焊接夹具设计基础手册.doc

一 概念及名称1 . 基准点及车线规定普通状况下汽车坐标系原点规定为车前轮轴心线中点。 TL或X表达车长 以车前轮为原点向车尾方向为正，向车头方向为负。BL或Y表达车宽 以车对称中心线为原点，面对车行驶方向，向右为正，向左为负。WL或Z表达车高 以车前轮为原点，向上为正，向下为负。见图11；有时，汽车生产厂家也可自行规定基准点及坐标系位置。图11由于夹紧位置需要而将夹紧单元旋转一定角度时，其车线标注如图12，其中45图122. 夹紧单元（POST）一种典型夹紧单元普通涉及L板、支板、夹紧臂、定位块、垫片、回转销、定位销、定位销连接板、到位止动块或限位块,、连接板、气缸 等。见图13图133. 夹具一套完整夹具普通包括若干夹紧单元（POST）、基板（BASE）、举升机构（LIFTER）甚至旋转机构。依照操作方式可划分为手动夹具、气动夹具及液压夹具；依照控制方式可划分为气控夹具、电控夹具等。见图1-4（手动夹具），见图1-5（气动夹具）。图1-4 图1-5二 基板（Base板）Base板普通由槽钢与钢板焊接而成。槽钢多采用10#、12#、14b#、16#、20#、25b# 等，钢板厚度多采用t=20mm或t=25mm（此为加工完毕厚度，选用毛料时，因考虑加工余量，相应板厚取t=25mm或t=30mm）。对于小夹具或滑台等亦可采用t=3040mm钢板焊接而成，而对于总拼夹具以及顶盖装焊夹具，其滑台及支架则可采用矩形方管与钢板焊接而成。1. Base最大外形尺寸对于Base设计应充分考虑焊接及加工工艺性，以及吊装、运送等以便性。对于只加工顶底两面普通Base而言，其长度暂不界定，但宽度不得不不大于2m，可以运送最大宽度（非Base自身）为2.3m。见图2-1图2-1 而对于较宽敞Base，为了使其便于加工，往往将其划分为若干个Base，Base间则以支架相联接，此时该Base单侧或双侧就需加工。 见图2-2（单侧），见图2-3（双侧）。 图2-2 图2-3 仅加工单侧：其宽度不不不大于mm，加工双侧时其宽度不不不大于1600mm，而对于Base长度方向两端需加工时其尺寸见图2-4。图2-4 对于总成线中装焊顶盖工位，其两侧滑台Base因较高，往往用方管焊接而成，此时其高度不不不大于1550mm，当其侧面需加工孔时，其距顶面最大距离不不不大于500mm，见图2-5。图2-52. Base尺寸与所使用型钢型号关系表：BASE尺寸800X1200800X1200|1000X16001000X1600|1500X1500X|X3200X3200|3000X40003000X4000|3500X5000上面板t1202020202025下面板t2151515202020槽钢型号C10C12C14C16C20C25b 注：表中所示板厚t1、t2为加工完毕尺寸3. Base设计中应注意焊接及加工工艺性a. 槽钢布置对于普通Base而言，槽钢布置见图2-6，槽钢间距为700mm900mm，个别状况除外，并且四周槽钢搭接以八字为主，但如滑台以及Base间连接板等，以方管、矩形管焊合而成框架构造不容许采用八字构造，而在露出型材腹腔部位加堵，见图2-7。图2-6 图2-7b. 槽钢接口 见图2-8图2-9图2-8c. 在端面处钢板需探出槽钢20mm以便焊接。d. 对于长条型小型Base，其构造应如图2-9所示，突出部便于机加工时装夹。e. 下板布置 如图2-10图2-10 图2-11其加强板尺寸详见附表一；f. Base起吊装置 小型Base使用起吊环，于Base上表面钻M30螺孔，钻孔时应注意起吊钢丝绳与否会与Post等发生干涉；大型Base需采用吊耳，构造见图2-11，其有关尺寸已形成原则。g. 