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。,,,,xyzxyz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50mm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1-18V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2～5mm。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40～45HRC。abcd2.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1-21cabc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1-261-27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。