作者：王纯祥 主编
出版社：化学工业出版社
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焊接工装夹具设计及应用试读：
前言
焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接，保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。在焊接生产过程中，焊接所需要的工时较少，而约占全部加工工时的2/3以上的时间是用于备料、装配及其他辅助的工作，极大地影响着焊接的生产速度。为此，必须大力推广使用机械化和自动化程度较高的装配和焊接装备。
焊接变位机械装备是通过改变焊件、焊机或焊工空间位置来实现机械化、自动化焊接的各种机械装置。焊件移动装置包括焊接变位机械、滚轮架、回转台和翻转机等；焊机变位装置包括焊接操作机、电渣焊立架等；焊工升降台是改变工人空间操作位置的机械装置。
众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射性大而高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以改善焊接质量和提高焊接效率。但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，可以使焊枪的空间和姿态调至任意状态，以满足不同位置及不同接头形式的焊接需要。
为配合焊工或机器人能够快速高质量地焊接，需要提供优质可靠的焊接工装夹具，如何正确而经济地设计这些装备，这也是不少企业面临的一个难题。《焊接工装夹具设计及应用》一书自2011年5月出版，颇受广大读者与使用者的认同与欢迎。但是由于该书有些内容是20世纪80～90年代的，因此无法适合当前社会的需要。这些年来，国内外的焊接工装及夹具有了长足的进步，特别是随着时代的变化、应用型教育的突出，都促使本书要作修订，以适应教材与时俱进的要求。
第二版的《焊接工装夹具设计及应用》内容反映了当前焊接工装夹具及装备的应用现状，与第一版比起来，增加和充实了不少新内容，但从实际要求看，仍存在许多没有回答的问题和欠缺，需待新的研究展开，并取得一定成果后再行补上。
本书可作为高等工科院校焊接技术与自动化专业、材料成形及控制工程专业的教材和专业课程设计以及毕业设计参考书，也可供相关专业师生和从事焊接工装夹具设计的工程技术人员、管理人员和操作人员使用。
向所援引文献的作者表示诚挚的谢意，这些文献的内容充实了本书的内容，帮助编者完成修订工作，也推动了焊接技术的发展。
由于编者水平有限，不妥之处在所难免，欢迎读者不吝指正。编 者绪论一、焊接工装的组成与分类
现在，随着科学技术的和生产水平的进步，焊接结构正朝着超大型、高容量、高参数、耐磨、耐蚀、耐低温、耐动载的方向发展。除提供质量更高、性能更好的各种焊机、焊接材料和制定正确的焊接工艺外，还要求提供各种性能优异的焊接机械装备，使焊接生产实现机械化和自动化，减少人为因素干扰，达到保证和稳定焊接质量、改善焊工劳动条件、提高生产率、促进文明生产的目的。焊接机械装备的分类见表0-1。表0-1 焊接机械装备的分类
从使用范围来分，焊接机械装备又分为通用和专用两大类。
本书所讲述的内容，重点介绍通用焊接机械装备，适当讲解专用焊接机械装备。其中，着重从焊接结构、焊接工艺的角度来阐述对焊接工装夹具和焊接变位机械的性能、设计及使用要求，以达到正确设计和选用焊接机械装备的目的。二、焊接工装的作用
焊接工装的主要作用有以下几个方面。
① 准确、可靠的定位和夹紧，可以减轻甚至取消下料和划线工作，减小制品的尺寸偏差，提高零件的精度和互换性。
② 有效地防止和减轻焊接变形，从而减轻焊接后的矫正工作量，达到减少工时消耗和提高劳动生产率的目的。
③ 使工件处于最佳的施焊部位(平焊、船形焊)，焊缝的成形性良好，工艺缺陷明显降低，可获得满意的焊接接头，焊接速度得以提高。