地脚构造 地脚板构造如图2-12，其中过孔直径28，螺孔尺寸为M24，且已形成原则。 若Base较矮需加装支腿时，其构造见图2-13。图2-12 图2-13h. 若使用方管、矩形管焊合构造件及Base时，应预先加工出气孔，以免气体受热膨胀，引起不必要变形。i. Base基准槽 基准槽位置应优先选用车线数值100整倍数，另一方面选用车线数值50整倍数。对于小型Base，基准槽可贯通，对于大型Base其基准槽可断续，（见图2-14）此外在设计Base钻孔图时，尽量避免将孔打入基准槽内。见图2-15图2-14 图2-15 j. 为避免Lifter及个别Post上气缸与Base干涉，应提前在Base板上开出相应孔，这些孔位置及尺寸应标示在Base焊接图中，以便在机加工前将孔切割出来，特别当Post气缸底部与Base面间隙不大于25mm或沉入Base面板如下时，其开孔尺寸见图2-16及图2-17，当该Post周边有其他夹紧单元时，其开孔尺寸酌情而定。 图2-16 图2-17k. 对于旋转Base，为减小其转动惯量，普通只在有Post部位铺以钢板，其他部位做镂空解决。 此外，旋转Base如无特殊状况，其拐角部位做倒角解决，（见图2-18）以减小其回转半径。图 2-18l. Base Link及联接板 当焊接线含输送机构时，为不使各单一夹具，因输送力作用而产生偏移，需用Base Link将各单一Base联接起来形成一种刚体，Base link普通采用100X100方管或100X150矩形管焊合而成，其构造形式如图2-19，其与Base间尺寸链见图2-20。联接板作用是将Base与Base Link联接起来，现已形成原则件见图2-21。 图2-19 图2-21图2-20三 L板及H腿 L板是固定在Base或H腿上，用以联接支板、夹紧臂及定位块等专用支座。其高度自100mm至500mm间，每隔50mm划分为2类9种规格，已形成原则。见图3-1及3-2。 图3-1 图3-2此外，在特殊场合为减小尺寸或减轻重量，可将L-Plate与支板作为一体或采用其他形式。见图3-3及3-4。 图3-3 图3-4 在车身线及侧围线上因采用了输送机构，工件与Base面间尺寸往往较大，此时就需在L-Plate及Base间采用一种过渡支撑架H腿。当前H腿高度自400mm1000mm间划分为4类12种规格。且已形成原则件。见图3-5及3-6 图3-5 图3-6四 支板 当前，支板只将定位面与L-plate联接起来，其自身并不直接定位工件（个别状况例外）， 支板所用材料为Q235-A，根据合同及技术合同其厚度分为16mm及19mm两种规格。见图4-1图4-1 当支板尺寸过大时为减轻重量，可开孔解决，见图4-2；或将该Post分为两个，见图4-3。去除 图4-3图4-4图4-2此外，为使气缸摆动灵活，其吊耳处，应为图4-4构造。当Post上定位块 A、B面间斜角不不大于10时，或夹紧臂上装有斜Locate pin时，在支板及L-plate间需采用斜铁，其尺寸标注见图4-5。图4-5图5-1 图5-2 图5-3五 夹紧臂1. 夹紧臂夹紧力 普通Post中夹紧臂夹紧力不得不大于30kgf，当Post为双级夹紧臂时，第一级气缸直径为63，第二级气缸直径为50。（图5-1）此外，当Post为双夹紧臂且分为支板和夹紧臂时，支板侧气缸直径为63，夹紧臂侧气缸直径为50。见图5-2普通状况下（图5-2）尺寸A=60，系统压力为0.5MPa，气缸效率为80%时，夹紧臂夹紧力如下表所示：缸径（mm）气缸力（kgf）B/A5078.52.5631254.2802002.8 此外，对于汽车车架类夹具由于其板厚较 大，需要夹紧力在5080kg以上。此时，气缸直径应为63或80。