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，夹紧后不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大，产生较大的应力。

4.为了保证使用安全，应设置必要的安全连锁保护装置。

5.夹紧时不应损坏焊件的表面质量，夹紧薄件和软质材料的焊件时，应限制夹紧力，或者对压头行程限位，加大压头接触面积，添加铝铜衬垫等措施。

6.接近焊接部位的夹具，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅对夹紧机构和定位器表面的损伤。

7.夹具的施力点应位于焊件的支撑处或者布置在靠近支撑的地方，要防止支撑反力与夹紧力，支撑反力与重力形成力偶。

8.注意各种焊接方法在导热导电隔磁绝缘等方面对夹具提出的特殊要求。

9.用于大型板焊接结构的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度，尺寸精度影响较大。

10.在一个夹具上，定位器和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量选用一种动力源。

11.工装夹具本身应具有较好的制造工艺和较高的机械效率。

12.尽量选用已通用化标准化的夹紧机构及标准零部件来制作工装夹具。

2.焊接结构件的分析

2.1焊接结构件组成及成分分析

图2.1要求焊接的零件

如图2.1所示，结构由盖板、主管、支管所组成，均都是Q235钢。

两根主管中心线平行放置，两支管中线垂直主管中心线，大小不同，两盖板放在主管上方。

需要将主管与支管，主管与盖板进行焊接。

2.2焊接结构件焊接性能分析

金属焊接性（也称可焊性）是指金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。

而焊接性包括两方面的内容。

①接合性能：

金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺陷的敏感性。

决定接合性能的因素有：

工件材料的物理性能，如熔点、导热率和膨胀率，工件和焊接材料在焊接时的化学性能和冶金作用等。

当某种材料在焊接过程中经历物理、化学和冶金作用而形成没有焊接缺陷的焊接接头时，这种材料就被认为具有良好的接合性能。

②使用性能：

某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力，如承受静载荷、冲击载荷和疲劳载荷等，以及焊接接头的抗低温性能、高温性能和抗氧化、抗腐蚀性能等。

本次焊接中涉及的材料是均是A3即Q235。

Q235钢是普通碳素结构钢，Q代表的是这种材质的屈服极限，后面的235，就是指这种材质的屈服值，在235MPa左右。

并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小，由于含碳适中，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。