④ 以机械装置代替手工装配零件部位时的定位、夹紧及工件翻转等繁重的工作，改善工人的劳动条件。
⑤ 可以扩大先进工艺方法的使用范围，促进焊接结构的生产机械化和自动化的综合发展。
总之，焊接机械装备对焊接生产的有利作用有：保证焊接质量、提高焊接生产率、改善工人的作业条件、实现机械化及自动化焊接生产过程。因此，无论在焊接车间还是在施工现场，焊接机械装备已成为焊接生产中不可缺少的装备之一，从而获得了越来越广泛的应用。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如下。
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。而机床夹具对工件的定位和夹紧是一次性的。
② 焊件在工装中比机加工零件在机床夹具中所受的夹持力小，而且不同零件、不同部件的夹持力也不相同。在焊接过程中，为了减少焊接应力，又允许某些零件在某一方向是自由的。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(如齿轮、轴承)而使其烧坏，需要对某些部位进行绝缘。
④ 焊接工装要与焊接方法相适应，不同焊接方法对工装的具体要求是不一样的。
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地依赖于冲压件外形来定位。
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点，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。四、焊接机械装备的设计原则和应注意的问题
焊接机械装备的设计原则与其他机械的设计原则一样，首先必须使焊接机械装备满足工作职能的要求，在这个前提下还应满足操作、安全、外观、经济上的要求。也就是说，应该按照适用、经济、美观的原则来设计焊接机械装备。
根据这一原则设计焊接机械装备时，先根据工作职能要求，确定装备的工作原理，选择工作机构和传动方式(液压、气动、磁力、电力、机械)，然后在运动分析的基础上进行动力分析，确定机构各部分传递的功率、转矩和力的大小，根据这些数据和使用要求进行强度、刚度、发热、效率等方面的计算或校核，使设计出的装备能在给定的年限内正常工作。
另外，在考虑满足职能要求的同时，要注意取得较好的经济效果，使设计出的装备成本低，动力消耗及维修费用少，能满足给定的生产效率。
装备的经济性可按式(0-1)进行评估。A+W+F+J/N A,W,F——未采用装备进行装配、焊接、机械加工工序的费用；000 J——装备制造费用； N——采用装备制造的焊件数。 只有满足式(0-1)，焊接装备的制造和使用才有经济性。但是否符合低成本自动化的要求，还要考虑使用装备后所发生的连带效益，一并计入才对。 设计方案的好坏，对装备的技术、使用性能以及经济上的合理性有着至关重要的作用，为此，要慎重地确定设计方案(对重要装备，从方案的论证分析到最后确定，一般要占设计时间的1/3左右)，要注意整体结构的合理性和动作的协调性，装备的零件要有良好的加工工艺性能，要合理地选用原材料，尽量采用标准化的零部件等。 最后，要特别注意操作简便、安全、可靠。对一些外露的运动部件(齿轮、轴承、链条等)，要有防护设施，尽量减少各种危险因素。对于大型的焊接装备还要考虑通风、防尘、防辐射等设备的配置，尽量减少影响焊工身体健康的危害因素。 以上是焊接机械装备设计的一般原则。但在具体进行设计时，由于焊接机械装备的特点，还应处理好以下问题。 ① 在焊接过程(焊条电弧焊、CO焊接)中，往往会有熔融金属的2飞溅，因此设计时，应使整个设备具有较好的密闭性，特别是定位基面、滑道、传动机构(如齿轮、链条、轴承)等应有可靠的防护。接近焊接部位的夹具，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅物对夹紧机构和定位器表面的损伤。