2. 夹紧臂启动角度： 为以便装卸工件，必要保证夹紧臂有一定启动角度，普通而言，夹紧臂打开后来，其与工件间隙沿搬运方向投影不不大于30mm，见图5-3。3. 使用气缸夹紧时应注意几种问题：a. 为保证夹紧，不能将气缸行程所有使用出来，应保存510mm余量。例如：额定行程为75mm气缸使用70mm作为实际行程，保存5mm以保证有效夹紧。b. Hinge Pin在高度方向位置应在实际行程1/2高度以保证气缸在运动过程中摆动均匀，且两个极限位置姿态一致。见图5-4。c. 气缸底部距Base面间隙不不大于25mm，气缸摆动极限位置应在图中表达，其与也许发生干涉部位距离不得不大于15mm。见图5-5。d. 当气缸行程较大时，应注意夹紧臂与气缸头结合处，以免干涉见图5-6。图5-4 图5-5e. 见图5-6，当A100时B取25；当100A150 时B取30；当150A200时B取35；但当夹紧臂上有定位销时，为便于固定支座，尺寸B可酌情而定。此外对于地板本体等夹具，由于夹紧臂过长，不便用钢板制作，应用矩形管制作夹紧臂，既有刚性，重量又轻。但当夹紧臂过长时打开后会导致取件困难，此时可将夹紧臂只打开一定角度，然后将夹紧臂横向转出，见图5-7。图5-6图5-74. 夹紧臂上工艺孔：夹紧臂较长时为加工以便，普通开有工艺孔，工艺孔位置及尺寸见图5-8。 图5-8为便于加工工艺孔，其孔距及孔径应优先选用附表二所给数据。 5. 若该工位为弧焊夹具，则整个POST除气缸及L-PLATE外都需镀铜解决。六 定位块 为便于调节，我公司制造焊接夹具广泛采用了定位块。1. 种类定位块毛坯已成原则件：依高度划分为三种规格50mm、70mm、90mm；依宽度又可划分为两种规格16mm、19mm；依种类又可分为四种见图6-1。 图6-1关于定位块详细应用实例因过于繁杂，在此不作赘述。 图6-22. 材料：普通定位块毛坯材料为45#钢精密锻造且表面发黑解决，形面加工后表面高频淬火HRC3235，但当定位块与外板等覆盖件直接接触时，为避免划伤工件表面其材料为尼龙，厚度为22，为防止其转动普通在支板或夹紧臂上加工止口。见图6-2七 垫片及Side Plate垫片普通与定位块配合使用，为防止个别定位块旋转，需加装Side Plate见图7-1。图7-1 图 7-21. 厚度 垫片厚度有两种规格t=0.5mm及1.0mm普通而言一组垫片厚度为3mm，由四片构成即（0.5+0.5+1.0+1.0=3mm），见图7-2； 宽度垫片宽度分为两种规格16mm及19mm；长度垫片长度重要采用两种规格，见图7-3。图7-3图7-4上述垫片已经形成原则件，详细规格及尺寸详见原则件图册（因夹具出厂时均已通过三坐标检测，而在现场又需要调节夹具时，加减垫片要做详细记录）Side Plate（见图7-4）已形成原则件。八 Locate Pin为使焊接件在夹具中可以准拟定位，便于焊接，焊接夹具大量采用了定位销Locate Pin，普通来说每一种焊接件均需采用两个Locate Pin定位。定位孔选用一方面应以甲、乙双方确认过基准孔，另一方面应采用工件上精度较高孔，最后采用螺孔并且间距尽量大，而当两孔间距过大时，其中一孔应采用菱形销。此外，从分总成夹具至总成夹具应尽量采用相似基准孔，以免导致基准不重叠误差。1. 定位销设计a. 定位销直径及公差；原则上定位销直径应比工件相应孔减0.2mm，同步定位销公差为d0-0.02。当不得已采用螺孔时定位销直径应采用下表：螺柱公称直径 dM5M6M8M10M12M16精定位孔内径D6.28.210.212.2粗定位孔内径D6.48.510.412.5b. 定位销长度：原则上定位销有效长度应伸出工件58mm。