焊接工装设计基础(陈焕明)课件---绪论、一、二、三章

课程名称：焊接装备及自动化主要内容：一焊接结构的设计。主要包括焊接梁、柱、桁架和塔桅结构、机器结构等的设计。二焊接机械装备。主要包括焊接结构生产过程中的各种辅助机械装备。比如：焊接工装夹具、焊接变位机械、焊件输送机械、其他从属装置。三焊接结构的生产工艺过程。主要包括焊接结构生产的工艺过程；比如备料、装配、焊接等工艺，焊接结构的生产工艺分析，焊接结构生产的质量管理及劳动保护，焊接结构车间的工艺平面布置。四实例：汽车焊接结构的生产过程。主要包括汽车焊接结构的装焊工艺。比如：汽车车架、车身的装焊工艺，汽车装焊生产线，汽车装焊车间的设计。教材：一焊接工装设计。航空工业出版社。陈焕明。二焊接结构生产及装备。机械工业出版社。周浩森。参考书：一焊接结构制造技术与装备。机械工业出版社。宗培言二焊接工装夹具及变位机械。机械工业出版社。王政。三焊接工装夹具及变位机械图册。机械工业出版社。王政四汽车机器人焊接工程。机械工业出版社。卢本。五汽车装焊技术。北京理工。杨握铨六焊接结构及生产设计。天津大学。贾安东基础学科：一各种力学：普通物理、理论力学、材料力学、结构力学、弹性力学、弹塑性力学、粘性力学、断裂力学，金属的机械性能。二机械设计：机械原理、机械零件、机械结构的设计。三焊接基础：焊接工艺、焊接电源、焊接结构。四液压专业（液压控制系统）；电工学（电磁铁的设计）。焊接工装设计—陈焕明绪论工装：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(tooling)，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，往往需要各制造厂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，对于汽车、摩托车和飞机等制造业，可以毫不夸张地说，没有焊接工装就没有产品。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。本门课程的目的：了解和掌握焊接工装设计的基本理论和结构设计的基础知识。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.按用途分类(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。2.按应用范围分类（1）通用焊接工装指已标准化且有较大适用范围的工装。这类工装无需调整或稍加调整，就能适用于不同工件的装配或焊接工作。（2）专用焊接工装只适用于某一工件的装配或焊接，产品变换后，该工装就不再适用。（3）柔性焊接工装指用同一工装系统装配焊接在形状与尺寸上有所变化的多种工件。柔性概念没有明确的界限，可以是广义的，即工件变化可以在大范围，形状完全不同，尺寸变化也很大，如组合夹具；也可以是狭义的，工件变化只在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内，如可调整夹具。3.按动力源分类可分为手动、气动、液压、电动、磁力、真空等焊接工艺装备。4.按焊接方法分类可分为电弧焊工装、电阻焊工装、钎焊工装、特种焊工装等。三.焊接工装的特点焊接工装的特点，是由装配焊接工艺和焊接结构决定的。与机床夹具比较其特点是：(1)在焊接工艺装备中进行装配和焊接的零件有多个，它们的装配和焊接按一定的顺序逐步进行，其定位和夹紧也都是分别的单独的或是一批批联动地进行，其动作次序和功能要与制造工艺过程相符合。(2)焊件在工装中比机加工零件在机床夹具中受有较小的夹持力，而且不同零件、不同部件的夹持力也不相同。在焊接过程中，当零件因焊接加热而伸长或因冷却而缩短时，为了减少或消除焊接变形，要求对某些零件给予反变形或作刚性固定。但是，为了减少焊接应力，又允许某些零件在某一方向是自由的。有些零件仅利用定位装置定位即可，而不夹紧。因此，在焊接工装中不是对所有的零件都作刚性的固定。(3)由于工装往往是焊接电源二次回路的一个部分，有时为了防止焊接电流流过机件而使其烧坏，需要进行绝缘。因此绝缘和导电是一个重要而特殊的问题。例如，在设计电阻焊用的夹具时，如果绝缘处理不当，将引起分流，使焊接接头强度降低。在设计电弧焊用的变位机时，如果导电系统设计不当，将会烧坏轴承。（4）焊接工装要与焊接方法相适应。