焊接结构制造技术与装备 教学课件 ppt 作者 宗培言 第17讲－第4章　焊接结构的装配及工艺装备④4.3-2.ppt

4.3.3 夹紧夹具的设计,1. 装焊夹具的设计要点 正确的设计和选用夹紧夹具，可大大缩短装配和焊接的周期，减轻劳动强度，提高生产效率，保证焊件的装配和焊接质量与相应的自动化焊接装备相配，可进一步发挥焊接装备的能力，有利于实现装配焊接的综合机械化和自动化根据夹紧夹具的设计原则，应对其提出如下的基本要求： ① 夹紧夹具应能快装、快卸、结构简单和操作方便 ② 夹紧夹具应有足够的空间，便于装配和焊接操作，易于装卸焊件 ③ 夹紧机构应夹紧可靠夹紧过程中不应使焊件移位或改变几何形状同时不应损伤焊件的表面 ④ 夹紧夹具，应按焊接工艺的要求装有适当的导热、导电、隔热、隔磁和绝缘等装置，以防止各种定位块、夹紧机构对焊接过程产生不利的影响 ⑤ 用于大型结构的夹紧夹具，应具有足够的刚度和强度，以保证焊件的装配焊接精度 ⑥ 夹紧夹具上的定位块、定位器和夹紧机构，应尽量采用通用化和标准化的元件在同一台夹具上应尽量采用同一种动力源的定位器和夹紧机构 ⑦ 所设计的夹紧夹具，应易于制造和组装，同时又能达到所要求的制造精度通常夹具的制造精度应高于焊件所要求的装配精度 ⑧ 气动和液压夹紧夹具，应设置必要的安全保护装置，以防止误操作引起的安全事故。

2. 装焊夹具的设计步骤 装配焊接夹具的设计大体可分为三个阶段： 第一阶段是确定设计方案； 第二阶段是设计计算； 第三阶段是绘制设计图样1）确定夹具结构设计方案 1) 分析原始资料，明确设计目的与任务 首先分析产品结构和技术要求，即产品的几何形状、尺寸、重量、焊缝位置、数量、工件刚度等，以确定夹具的结构形式 2) 制定设计方案 对可供选用的设计方案进行充分论证，选出其中最佳的方案后，即可对夹具进行总体设计 ① 确定定位方案时，按照各个零件装配顺序及相互关系；需限制几个自由度，有无过定位和欠定位；分析定位误差是否小于工件允许误差其次是确定定位基准和定位基面 确定定位方式，即确定定位元件的类型、定位基准与定位基面，这就是定位方案的主要内容 ② 确定夹紧方案，正确分析计算各种力，如重力、支承反力、摩擦力、惯性力、焊接残余应力及对工件的作用，考虑装配焊接对工件夹固(夹紧)的要求，确定夹紧力的方向、大小以及夹紧力的数目与作用，最后确定夹紧机构，尽量选择通用、标准夹紧机构和元件 ③ 确定夹具体及其他组成部分夹具体是在上面安装定位器、夹紧器及承受工件重量的部分，它有平面型、箱型、框架型、曲轴型以及组合型等多种。

④ 确定各种装置的布局及夹具的整体结构2）设计计算 方案确定后，即可进行诸如夹紧机构、传动系统、能源(动力)系统以及必要强度、刚度的设计计算，确定夹具必要几何形状与尺寸、能源、水、气等需求量 （3）绘制夹具设计图 1）确定图面布置视图 2）画出工件外形轮廓及夹具整体结构图 3）标准尺寸和公差 4) 绘制夹具零件图绘出所有非标准件全部零部件图3. 夹紧夹具的组成 工件在夹具上的安装包括定位和夹紧两个密切联系的统一过程为使工件在定位件上所占有的规定位置在焊接过程中保持不变，就要用夹紧装置将工件夹紧，才能保证工件的定位基准与夹具上的定位表面可靠地接触，防止装焊过程中移动或变形 （1）夹紧装置的组成 典型的夹紧装置如图4-29所示，可以分为以下三个部分 1) 力源装置它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、电动等动力装置图4-29中的气缸便是一种力源装置 2) 中间传力机构它是将力源产生的力传递给夹紧元件的机构，如图4-29中的斜楔传力机构的作用有三种：改变夹紧力的方向；改变夹紧力的大小（扩力）；保证夹紧的可靠性、自锁性 3) 夹紧元件即与工件相接触的部分，它是夹紧装置的最终执行元件。