见图8-1图8-1图8-2其长度普通为15mm、20mm、25mm三个系列，且尽量选用长度不不大于20长销。c. 定位销装配。原则上优先选用A型销，当构造所限用A型销定位有困难时，才用B型销见图8-2;； 当定位销直径D32mm时，销固定方式见图8-3;当定位销直径D7mm时，为保证定位销刚性，有效长度L普通取1520mm不适当过长，但为防止工件与Bracket发生干涉，定位销构造见图8-4；图8-4图8-3d. 定位销材料及硬度：定位销材料普通为45#钢，前部高频淬火；硬度为HRC4245，发黑解决；e. 定位销前端形式：如不必特殊规定定位销前端见图8-5。而当有特殊规定期，其前部可做成图8-6形式；f. 定位销装配公差：见图8-7及8-8。图8-5 图8-6 图8-7 图8-8 2. 定位销形式定位销普通分为固定式和滑动式，其中滑动式又分为手动滑动和气动滑动两种形式。a. 固定式（见图8-9）；b. 手动滑动式（见图8-10）；c. 气动滑动式分为单销机构及双销机构（见图8-11），其行程为30mm，已形成原则当需较大行程时可采用图8-12构造；图8-9 图8-10图8-11 图8-123. 定位销设计时应注意问题：a. 应注意定位销支座与工件干涉，见图8-13；b. 定位销直径D32mm时，其四周应削平，以便于工件装卸，见图8-14；图8-13图8-14c. 当定位孔为长孔时，可同步使用两圆销定位，但要布置得当见图8-15；d. 当单独使用定位销时，可将其固定于支架上，支架可用40X40方管焊接而成。见图8-16；图8-16图8-15e. 当工件定位孔倾斜时（含螺纹孔），应做其在水平面投影，该投影为一近似椭圆，当其长短轴D-d0.2mm时，可选用普通定位销。而当其D-d0.2mm时，应考虑采用伸缩销；f. 空中点处尺寸标注，定位销在倾斜使用时如图8-17所示，如果仅对P点标注，在加工及测量中因P点为空中虚拟点不便标注及测量，因而必要如图所示在Q点处标注尺寸，P点作为参照；图8-17g. 采用滑动式定位销及直线导轨、直线轴承时，应考虑焊渣飞溅及粉末因素，滑动某些应加装防护套(见图8-18)。并且滑动式垂直定位销为防焊接飞溅及垃圾积存而被卡住，设计时要使定位销端面比工件端面高。图8-18九 Bracket为使定位销两向可调，我司广泛采用了Pin Bracket及Key。当前依长度不同将Bracket分为80和100两个系列（见图91），同步每个系列内部又因定位销及安装形式划分为A、B、C、D、E五个型号，见图92及93，当前上述Bracket均已纳入原则，当定位销单独使用时见图816。此外，为避免Bracket与工件干涉，可将原则定位销加长，但加长时应注意其强度，见图94。图91 图94图92图93十 Hinge Pin及Link1. Hinge Pin及Link基本构造，如图101，尺寸A普通选为60，特殊状况可变化。图101 图102 2. Hinge Pin位置拟定拟定Hinge Pin位置在Post设计中非常重要，应充分考虑如下几种方面：a. 夹紧臂在旋转中与否有干涉现象，见图102；b . 带定位销夹紧臂，Hinge Pin位置应与定位孔位置在一种平面内（为使Hinge Pin在支板板上钻孔位置为整数，Hinge Pin详细位置可做微调），以保证定位销可安全退出，见图103；图103 图104c. 为保证夹紧臂夹紧力在30Kg以上，以及夹紧臂打开时，能保证工件正常装卸时，Hing pin所处位置。d. 手动夹紧臂见图104，A轴位置拟定与Hinge pin位置拟定办法相似。 3. Hinge pin种类原则Hinge pin直径为 16，根据支板厚度不同，当t=16时A34而t=19时A37（见图105），普通状况下与Hing pin 成套使用Bush外径D18，但有时因夹紧臂过重或双级夹紧臂中第一级，Bush外径为D=22。