一些定位和安装基面无法密封时，应布置在飞溅区之外或者在施焊部位采取相应的遮挡措施。 ② 焊接机械装备往往是焊接电源二次回路的组成部分，因此施焊时，在装备上各传动机件的啮合处容易起弧，特别是当焊接机械装备边运转边施焊时，起弧现象更易发生。为了避免因起弧而发生工件表面的烧损，应设法使二次回路的一端从离焊件最近的地方引出，避免焊接电流从装备的周身流过。对于要求边施焊边运转的焊接机械装备，还应设置专用的导电装置。 ③ 在焊接机械装备的传动系统中，应具有反行程自锁性能，为此，在焊接工装夹具、焊接变位机械、焊件输送装置的传动系统中必须设有一级具有自锁性能的传动。这样做，不仅有利于安全操作，而且有利于装备的定位和节能。 ④ 焊接过程也是焊件局部受热的过程，为了减少装备因受热而引起的变形，装备本身应具有较好的传热性能，应能将焊件上的热量尽快传递出去。 ⑤ 焊接装备应具有良好的通风条件，能使焊接烟尘很快地散走。为此，在大型的焊接机械装备上，应安装通风设备或抽气罩，有条件的还可以进行整体厂房的换气。 ⑥ 焊接装备的结构形式应有利于将积聚在其上的焊渣、焊剂、金属飞溅物、铁锈等杂物方便地清除出去。 ⑦ 焊接装备不能影响施焊工艺的实施，要保证焊接机头或焊枪有良好的焊接可达性。 ⑧ 焊接机械装备上的夹紧机构，不能由于焊接变形产生的阻力而使夹紧机构松夹时不能复位。 ⑨ 当设计用于厚大件的焊接装备时，为了避免在起弧处产生未焊透，收弧处出现气孔、收缩裂纹等缺陷，应注意在焊缝始末端分别设置引弧板和引出板(如埋弧自动焊)。 ⑩ 设计焊接机械装备的控制系统时，应处理好焊件启动、停止与焊机起弧、收弧的顺序关系(如在滚轮架上焊接环缝时)。这些问题对每种装备来说也不尽相同，上述注意事项，仅是设计大多数焊接机械装备时应注意的共性问题。五、焊接工装与焊接生产过程低成本机械化和自动化 随着工业机器人价格的不断降低和性能的不断提高，劳动力成本也一直在不断上升，尤其是汽车业的快速发展，我国工业机器人应用情况将发生质的变化。 据统计，“九五”期间，我国工业机器人的需求量以每年30%以上的速度快速增长。截至2009年末，我国工业机器人安装量为36800台。根据国际机器人联合会和美国国家机器人协会最新推测数据，2012年我国工业机器人年安装台数将达10000，届时安装量将达60400台。 在机器人应用工程方面，世界各国主要行业对工业机器人的需求分布及应用类型见图0-1、图0-2。图0-1 2005年全球主要行业对工业机器人的需求分布 其中，焊接机器人占有的比重较大(图0-2)，它作为主要装备，在机械化、自动化生产线上，焊接柔性加工单元中，得到了广泛应用。但从全局来看，焊接机器人并不是实现焊接机械化、自动化的唯一手段。因为目前生产上使用的焊接机器人许多是示教再现型的，特别是弧焊机器人对焊件的尺寸精度、装配精度要求很高，并需要很强的调试维修力量。另外，有了机器人，还需要有上下工序和相应设备的配合。若缺少控制水平较高的外围设备，机器人的自动化作用和效益就不能充分发挥。图0-2 2005年全球工业机器人应用类型分布 只有形成一个以机器人为核心的焊接自动化生产系统(或工作站)才能真正达到使用机器人的目的。这样一个系统，往往投资很大，一般小型工厂难以承受。另外，从工作职能来看，用电弧焊完成的焊接结构中，大多数是很有规则的角焊缝和对接焊缝，其中直线焊缝占70%，圆环焊缝占17.5%，复杂的空间曲线焊缝很少(图0-3)，这就为不用昂贵的焊接机器人而用一些价格较低、结构不太复杂而又有一定控制水平的机械装备实现焊接作业机械化、自动化提供了可能。图0-3 焊接结构焊缝的构成比例(按焊缝长度计算) 例如，装有焊接机头的操作机与焊接滚轮架、焊接变位机等焊件变位机械相配合，在一定范围内仍可实现焊接作业的机械化、自动化，而设备本身也有一定工作柔性，工艺适应性比较宽。 根据我国学者林尚扬工程院院士的观点，焊接低成本自动化有两方面的含义：技术方面和经济方面。