例如，用于熔化焊的夹具，工作时主要承受焊接应力和夹紧反力以及焊件的重力；用于压力焊的夹具主要承受顶锻力。薄板钨极氩弧焊要求在夹具上设置铜垫，埋弧焊可在夹具上设置焊剂垫；焊接钛合金、锆合金等活性材料，可以考虑背面充氩气保护；焊接高强钢为防止裂纹需要焊前预热或焊后缓冷的，可以考虑在夹具上设置加热装置；再如，为了避免直流电弧的磁偏吹现象，焊缝两侧的压块不用磁性材料制作；真空电子束焊所使用的夹具也要考虑磁性材料对电子束聚焦的影响。（5）焊接件为薄板冲压件时，其刚性比较差，极易变形，如果仍然按刚体的六点定位原理，即3-2-1定位，工件就可能因自重或夹紧力的作用，定位部位发生变形而影响定位精度。此外，薄板焊接主要产生波浪变形，为了防止变形，通常采用比较多的辅助定位点和辅助夹紧点以及过多的依赖于冲压件外形定位。因此，薄板焊接工装与机床夹具有显著的差别，不仅要满足精确定位的共性要求，还要充分考虑薄板冲压件的易变形和制造尺寸偏差较大的特征，在第一基面上的定位点数目N允许大于3，即采用N-2-1定位原理。第一章工件的定位原理及定位器设计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（location），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及自由度的消除实例：p4图1－2A面三挡铁：可消除B面二挡铁：可消除C面一挡铁：可消除,,zxy,yzx图1-1刚体的六个自由度图1-2工件的六点定位工件放在XOY平台上限制了几个自由度？限制了三个自由度。再加一个台阶挡住工件，如图1-2所示，工件与阶梯面A、B紧密接触，则夹具的A面限制了工件的三个自由度，B面限制了和两个自由度。如果在XOZ面上增加一个挡块支承工件，则可限制工件的自由度。这样，工件的六个自由度全部受到限制，使工件在夹具中处于完全确定的位置。六点定位原理：用六个正确布置的支承点就可完全限制工件的六个自由度，使工件在夹具中占有完全确定的位置，这种用支承点来分析限制工件自由度的方法，称为“六点定位原理”（six-pointlocatingprinciple），又称“六点定位法则”或“六点定则”。由于这六个支承点相当于按3、2、1的数目分布在三个相互垂直的直角坐标平面上，因此又称为“3-2-1定位原理”。在实际生产中，分析工件在夹具定位元件上定位时，理论上可将夹具定位元件转化为相应的定位支承点，并以此来分析具体定位元件所限制的工件自由度。一个大平面相当于三个支承点，图1-2中A面相当于三个支承点，限制了工件的三个自由度；窄长面相当两个支承点，如B面上两个支承点，限制了工件两个自由度；挡块C面相当于一个支承点，限制了工件最后一个自由度。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。全定位实例：p5图1-3准定位：工件在夹具中定位，如果支承点不足六个，但完全限制了按加工要求需要消除的工件自由度数目，这种定位方式称为准定位或不完全定位。准定位实例：p5图1-4.限制四个自由度就行了.图1-3T形板的全定位图1-4工件的准定位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过定位示例实例2：p6图1-6,1-7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。三N-2-1定位原理产生原因：对汽车车身这类薄板冲压件，定位夹具除了具备限制刚体运动外，还必须能够限制过多的工件变形，六点定则不能满足这要求。N-2-1定位原理：是cai.w等人采用变分法，结合3-2-1定位原理针对薄板零件提出的。内容如下（1）第一基准面上所需的定位点数为N（N≥3）（2）第二、三基准面所需的定位点为2个和1个，第二基准面的二个定位点布置在较长的边上。（3）禁止在正反两侧同时设置定位点，易产生挠度和潜在的不稳定。N-2-1定位原理的发展：“N”定位点的确定：上海交大利用有限元分析和非线性规划。定位原则：采用定位销与支承钉相辅。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（datum），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