图105 图1064 . 其他Hinge pin在某些非原则旋转机构中需采用特殊Hinge pin时，其构造及尺寸见图106及附表；5. Link种类Link当前已经形成原则系列，见图107，应优先选用L40Link.。图107 十一 HLink设计中遇到夹紧臂打开高度受限制且启动角度规定大，或者夹紧臂运动轨迹受限制时，考虑使用HLink.，它与普通Link在使用上有区别，与HLink相配气缸，在运动过程中气缸无摆动，可选用防转架将气缸固定，见图111，普通状况下A60mm，B70mm已形成原则。注意：与HLink挡铁相接触支板侧面一定要加工，且有公差，见图112。 图111 图112十二 Stopper及Carcher为防止压紧力或冲击过大，导致工件变形或划伤工件表面，使用Stopper,而在夹紧臂板厚方向有精度规定期使用Carcher。 1. 夹紧臂上有定位销时，使用单孔Carche，见图121；2. 双级夹紧臂第一级，使用单孔Carche，见图122；图121 图122 3. 当夹紧单元中，A、B面相差不不大于3mm时，使用单孔Carcher，见图123； 4 . 当夹紧臂臂长超过250时，使用单孔Carcher，见图124；图123 图124 5. 当夹紧臂上有定位销且距Hinge pin超过250时，使用双孔Carcher，见图125； 6 . 双级Post且第二级夹紧臂上有定位销时，第一级使用双孔Carcher,见图126；7. 为配合不同支板板厚，Stopper及Carcher均有两种宽度尺寸，其中Carcher还分为单孔及双孔（已形成原则）。此外Stopper及Carcher应尽量远离Hinge pin,以求得最佳定位效果。图125 图126十三 BackBar在外板夹具设计中，为避免焊后留下痕迹影响美观，采用了BackBar，将其放置于外板外侧，焊接时焊枪两个电极分别与外板内侧及BackBar接触，这样就不会在外板外侧留下焊接痕迹，见图131。BackBar应使用导电性能良好且耐磨性较好铬青铜（QCr0.5）材料，BackBar设计时应有一定浮动量，以保证工件定位可靠，当前咱们重要采用螺栓式BackBar，其厚度为10(8)mm，已形成原则。图131十四 Gun Guide（焊枪导向）Gun Guide重要用于如下几种方面：1. 夹具中Post较密集，焊枪难于定位在对的焊点位置；2. 焊点位置及数量有较高规定；3 . 将两个工件焊合时，上面工件完全遮盖了下面工件，无法 迅速，精确地找到焊点位置；设计焊枪导向时，应一方面拟定焊枪，并将其摆放在对的位置之后进行导向设计。注意：焊枪导向应导引电极臂，不要导电极头，见图141。焊枪导向普通用尼龙等绝缘材料制成，用沉头螺钉与支架连接起来 若只导引一种焊点时，见图142；若焊几种焊点且相距不远时，可参见143；尼龙板厚t10mm，其与支架连接孔见图144；支架可与相邻Post连接或此外在Base板上单独做支架。 图141图142 图143 图144十五 工件导向及吊具导向1. 在某些夹具中为便于放入及取出工件，采用了导向装置，见图151，已形成原则。若导向角度较大或导向较长时可做成图示152形式。2 . 为使吊具以便抓取工件，特设立了吊具导向，见图153，已形成原则。图151 图152图153十六 焊枪通过性当夹具在工艺规划时，依照焊点位置、板厚初选了焊枪，夹具在进入建模设计时更要时时注意留出焊枪通道，并且每设计一种Post时就要注意周边焊点及焊枪可达性，当夹具模型所有建成后，要进行焊枪通道检查。 