由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。

低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。

3制订焊接结构件的焊接工艺

3.1制定焊接方法及焊接规范

3.1.1焊接方法

低碳钢的焊接性能好，焊接工艺容量大，常见的焊接方法有焊条电弧焊，二氧化碳气体保护焊，埋弧焊及电渣焊。

其次，根据焊缝位置和可施焊空间分析。

综述分析可知宜选用手工电弧焊，且生产效率高。

3.1.2焊接规范：

电源可选ZX7-400直流弧焊机可供使用。

手工电弧焊焊接电流的选择是焊接工艺参数最重要的一项。

因此焊工在操作过程中焊接电流的大小决定着焊接质量好与坏。

电流过大时，熔深大、飞溅大、焊条过热，药皮易脱落，且成形不良、易咬边；电流过小时，引弧困难电弧不稳定、且熔合不好。

因此正确选用焊接电流是保证焊接质量关键的一环，它是根据工件的厚度、空间位置、焊条直径而决定的。

焊接电流一般为30-50A，焊接电压在22-26V，为了防止裂纹的产生，可焊后进行热处理，焊接性比较好，其他不做要求。

3.2焊接材料的选择

根据手工电弧焊焊条选取原则，Q235，可选用E4303（J422）焊条匹配进行焊接。

焊条使用前应烘干，酸性焊条烘干温度为15-200℃，保温1-2h。

3.3焊缝类型及位置

主管与支管是环形角焊缝焊接，主管与盖板的连接是角焊缝。

3.4焊接工序的确定

构件的焊接顺序为：

先将两主管与两支管焊接起来，然后再将主管与盖板焊接起来。

3.5焊接质量的保证措施

焊前去除油污杂质，焊条要烘干。

有条件可进行焊前热处理和焊后热处理，使用适当的加热速度，合理的峰值温度，高温停留时间，冷却速度等。

尽量采用短弧焊，防止热影响区温度过高。

4焊接夹具的设计

4.1基准面的选择

根据工件图总体结构特点，由于两根主管中心线平行放置，两支管中线垂直主管中心线夹在两主管之间，两盖板放在主管上方。

需要将主管与支管，主管与盖板进行焊接。

也就是说主管定位了就可以方便定位支管和盖板，就可以方便定位整个结构，所以选用了主管的外圆柱面作定位基准面。

如右图2所示，箭头1和箭头2所指即为定位基准面。

图4.1定位基准面截图

4.2定位器的设计

工件定位就是要将装配过程中的各个零件的位置完全确定下来，使其处于完全固定的位置而无法移动。

定位器就是在就是用来定位焊件，使焊件在夹具中处于完全正确位置的零部件。

根据本工件的外形特点，由于有圆柱面，所以选用了V型块做外圆柱面的定位器，具体在主管和支管都是用V型板进行定位，两端采用L型挡铁定位。

由于盖板是块装，所以选择用L型挡铁进行定位，另一端选用铰链定位。

在主管和支管不仅可以定位其下端面，还可以防止其转动。

如图3所示，两管都是通过V形块进行定位。

用两个小v型快对主管进行定位，定位图如下，两个V型块限定了四个自由度。

图4.2主管定位图

其一个大V型块如图所示，本文两种V型块都是用的120°，都是非标准件，自己设计。

计算公式如下，所得结果计算见图形标注。

其中H《1.2D。

根据V型块尺寸计算公式：

H<1.2D其中D=40mm，α=120°。

H=35

则为方便计算和设计，H、T值均为整数，最终确定V型块的尺寸如下图所示

图4.3大V型块

因为主管的焊接需要限制四个自由度。

其中用挡板限制左边自由度，其L形挡板的零件图如下。

用L型挡板限制了水平方向自由度。

图4.3L形板

对于支管，本文采用小V型长块限制支管四个方向自由度，焊接夹具中只需要准定位即可。

同理小V型块的设计公式见如上公式。

代值可得N=22.71，H=25，T=30，k=3。

标注值如下：

图4.4小V型块

对于盖板，我们采用了L型挡铁限制水平方向的自由度，其中主管对盖板限制了三个方向的自由度，盖板采用全定位。

所以在盖板另一个方向我们采用了

图

V型块

4.5L型挡铁

定位臂。

其图形如下：

图4.6定位臂

综上，用定位加起来就是对盖板进行了全定位。

4.3夹具体的设计

夹具体是在夹具上安装定位器和夹紧机构以及承受焊件质量的部件。

对夹具体的要求如下：

1）足够的强度和刚度；

2）便于实施装配和焊接作业；

3）能方便地卸下装焊好的焊件；

4）必要的导电、导热、导水、导气及通风条件；

5）易于清除焊渣、锈皮等污物；

6）有利于定位器、夹紧机构位置的调节与补偿；

7）必要时应具有反变形的功能。

根据本构件的情况，设计了夹具体的尺寸为486*194*50mm的长方体台，并在反面焊接有两条25*37*49的垫块，以方便夹具体的取放。

在夹具体上打孔，以便装配定位以及夹紧装置的螺栓及销连接。

夹具体如图下所示。

图4.7工作台

4.4夹紧装置的设计

当工件被定位好以后就要对工件进行夹紧，保证工件保持它的位置不动，即使工件的定位基准与定位元件紧密接触，所以需要夹紧装置来夹紧工件。

根据本工件的实际情况使用了2个大铰链、2个小铰链以及2个螺旋夹紧器，分别在主管的上方，支管的上方和盖板上方。

在螺旋夹紧器的夹紧方向上都设计了压板，避免了螺旋夹紧器与工件直接接触导致工件损坏。

在主管和支管的V型板上还设计有铰链压板以保证其位置不动。

并在铰链下方增垫支撑块以防止因夹紧力过大发生绕曲变形。

通过这2个螺旋夹紧器和铰链可以保证工件保持其位置不动，其具体位置见装配图。

图下小铰链，可通过旋螺栓自由退出。

图4.8小铰链

图下为螺旋压紧器，通过螺栓旋入设计好的孔，通过连接手柄的螺母与工件接触将工件压紧。

图4.9螺旋压紧器

图为大铰链，可通过旋螺栓自由退出。

图5.0大铰链

4.5夹具材料的设计

夹紧的材料是决定夹具性能的一个重要因素，材料的选取是和工件的使用情况与功能相匹配的，同时兼顾材料的可获得性和经济性。

在本夹具工件中，主要是用的是20钢和45钢。

20钢因为有好的热轧性，所以用它制作V形板、夹紧器支撑板、连杆支撑板等零件，45钢是中碳调质钢，综合力学性能好，用它制作螺旋夹紧器，夹紧器压板，铰链压板，铰链螺杆等。