图4-28夹紧装置的组成 图4-29夹紧装置组成框图 1—气缸 2—斜楔 3—滚子 4—压板 5—工件,（2）夹紧装置的基本要求 选择工件的夹紧方式，一般同选择定位方式一起考虑，有时工件的定位也是在夹紧过程中实现的，设计夹紧装置时，必须满足下列基本要求 1) 正——夹紧时，不能破坏工件在定位元件上所获得的正确位置为此要正确选择夹紧力的方向和作用点 2) 牢——夹紧力的大小要适当、可靠夹紧机构一般要有自锁作用，保证在装配焊接过程中工件不会松动，又不会使工件产生的变形和表面损伤超出技术条件的允许范围 3) 快——夹紧装置应操作方便、安全省力，夹紧迅速，以便减轻劳动强度，缩短辅助时间，提高生产率 4) 简——结构要力求简单、紧凑，并具有足够的刚性，使工装具有良好的工艺性和使用性夹紧器不应受到或是不怕焊接热量及飞溅物的影响4. 夹紧力的确定 满足夹紧装置的基本要求，必须合理选择夹紧力夹紧力包括力的方向、作用点和大小三个要素，它对夹紧装置的设计起着决定性的作用 确定夹紧力是一个综合性的问题，必须结合工件定位方式、结构特点、装配焊接工艺要求、工件在装配焊接过程中的受力状况等情况来综合考虑。

在综合考虑后，首先要确定的就是夹紧力的三要素，然后进一步选择适当的传力方式，具体设计夹紧机构１）夹紧力方向的选择 1) 夹紧力的方向应垂直于主要定位基准面 2) 夹紧力的方向应有利于减小工件变形 如薄板对接时主要产生波浪变形，可以用琴键式压板在焊缝两侧均匀施加压力图4-30：角焊缝主要产生角变形，在夹具上采用刚性固定，限制角变形的方法如图4-31图4-30琴键式压板 图4-31角焊缝刚性固定,3) 夹紧力的方向应有利于减小夹紧力 在保证夹紧可靠的情况下，减小夹紧力可以减轻工人的劳动强度，提高劳动效率，简化夹紧机构，使其轻便紧凑，以及使工件的压伤和变形减少 图4-32所示为从实际夹具中抽象出来的表示夹紧力Fj与重力G及焊接热引起的作用力Fh之间关系的几种典型情况通常主要定位基准面是水平向上的，被装配的零件放置在它的上面，因而图4-32a的夹紧力最小，有些情况下不施加夹紧力，仅靠工件自重即可装配焊接，图4-32b中Fh与主要定位表面平行，需要较大的夹紧力Fj，使其摩擦力能克服Fh，即夹紧力必须满足下式要求：,（２）夹紧力作用点的选择 夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的部位(局部接触面积)。

选择作用点的问题是指夹紧方向已定的情况下确定夹紧作用点的位置和数量选择夹紧力的作用点必须注意以下几点 1) 夹紧力作用点的选择应不破坏工件定位已确定的位置，即应作用在支承上或支承所组成的面积范围之内 如图4-33所示, 图4-34所示，如图4-35所示,图4-33夹紧力作用点 图4-34夹紧力作用点的选择,图4-35夹紧力作用点的布置,图4-36a、b、c、d所示为在夹紧时因摩擦力而使工件发生转动或移动的一些例子，其相应的改进方法如图4-36e、f、g、h所示2) 夹紧力作用点的数目增多，能使工件夹紧均匀，提高夹紧的可靠性，减小夹紧变形 对于薄壁管类零件，径向夹紧时作用点的数目与其变形有很大关系如图4-37所示，当分别以3点、4点、6点夹紧时，其变形量可逐步减小，图4-37c的变形量仅为图4-37a的变形量的1/10图4-37夹紧力作用点数目与工件变形的关系,增加接触点的面积来减小工件变形，如图4-38所示，三爪夹头使点接触变为面接触如图4-39所示，为了避免薄壁管径向受压失稳，可以在压板下面加一块厚度较大的锥面垫圈，使夹紧力通过垫圈均匀地作用在薄壁上，防止使工件局部压陷。