从技术方面看，弧焊过程低成本自动化应包括表0-2所列的技术内容，焊接装备只要包括表0-2中的一部分内容，并组成一套能完成某种机械化或自动化焊接操作的设备，即可认为具有低成本自动化的技术内容。表0-2 低成本机械化自动化所包括的技术内容 从表0-2看出，所列内容很广泛，从最简单的机械化过程到较复杂的自动化过程都包括在内。至于表0-2中所列的机器人是否是低成本自动化的技术内容，国内外意见并不一致。由于焊接机器人价格昂贵(2.5万～7万美元)，所以在目前，特别在第三世界国家还不适合列入低成本自动化的技术内容之中。 低成本自动化经济方面的含义是：“凡投资能在三年内回收的可考虑属于低成本”。根据林尚扬的意见，在计算效益时，除把生产过程降低物耗和工耗作为计算依据外，还应考虑： ① 提高产品质量所带来的效益(如企业声誉及销售量等)； ② 减少返修量的效益； ③ 增加产量在新增利润中的份额； ④ 减少工伤、降低劳动强度、改善劳动环境的长远效益； ⑤ 选用低技术级别操作工取代高级别熟练焊工的效益。 与世界先进工业国家相比，我国是发展中国家，低成本自动化适合我国国情，是当前我国焊接技术改造的主攻方向。因此，研制和推广使用焊接机械装备，提高焊接机械装备的质量与技术水平，增加品种规格，是我国焊接工程技术人员面临的主要任务之一。第一章 焊件的定位原理及定位器设计第一节 焊件的定位原则一、六点定则原理 在进行装焊作业时，首先应使焊件在夹具中得到确定的位置，并在装配、焊接过程中一直将其保持在原来的位置上。把焊件按图样要求得到确定位置的过程称为定位；把焊件在装焊作业中一直保持在确定位置上的过程称为夹紧。 为了使焊件在夹具中得到要求的确定位置，应先研究一下物体在空间的位置是怎样被确定下来的。一个尚未定位的工件，其位置是不确定的。如图1-1(a)所示，将未定位的工件(长方体)放在空间直角坐标系中，用X、Y、Z三个互相垂直的坐标轴来描述工件位置不确定性。长方体可以沿X、Y、Z轴移动有不同的位置，也可以绕X、Y、Z轴自由转动，共有六个自由度。图1-1 物体的定位 工件要正确定位首先要限制工件的自由度，这六个自由度被消除了，则物体在空间的位置就完全被确定了，所以自由度也是决定物体空间位置的独立参数。 如图1-1(b)所示，如果在XOY面上放一块平板B来支承物体A，这时物体A在这个平面上只能沿OX轴和OY轴移动和绕OZ轴旋转，而不能沿OZ轴移动和绕OX轴和OY轴旋转，否则，物体A将脱离平板B。这说明支承板B消除了物体A的三个自由度。如果再在物体A的XOZ平面上放置两块挡铁1和2[图1-1(c)]，物体A也就不能沿OY轴移动和绕OZ轴旋转了，从而又消除了两个自由度。 最后，只要在物体A的ZOY平面上再设置一块挡铁3，消除物体沿OX轴移动的自由度，则物体A的空间位置就被完全确定下来[图1-1(d)]。 从几何学中知道，三点可以决定一平面，可以用三个定位支承点4、5、6[图1-1(e)]代替图1-1(d)中的支承平板B，同时也把挡铁1、2、3当做定位支承点，从而一个定位支承点平均消除了一个自由度。因此，确定物体的空间位置，就需要按图1-1(e)布置的六个支承点消除物体活动的六个自由度，这种用适当分布的六个支承点限制工件六个自由度的原则称为“六点定位原则”。 由图1-1(e)可知，三个支承点在XOY平面上，两个支承点在XOZ平面上，一个支承点在ZOY平面上。有三个支承点的平面称为安装基面。支承点的分布必须适当，否则六个支承点限制不了工件的六个自由度。在这个面上，三个支承点不能在一条直线上，被支承工件的重心必须落在这三个支承点作为顶点所构成的三角形内。这三个定位支承点之间的距离越远，则安装基面越大，焊件的安装稳定性和相关位置精度就越高，因此，应选择焊件轮廓尺寸最大的表面与安装基面接触。 有两个定位支承点的平面称为导向基面。这两个支承点的连线应平行于安装基面，而且两点间的距离越远越有利于提高安装精度，因此应选焊件尺寸最长的表面与导向基面接触。