普通而言，焊枪通道是指焊枪与周边Post、工件间间隙，对于有一定深度焊点间隙如图161，而对于边沿上焊点，间隙如图162；对于地板本体类夹具，其地板较大，但所焊合工件较小且都位于居中位置更要注意焊枪通道。对于某些装焊小件工位，因小件工艺性较差，往往一种孔周边并没太多翻边，因而给焊接导致困难，此时焊枪与定位块间隙要酌情而定，但间隙应不不大于5mm见图163。 图161 图162 此外，在设计焊枪时，应尽量使电极头取直，而当焊接有一定困难时才容许使用带一定斜角焊枪，见图164。图164图163当工件较大，基本呈方形，且相对两边有焊点，工艺规划只有一把焊枪时，应考虑采用平面旋转夹具，见图16-5。当工件为一长条形时，夹具设计应考虑焊枪从一种方向进入，此时应预留出足够焊枪通道，见图16-6。当所焊小件有定位销定位，且焊点离定位销较近时，BRACKET应设计成如图16-7形式，不要采用图16-8构造。图167 图168图165 图166十七 磁铁为装夹小工件，采用了磁铁。当工件稍大，可同步放置定位销和磁铁时，可用图17-1构造。注意：此构造一定要加装铜套，用以防止磁铁消磁。而当工件太小，只可以一种定位销和止口定位时，可用图17-2构造，但此构造尽量少用。上述两种构造都已形成原则。 图171 图172十八 铜排及电缆安装方式1. 当夹具装有自动焊枪时，就必然安装有变压器，变压器与主铜排间以及主铜排与辅铜排电缆间均有联接与绝缘问题。a. 变压器与主铜排间 见图18-1b. 主排与辅排间 见图18-2 图181c. 铜排之间 见图18-3d. 铜排与支座间 见图18-4 e. 焊枪与铜排间 见图18-5图182 图183 图1842. 对于某些人工不易到达焊点，往往采用预埋焊枪方式。铜排与焊枪联接后，人工用焊枪在铜排上打点，实现焊接，见图18-5及18-6，被焊枪打点铜排，材料为铬青铜（QCr0.5）。主铜排与辅铜排材料为紫铜（T2）。在设计铜排时，应尽量缩短铜排长度以减少电流损耗。如无特殊规定铜排宽度为40mm。图185 图186十九 旋转机构 为便于焊接涂胶等操作，诸多夹具都配有旋转机构，其重要分为两种类型，水平面内旋转机构及竖直面内旋转机构。1. 水平面内旋转机构当前共有两种，普通型（图19-1）及加重型（图19-2），都已纳入原则。图19-1 图19-2为减小转动惯量，旋转Base普通采用镂空方式且四周倒大角，当工件超过Base面时，为防止工件在旋转中划伤操作者，可用圆管做一防护架，见图19-3。2. 竖直面内旋转机构，由于当前采用设计软件普遍具备计算质量中心功能，因而竖直面内旋转机构当前只采用图19-4形式，该形式便于加工且操作以便但应注意如下两点：a. 拟定旋转某些重心时，必要将气缸删除后再计算；b. 审核工件及Post在旋转过程中与机构梁及拉杆干涉问题。图19-3 图19-4二十 举升机构 当某些工件因定位销孔较多，或工件本体较大，焊接完毕后难以手工取出时，采用了举升机构。原则举升机构如图20-1所示，为单气缸双导向杆构造，导向杆直径30，气缸直径分为63，80，100，125四个系列，其中80及100两种系列最为惯用，已纳入原则；当工件较小或其为一长条形状时，应采用单导向杆构造，如图20-2；当空间较为紧凑时可采用图20-3所示构造；而当导向精度规定不高时，也可采用图20-4所示构造。设计举升机构时应注意如下几点：1. 当举升机构所举工件较大时，举起后导向杆应加装限位装置且气缸行程应留有10mm余量，以防工件举起后摇晃，见图20-5；2. 举升机构与工件间应留有50左右空行程，见图20-6。对于地板，侧围等中间有焊点夹具，举升机构应注意避让焊枪，见图20-7及图20-8。图20-1 图20-2 图20-3 图20-4图20-5 图20-6 图20-7 图20-8