4.6夹具尺寸公差及粗糙度

对于影响元件在夹具体上安装精度的尺寸都需要标注尺寸公差。

在本结构中工作面与定位支撑板工作面垂直度误差不大于0.05mm，工作面与夹具体安装基面垂直误差不大于0.05mm，定位支撑板工作面对夹具体安装基面平行度误差不大于0.02mm，夹具体上所有的圆孔定位尺寸允许不大于0.02mm的对称误差，V形块上的销孔误差不得大于0.012mm。

粗糙度的要求是内孔及内侧面是1.6，无相对运动的销孔和比较重要的基准面、接触面的粗糙度为3.2；其余为12.5。

4.7国家标准件的选择

销GB/T119.16m3*3010支

活节螺栓GB/TM*402支

销GB/T119.16M4*308支

销GB/T119.16M4*402支

螺母GB/T6170M41个

螺栓GB/T5780M6*404支

销GB/T119.16m6*304支

销GB/T119.16m6*402支

螺栓GB/T5780M8*404支

螺母GB/T6170M42个

垫圈GB/T97.1410个

4.8绘制夹具草图（见图）

首先读通工件图，确定要焊接的结构的材料，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，即选择主管的圆柱面作为基准面，然后要焊接的是主管与支管（环角焊缝），主管与盖板（对角焊缝）。

主管和支管用V型块定位，终端用挡板，用铰链压板夹紧，盖板用挡板定位，最后用三个螺旋夹紧器将工件夹紧。

据此方案将草图绘制完毕。

4.9绘制正式装配图（见图）

在A0图纸上，根据草图将各种结构的夹具和定位元件按照一定尺寸绘制装配图，原工件用虚线代替。

4.10绘制零件图（见图）

在A4-A2的图纸上，根据装配图将不是标准件的各个零件绘制出来，并标注尺寸、公差、配合、粗糙度和技术要求等内容。

5夹具使用说明

5.1夹具的安装说明

1）在夹具体上划线，按照夹具体所给定的尺寸，以及上面的所打的圆孔的位置，在装配图的指导下确定各个装置轴线的位置。

2）夹具体上的起定位作用的销钉孔的位置精度不得低于零件图上的要求。

3）将各个定位支撑装置（V形块，定位挡板，支撑板等）装配到位，将夹紧装置（螺旋夹紧器）组装完成，将铰链和螺旋夹紧器闭合夹紧。

4）在各个有配合且需要相对运动的地方注入润滑油。

5）所有零部件安装完成后，进行试焊并检验焊后工件是否符合要求，然后根据实际情况进行调节，直到达到技术要求。

6）安装调试完毕，清楚污迹，并涂上防锈油。

5.2夹具体的使用说明

1）各夹紧装置先是退出状态，然后放入一边主管和支管，使其主管外圆柱面与起定位基准的V形块靠紧，然后将管放在起支撑定位作用的V形块上，在左面挡板与主管的外圆柱面靠近，再将支管放在起支撑定位作用的V形块上，两端与主管的断面靠紧。

2）根据V形块定位好其在连杆上的位置，并通过V形块上的铰链进行夹紧。

3）将盖板上方的螺旋夹紧器夹紧。

4）组装完成，进行焊接。

5）送开各个夹紧结构，卸载工件，完成焊接过程。

5.3夹具体的使用性说明

夹具体安装简单，操作快捷。

结构容易拆卸。

夹具件加工容易，自动化程度高，铰链和螺旋夹紧器方便快速夹紧，可以提高生产效率。

6参考文献

[1] 陈祝年，焊接简明设计手册，机械工业出版社，1999年

[2]王健石，机床夹具和辅具速查手册，机械工业出版社，2007年

[3]东北重型机械学院，机床夹具设计手册，上海科学技术出版社，1990年

[4] 陈焕明，焊接工装设计基础，航空工业出版社，2004年

[5]杨裕根，现代工程图学，北京邮电大学出版社，2008年