有一个定位支承点的平面称为定程基面。显然，安装一个定位支承点就不需要很大的面积与长度，因此，通常是选择焊件较小的表面与定程基面接触。二、焊件在夹具中的定位方法 前已述及，在装焊作业中，焊件按图样要求，在夹具中得到确定位置的过程称为定位。焊件在夹具中要得到确定的位置，必须遵循物体定位的“六点定位原则”。但对焊接金属结构件来说，被装焊的零件多是成形的板材和型材，未组焊前刚度小、易变形，所以常以工作平台的台面作为焊件的安装基面进行装焊作业，此时，工作平台不仅具有夹具体的作用，而且具有定位器的作用。 另外，对焊接金属结构的每个零件，不必都设六个定位支承点来确定其位置，因为各零件之间都有确定的位置关系，可利用先装好的零件作为后装配零件某一基面上的定位支承点，这样，就可以简化夹具结构，减少定位器的数量。 为了保证装配精度，应将焊件几何形状比较规则的边和面与定位器的定位面接触，并得到完全覆盖。 在夹具体上布置定位器时，应注意不妨碍焊接和装卸作业的进行，同时要考虑焊接变形的影响。如果定位器对焊接变形有限制作用，则多做成拆卸式或退让式的。而操作式定位器应设置在便于焊工操作的位置上。三、 N-2-1定位原理 汽车工业是各个工业发达国家的支柱产业之一，汽车覆盖件作为汽车结构的重要零部件之一，其焊装方式也由传统的手工焊接发展为流水线、自动化加工方式。焊装夹具设计是决定汽车车身质量的主要因素，据美国汽车工业统计数据，72%的车身误差源于焊装夹具的定位误差。 汽车车身主要由众多冲压部件装配而成，薄壁零件在白车身的装配中占到了70%以上，由于薄壁板件的刚性较差、容易变形，在焊装过程中通常要采用到多点定位夹紧的专用夹具，以保证各个部分在焊接位置上的贴合。由于薄板件柔性较大，在加工载荷下容易变形，在工业生产中可能导致较大的尺寸偏差。 在传统的刚性夹具设计广泛应用的“N-2-1”的定位原理，在“N-2-1”定位原理中，第一基准面所需的定位点数假设为一个大于3的变量N，第二、第三基准面分别设定两个和一个定位点以限制工件刚体运动。这是由于加工载荷和工件自重所引起的变形主要集中在薄板件法线方向，因此第一基准面上采用过定位的方式，以增强薄板件的刚性，限制和减少焊接加工中该方向上的变形；而由于加工过程中所产生的力一般不会作用或者较少作用在第二、第三基准面上，两个和一个定位点一般可以避免薄板件的弯曲和翘曲。同时由于薄板件特殊的几何特性，微小的几何缺陷都可能引起工件在加工过程中产生相对较大的挠度，必须避免在薄板件正反面上同时存在定位点。 针对夹具定位点优化布局问题，已经有研究者提出了优化选择工件定位布局的方法。方法中，以定位点到被加工特征关键点的误差传递系数作为优化目标，采用特征值优化方法，较为真实地反映了优化参数，能够满足各个代加工特征定位精度要求。但是这种方法还是基于传统的“3-2-1”的定位原理，并没有讨论薄板件焊装所需要解决的柔性较大、工件易变形等问题，而且生产实践证明，“N-2-1”定位原理能够较好地满足薄板件焊装加工定位的精度要求，因此本文考虑基于“N-2-1”定位原理进行定位点优化布局分析。 当N=3时，“N-2-1”定位原理就是传统的6点定位原理，“N-2-1”定位原理是在刚体夹具设计基础上，针对柔性易变形工件对6点定位原理的扩展，它对薄板件的焊装夹具设计具有指导作用。第二节 定位方法及定位器与夹具体一、基准的概念 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。根据用途，基准可分为设计基准和工艺基准。 定位基准的选择是定位器设计中的一个关键问题，选择定位器时应注意以下几点。 ① 定位基准应尽可能与焊件起始基准重合，以便消除由于基准不重合造成的误差。 ② 应选用零件上平整、光洁的表面作为定位基准。 ③ 定位基准夹紧力的作用点应尽量靠近焊缝区。 ④ 可根据焊接结构的布置、装配顺序等综合因素考虑。 ⑤ 应尽可能使夹具的定位基准统一。二、焊件以平面定位 工件以平面作为定位基准，是生产中常见定位方式之一，平面定位用定位器常用以下几种。 (1)挡铁 是一种应用较广且结构简单的定位元件。除平面定位外，也常利用挡铁对板焊结构或型钢结构的端部进行边缘定位。 挡铁的形式有：固定式挡铁；可拆式挡铁；永磁式挡铁；可退出式挡铁。 图1-2是常用挡铁的各种形式。图1-2 常用挡铁的各种形式 图1-3是用永磁材料及软钢制成的定位挡铁，可装配铁磁性金属材料的焊接件，特别适用于中小型的板材及管材的装配。图1-3 永磁式定位挡铁 (2)支承钉和支承板 主要用于平面定位。 ① 固定式支承钉[图1-4(a)]，又分为平头支承钉、球头支承钉、带花纹头的支承钉。图1-4 支承钉和支承板 ② 可调式支承钉，用于零件表面未经加工或表面精度相差较大，而又需以此平面做定位基准时选用。 ③ 支承板定位[图1-4(b)]，适用于零件的侧面和顶面定位。 图1-5为可调支承，适用于毛坯分批制造，其形状和尺寸变化较大的粗基准定位。也可用于同一夹具加工形状相同而尺寸不同的工件，或用于专用可调整夹具和成组夹具中。图1-5 可调支承 图1-6为自动调节支承，未装入工件前，支承栓在弹簧作用下，其高度总是高于基本支承。图1-6 自动调节支承三、焊件以圆孔定位 焊件以圆孔为定位基准，也是生产中常见的定位方式之一。利用零件上的装配孔、螺钉或螺栓孔及专用定位孔等作为定位基准时多采用定位销定位。定位销一般按过渡配合或过盈配合压入夹具体内，其工作应根据零件上的孔径按间隙配合制造。有固定式定位销、可换式定位销、可拆式定位销、可退出式定位销几种。图1-7所示定位销均已标准化(GB/T 2202～2204)。图1-7 定位销 图1-8所示工件以孔缘在圆锥销上定位，圆锥销相当于三个支承点。图1-8 圆锥销四、焊件以外圆柱定位 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，生产中，圆柱表面的定位多采用V形块。V形块上两斜面的夹角α一般选用60°、90°、120°三种，焊接夹具中V形块的两斜面夹角多为90°。有固定式V形块、调整式V形块、活动式V形块几种形式。标准V形块(GB/T 2208)的结构和尺寸见图1-9。图1-9 V形块的结构和尺寸 标准V形块是根据工件定位面外圆直径来选取的，如果需要自行设计非标准V形块，可按表1-1计算图1-9所示有关尺寸。表1-1 V形块尺寸计算 V形块高度H的选取：当用于大直径定位时，取H≤0.5D；小直径定位时，取H≤1.2D。T的计算如下T-H=OE-CEOE=0.5D/sin(α/2)CE=0.5N/tan(α/2)所以T=H+0.5D/sin(α/2)-0.5N/tan(α/2)(1-1) 图1-10所示为间断型V形块，用于较长的工件定位。图1-10 间断型V形块 当零件的直径不定时，最好采用可调节的V形铁，如图1-11所示。图1-11 可调节的V形铁1—底座； 2，3—夹板；4—调节螺杆；5—滑动轴承；6—止动螺钉 当工件需要转动时，V形铁的两个斜面也可用两个滚轮或长辊轴来代替，如图1-12(b)所示，这样可以减少定位面的磨损。图1-12 工件的准定位五、组合表面的定位 以工件上两个或两个以上表面作为定位基准时，称为组合表面定位。 例如，图1-13所示为采用工件的部分外形组合定位。图1-14所示为定位样板，它是利用工件的轮廓进行定位，装配迅速，图1-14(a)的样板用于确定圆柱体的位置，图1-14(b)的样板用于确定筋板的位置及垂直度。图1-13 工件以部分外形定位图1-14 定位样板六、型面的定位 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，这就是型面定位。如图1-15所示，图中托板1和2确定了工件3的位置和形状，托板2上的凹槽是为了减少夹具与工件的接触面积及作为工件变形的补偿，同时还可以减少型面的加工量。例如汽车车门的装焊胎具也是采用型面定位，如图1-16所示。