图4-38 改善接触状态减小工件变形 图4-39 防止薄壁工件变形的措施,3) 夹紧力作用点应不妨碍施焊 尤其是刚性小的薄壁零件，夹紧力作用点要尽量靠近焊缝边缘以利于减小变形，但又不能妨碍定位点固焊或者连续焊接３）夹紧力大小的确定 为了选择合适的夹紧机构及传动装置，就应该知道所需夹紧力的大小夹紧力的大小要适当，过大了会使工件变形，过小了则在装配焊接时工件易松动，安全性无保证 确定夹紧力大小时，一般考虑下列因素： 1) 夹紧力应能够克服零件上局部变形，这些变形不是因为长度的变长或缩短，而是因为零件刚性不足，在备料（剪切、气割、冷弯等）、储存或运输过程中可能引起局部不平直严重的必须经矫正后才能投入装配，因为强力装配要引起很大的装配应力只有轻微的变形，才能通过夹紧装置去克服 2) 当工件在胎具上实现翻转或回转时，夹紧力足以克服重力和惯性力，把工件牢牢地夹持在转台上 3) 需要在工装夹具上实现焊件预反变形时，夹具就得具有使焊件获得预定反变形量所需要的夹紧力 4) 夹紧力要足以应付焊接过程热应力引起的拘束应力 焊接热所引起的作用力很难精确计算，只能粗略估计，一般是将计算的理论值增加2～3倍（安全系数），作为设计夹紧机构的基本数据。

综上所述，夹紧力三要素是互相矛盾的，又是互相关联和统一的在力的分析中要将作用到工件上的各种外力综合考虑和处理 另一方面，必须以合理的结构设计实现各种矛盾因素的统一，只有这样才能使夹紧机构既保证定位的稳定性又保证装配焊接的安全可靠性 在实践中，合理的结构设计不但能满足力学的分析要求，而且还能合理地实现焊接工艺的要求这就需要设计者有丰富的工艺知识和经验5. 螺旋夹紧机构及夹紧力的计算,利用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧工件的机构，统称螺旋夹紧机构(screwclamp) 这类夹紧机构由于结构简单、夹紧可靠，通用性强，既可独立使用，也可以安装在夹具上和定位器配合使用，所以在焊接生产中广为应用 其缺点是夹紧和松开工件时比较费时费力１）螺旋夹紧件的基本构造 螺旋夹紧件已经是标准件，只有在特殊需要时才自行设计它有两种基本形式：一种是螺钉夹紧件，一种是螺母夹紧件图4-40 螺钉夹紧机构 1—螺杆 2—螺纹套 3— 止动销 4—压块,（２）螺旋夹紧力的计算 螺旋夹紧时，其受力分析如图4-41所示螺杆可认为是绕在圆柱体上的一个斜面，螺母看成是斜面上的一个滑块Ａ，因此其夹紧力可根据楔的工作原理来计算。

图4-41 螺旋夹紧受力分析,在手柄的作用下，滑块A沿螺旋斜面移动已知螺杆的螺纹为方牙螺纹，手柄上的外加力为FQ，手柄长度为Ｌ，螺纹平均半径为r0（螺纹中径ｄO=2 r0），则可求出作用在滑块Ａ上的水平力Ｆx，即： (4-２) 当滑块Ａ沿着斜面作匀速运动时，可求出水平力Fx和夹紧力Fj之间的关系若不考虑摩擦力时，则作用在滑块Ａ上的力有三个，即夹紧力Fj、斜面反作用力FN和水平力Fx，如图4-42(b)所示，由于这三个力处于平衡状态，可得:,,,,Fx=Fj tanα若滑块Ａ与斜面有摩擦力，则反作用力Ff 与法线Ｎ偏斜一个摩擦角φ1，如图4-41(c)所示，根据平衡条件，可得: Fx=Fj tan(α+φ1) （4-3） 将式(4-2)代入式(4-3)，则可求出夹紧力Fj，即,,式中 Fj——夹紧力（N）；,——手柄上的作用力（N）： Ｌ——手柄的臂长（mm）： ｒO——螺纹平均半径（mm）： α——螺纹升角(°)； φ1——螺母与螺杆间的摩擦角(°)，(实际计算可取φ1=8°30′)对于标准三角螺纹，升角都不大于3°30′，远比摩擦角仍为小，故可保证自锁 使用力臂Ｌ=14ｄO的标准扳手，若取α=3°，φ1=8°30′，代入式(4-4)得 =140 考虑其旋转接触面间的摩擦力矩损失，此时夹紧力的计算公式为:,,（4-5）,式中 φ2——螺杆端部与工件(或压块)间的摩擦角(可取tanφ2=0.15)； ｒ′——摩擦力矩的当量半径(ｍｍ)。

当量半径ｒ′与接触处的形状有关，当平面接触时，如图4-42(a)所示，ｒ′=2r／3；当圆环面接触时，如图4-42(b)所示，ｒ′=1.25ｒ． 用上述条件简化，可得 1) 螺杆头部是平的，如图4-42(a)所示，则 ≈90 2) 螺母夹紧形式，如图4-42(b)所。