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1－1；有时，汽车生产厂家也可自行规定基准点及坐标系位置。
图1－1

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1－2，其中α≤45º

图1－2

2. 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1－3

图1－3

3. 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=30~40mm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2-5

2. Base尺寸与所使用型钢型号关系表：
BASE尺寸
800X1200
800X1200
|
1000X1600
1000X1600
|
1500X
1500X
|
X3200
X3200
|
3000X4000
3000X4000
|
3500X5000
上面板t1
20
20
20
20
20
25
下面板t2
15
15
15
20
20
20
槽钢型号
C10
C12
C14
C16
C20
C25b
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700mm~900mm，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2-7

b. 槽钢接口 见图2-8

图2-9
图2-8

c. 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Ф28，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2-13
h. 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2-17

k. 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 2-18

l. 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400mm~1000mm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Ф63，第二级气缸直径为Ф50。（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Ф63，夹紧臂侧气缸直径为Ф50。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/A
50
78.5
2.5
63
125
4.2
80
200
2.8

此外，对于汽车车架类夹具由于其板厚较 大，需要夹紧力在50～80kg以上。此时，气缸直径应为Φ63或Φ80。

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5～10mm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5-5
e. 见图5-6，当A≤100时B取25；当100≤A≤150 时B取30；当150≤A≤200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5-7

4. 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6-2

2. 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HRC32~35，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 7-2

1. 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 d
M5
M6
M8
M10
M12
M16
精定位孔内径D

Ф6.2
Ф8.2
Ф10.2
Ф12.2

粗定位孔内径D

Ф6.4
Ф8.5
Ф10.4
Ф12.5

b. 定位销长度：原则上定位销有效长度应伸出工件5~8mm。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D≥32mm时，销固定方式见图8-3;
当定位销直径D≤7mm时，为保证定位销刚性，有效长度L普通取15~20mm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8-3

d. 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HRC42~45，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8-12

3. 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D≥32mm时，其四周应削平，以便于工件装卸，见图8-14；

图8-13
图8-14

c. 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8-15

e. 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-d≤0.2mm时，可选用普通定位销。而当其D-d≥0.2mm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8-17

g. 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9－1），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9－2及9－3，当前上述Bracket均已纳入原则，当定位销单独使用时见图8－16。
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9－4。

图9－1 图9－4

图9－2

图9－3

十 Hinge Pin及Link
1. Hinge Pin及Link基本构造，如图10－1，尺寸A普通选为60，特殊状况可变化。
图10－1 图10－2

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10－2；
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10－3；

图10－3 图10－4

c. 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10－4，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Φ 16，根据支板厚度不同，当t=16时A＝34而t=19时A＝37（见图10－5），普通状况下与Hing pin 成套使用Bush外径D＝18，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10－5 图10－6

4 . 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10－6及附表；
5. Link种类
Link当前已经形成原则系列，见图10－7，应优先选用L＝40Link.。

图10－7

十一 H－Link
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H－Link.，它与普通Link在使用上有区别，与H－Link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11－1，普通状况下A＝60mm，B＝70mm已形成原则。
注意：与H－Link挡铁相接触支板侧面一定要加工，且有公差，见图11－2。 图11－1 图11－2
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12－1；
2. 双级夹紧臂第一级，使用单孔Carche，见图12－2；

图12－1 图12－2

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12－3；
4 . 当夹紧臂臂长超过250时，使用单孔Carcher，见图12－4；

图12－3 图12－4
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12－5；
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12－6；
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12－5 图12－6
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13－1。
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13－1
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14－1。
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14－2；若焊几种焊点且相距不远时，可参见14－3；尼龙板厚t＝10mm，其与支架连接孔见图14－4；支架可与相邻Post连接或此外在Base板上单独做支架。 图14－1

图14－2 图14－3 图14－4

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15－1，已形成原则。
若导向角度较大或导向较长时可做成图示15－2形式。
2 . 为使吊具以便抓取工件，特设立了吊具导向，见图15－3，已形成原则。

图15－1 图15－2

图15－3
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16－1，而对于边沿上焊点，间隙如图16－2；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16－3。 图16－1 图16－2
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16－4。
图16－4
图16－3
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16－7

图16－8
图16－5 图16－6

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17－1 图17－2

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18-1
b. 主排与辅排间 见图18-2
图18－1
c. 铜排之间 见图18-3
d. 铜排与支座间 见图18-4
e 焊枪与铜排间 见图18-5

图18－2 图18－3 图18－4

2. 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18－5 图18－6
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Φ30，气缸直径分为Φ63，Φ80，Φ100，Φ125四个系列，其中Φ80及Φ100两种系列最为惯用，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