图1-15 型面定位图1-16 汽车车门装焊胎具七、定位器 定位器是保证焊件在夹具中获得正确装配位置的零件或部件，又称定位元件和定位机构。定位器的结构主要有挡铁、支承钉、定位销、V形铁、定位样板五类。挡铁[图1-17(a)]和支承钉[图1-17(b)]用于平面的定位，定位销[图1-17(c)]用于焊件依孔的定位，V形铁[图1-17(d)]用于圆柱体、圆锥体焊件的定位，定位样板[图1-17(e)]用于焊件与已定位焊件之间的给定定位。定位器可做成拆卸式的[图1-17(f)]、进退式的[图1-17(g)]和翻转式的[图1-17(h)]。图1-17 定位器 对定位器的技术要求有耐磨度、刚度、制造精度和安装精度。在安装基面上的定位器主要承受焊件的重力，其与焊件的接触部位易磨损，要有足够的硬度。在导向基面和定程基面上的定位器，常承受焊件因焊接而产生的变形力，要有足够的强度和刚度。 如果夹具承重很大，焊件装卸又很频繁，也可考虑将定位器与焊件接触而易磨损的部位做成可拆卸或可调节的，以便适时更换或调整，保证定位精度。 定位器的工作表面在装配过程中与被定位零件频繁接触且为零部件的装配基准，因此，不仅要有适当的加工精度，还要有良好的耐磨性(表面硬度为40～65HRC)，以确保定位精度的持久性。夹具定位元件可选用45、40Cr等优质碳素结构钢或合金钢制造，或选用T8、T10等碳素工具钢制造，并经淬火处理，以提高耐磨性。 对于尺寸较大或需装配时配钻、铰定位销孔的定位元件(如固定V形块)，可采用20钢或20Cr钢，其表面渗碳深度0.8～1.2mm，淬硬达54～60HRC。但是，如果V形块作为圆柱形等工件的定位元件，且在较大夹紧力等负荷下工作时，即使V形块的尺寸较大，也不宜采用低碳钢渗碳淬火，否则可能因单位面积压力过大，表硬内软而产生凹坑，此时仍以选用碳素工具钢或合金工具钢制造为宜。 定位方案的设计，不仅要求符合定位原理，而且应有足够的定位精度。不仅要求定位器的结构简单、定位可靠，而且应使其加工制造和装配容易。因此要对定位误差大小、生产适应性、经济性等多方面进行分析和论证，才能确定出最佳定位方案。八、夹具体 夹具体是在夹具上安装定位器和夹紧机构以及承受焊件重量的部分。 各种焊件变位机械上的工作台以及装焊车间里的各种固定式平台，就是通用的夹具体，在其台面上开有安装槽、孔，用来安放和固定各种定位器和夹紧机构。 在批量生产中使用的专用夹具，其夹具体是根据焊件形状、尺寸、定位及夹紧要求、装配施焊工艺等专门设计的。如图1-18所示，是一种年产1万台件的装焊拖拉机扇形板的工装夹具，其夹具体就是根据焊件(图中双点画线所示)形状尺寸、定位夹紧要求由型钢和厚钢板拼焊而成的结构。夹具体上安装着定位器总成以保证零件2相对零件1的垂直度和相对高度。零件定位后，用圆偏心-杠杆夹紧机构夹紧，以保证施焊时零件的相互位置不发生改变。图1-18 扇形板装焊夹具1—圆偏心-杠杆夹紧机构；2—定位器总成；3—夹具体 对夹具体的要求是：有足够的强度和刚度；便于装配和焊接作业的实施；能将装焊好的焊件方便地卸下；满足必要的导电、导热、通水、通气及通风条件；容易清理焊渣、锈皮等脏物；有利于定位器、夹紧机构位置的调节与补偿；必要时，还应具有反变形的功能。 通常，作为通用夹具体的装焊平台多为铸造结构，而专用夹具体多为板焊结构。第三节 焊接工装夹具定位方案的设计方法及步骤一、定位基准的确定 在装配过程中把待装零、部件的相互位置确定下来的过程称定位。通常的作法是先根据焊件结构特点和工艺要求选择定位基准，然后考虑它的定位方法。它们必须事先按定位原理、工件的定位基准和工艺要求在夹具上精确布置好，然后每个被装零、部件按一定顺序“对号入座”地安放在定位元件所规定的位置上(彼此必须发生接触)即完成定位。 定位基准按定位原理分为主要定位基准、导向定位基准和止推定位基准。定位基准的选择是定位器设计中的一个关键问题，选择定位器时应注意以下几点。 ① 定位基准应尽可能与焊件起始基准重合，以便消除由于基准不重合造成的误差。 ② 应选用零件上平整、光洁的表面作为定位基准。 ③ 定位基准夹紧力的作用点应尽量靠近焊缝区。 ④ 可根据焊接结构的布置、装配顺序等综合因素考虑。 ⑤ 应尽可能使夹具的定位基准统一。 例如，装配工字梁时，有两个面可作组装基准，如图1-19所示。图1-19 工字梁组装基准面的选择 按实践经验，常以产品图样上或工艺规程上已经规定好的定位孔或定位面作定位基准。若图样上没有规定出，则尽量选择图样上用以标注各零、部件位置尺寸的基准作为定位基准，如边线、中心线等；当零件或部件的表面上既有平面又有曲面时，优先选择平面作主要定位基准面；若表面上都是平面，则选择其中最大的平面作主要定位基准面，选择窄而长的表面作导向定位基准面，窄而短的表面作止推定位基准面；尽量利用零、部件上经过加工的表面或孔等作定位基准，或者以上道工序的定位基准作为本道工序的定位基准。二、定位器结构及布局的确定 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。 如果六点定位时支承点按图1-20(a)所示分布，A、B、C三点位于同一直线上，工件的自由度没有限制，这时工件为不完全定位。同样，如果支点按图1-20(b)的方式分布，侧面上的两个支点布置在垂直于底面的同一直线上，工件的自由度没有限制，工件也是不完全定位。同时，图1-20(a)中的B点，图1-20(b)中的D点却分别由于重复限制了自由度和，成了过定位点。可以推论，6个支点在底面布置4个，其余两个定位面上各布置一个，或者在3个定位面上各布置2个或6个支点在两个平面上，均会出现不完全定位和过定位现象。图1-20 定位分析 因此，6个支点在3个相互垂直的平面上必须按“3-2-1”的规律分布，并将工件3个定位基准面与这些支点接触，使每个支点限制着一个自由度。三、定位原理的应用 被视为刚体的工件与定位元件之间除了靠点接触定位外，还可以与线或面相接触定位。两点决定一直线，以直线相接触就可代替两个支承钉的作用，能限制工件两个自由度；三点决定一个平面，以平面相接触就可代替三个支承钉的作用，能限制工件的三个自由度。运用时，要根据工件定位基准形状特点而定。 当选择工件上的圆孔作定位基准时，相应地选用定位销(心轴)作定位元件，见图1-21(a)，这时工件被定位销限制了四个自由度，它还能沿Z轴移动和绕Z轴转动；圆柱形工件常选其外圆柱面作定位基准，一般选用V形块作定位元件，见图1-21(b)。该V形块限制了四个自由度，它还能沿X轴移动和绕X轴转动。图1-21 圆柱销定位和V形块定位 工件的六个自由度均被限制的定位称完全定位；工件被限制的自由度少于六个，但仍能保证加工要求的定位称不完全定位或部分定位。焊接夹具中有时采用部分定位，因焊接过程不可避免要产生焊接应力与变形，为了调整和控制应力与变形而有些自由度是不宜限制的。按加工要求应限制的自由度而没有被限制的定位称欠定位，这在夹具设计中是不允许的。 一个或几个自由度被重复限制的定位称过定位，它引起工件位置不确定，一般也是不允许的。如工件上以形状精度和位置精度很低的毛坯表面作定位基准时，就不允许过定位。为了提高工件定位时的稳定性和刚度，可以有条件地采用过定位。例如焊接结构中的零件多为轧制的薄平板，常选板平面作主要定位基准面，由于垂直板平面方向的刚性小，而且该平面经轧制而平整光洁，故常采用一个平面代替三个支承钉进行定位。这里以定位元件上的平面与工件接触进行的定位，就是一种过定位。四、确定定位器的材料及技术要求 定位器本身质量要高，其材料、硬度、尺寸公差及表面粗糙度要满足技术要求，要有足够的强度和刚性，受力定位元件一般要进行强度和刚度计算。 焊接组合件的制造精度一般不超过IT14级，夹具的精度必须高出制件精度3个等级，即夹具精度应不低于IT11级。对于定位元件，与工件定位基准面或与夹具体接触或配合的表面，其精度等级可稍高一
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