作者：陈焕明,周玮,李苏楠
出版社：航空工业出版社
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焊接工装设计试读：
前言
专业课程设计是高等工科院校培养方案中一个综合性较强的工程训练环节，也是南昌航空大学近年来实施工程教育与工程训练相结合的培养模式的一个特色。焊接专业课程设计的主要内容是焊接工艺设计和焊接工装设计。鉴于焊接技术与工程专业、材料成形及控制工程专业的学生对焊接工艺方面的基本知识了解多一些，而对焊接工装设计的基本知识十分欠缺，作者结合多年的教学改革实践，于2003年在校内讲义的基础上编著了《焊接工装设计基础》一书，以便进一步探索工程教育与工程训练相结合的教学方法。该书出版后，受到了同行师生，尤其是工厂的工程技术人员的欢迎。本书在保留原教材的结构和特色的基础上，吸取同行专家提出的宝贵意见，对其内容进行了必要的修改、充实和提高，特别是增加了有关汽车装焊夹具设计的实例，更强调理论与实践相结合，力求满足工程实际和人才培养的需要。
全书共分五章，介绍了焊接工装的特点、工件的定位原理及定位器设计、夹紧装置设计、焊接工装中常用的动力装置、焊接工装设计方法、焊接工艺装备实例等方面的内容。编写时，注意了内容的系统性和科学性，在重点介绍基本原理的同时，突出实用性，适量介绍了一些新技术成果，尽量应用焊接生产中的实例进行分析，便于学生联系实际，举一反三，增强工程意识。全书采用现行国家标准和行业标准。每章末列有习题与思考题。
本书可作为高等工科院校焊接技术与工程专业、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，也可供有关专业师生和从事焊接工装设计的工程技术人员参考。
在本书编写与出版过程中，南昌航空大学教务处、航空工业出版社给予了大力支持和帮助；得到了教育部高等学校本科特色专业建设点项目和江西省教育厅高等学校教学改革研究省级立项课题的资助；南昌航空大学焊接工程系的同事们给予了大力支持和帮助；昆山华恒焊接设备技术有限责任公司董事长徐绪炯先生、莱斯机器人（昆山）有限公司总经理Manfred Emonts博士、珠海固得焊接自动化设备有限公司总经理唐君才高级工程师、南通振康机械有限公司总经理汤子康高级工程师、嘉手五金制品（东莞）有限公司总经理廖海星先生给予了大力支持和帮助，并提供了有关的参考资料；上海交通大学博士生导师陈关龙教授审阅了本书初稿，并提出了宝贵意见。作者在此对上述单位和个人以及书中所列参考文献的作者一并表示衷心的感谢。
焊接工装设计涉及的内容十分广泛，包括机械、电子、材料、力学和经济等学科的内容。由于作者经验不足，水平有限，书中错误或不妥之处在所难免，恳请读者批评指正。陈焕明2010年5月
绪论
在机械加工、产品检验、装配和焊接等工艺过程中，使用着大量的工艺装备，简称工装，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、推拉装置等；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。
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，往往所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。
本书主要介绍焊接工装设计的基本理论和结构设计的基础知识，并着重从焊接工艺的角度来阐述焊接工装设计的方法。
一、焊接工装的作用
1.保证和提高产品质量在装配定位焊时，如果不使用工装夹具，即使焊接组合件是由两三个零件组成的，欲保证各零件精确的相对位置，也是不可能的。此外，在焊接过程中，焊接件往往会产生变形，尤其是复杂的焊接结构，其变形有时会达到无法消除的程度，就会影响到后面总装配工作，甚至造成产品报废。采用工装夹具，不仅可以保证装配定位焊时各零件正确的相对位置，而且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
焊接结构生产过程一般包括：准备（焊接材料的清洗、烘干、工件开坡口等），装配（对正、定位、夹紧或点固焊等），焊接，清理（从工装夹具上卸除工件，清除焊渣等），检验，焊后热处理及矫正，最后检验等工序。焊前和焊后各项辅助工序的劳动量往往超过焊接工序本身。因此，提高劳动生产率最有效的措施是减少辅助工序的时间。在焊接结构生产中，由于焊件的复杂程度不同，纯焊接时间仅占产品全部加工时间的10%～30%，其余为备料、装配及辅助工作等时间。对于梁柱结构，装配与翻转工作时间占总生产工时的30%～50%；对于圆筒结构，其壁厚16mm、长度1.5m的纵缝自动埋弧焊的焊接时间为8min，而其辅助时间为40min，即焊接时间只占装焊总工时的17%，在这种情况下，即使把焊接速度提高1倍（一般很难办到），也只能提高生产率约10%。如果采用高效率的焊接工装夹具，使辅助时间减少到20min，那么劳动生产率就可以提高40%。显然，欲缩短生产周期，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。
采用焊接工装还可以降低制造成本。产品成本一般包括原材料费用、燃料动力费用、厂房设备折旧费、工资、管理费等。制造焊接工装虽然要增加产品的成本，但是各种工装和设备投资以及管理费等，仅仅是分摊到每个产品上的成本的一部分。一旦焊接工装发挥作用，它就能减少装配和焊接工时的消耗，从而提高劳动生产率；降低对装配、焊接工人的技术水平要求；由于焊接质量高，可以减免焊后矫正变形或修补工序，简化检验工序等，缩短整个产品的生产周期。这将使产品成本大幅度降低，制造工装设备的投入将远小于产出。另外，采用工装并不意味着要选用机构复杂、价格昂贵的设备，许多情况下采用一些简单的定位器、夹紧器或将现有设备稍加改装，往往也能收到明显的技术经济效益。3.减轻劳动强度，保障安全生产
采用工装夹具，工件定位快速，装夹方便、省力，减轻了焊件装配定位和夹紧时的繁重体力劳动；焊件的翻转可以实现机械化，变位迅速，使焊接条件较差的空间位置焊缝变为焊接条件较好的平焊位置焊缝，劳动条件大为改善，同时有利于焊接生产安全管理。
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。为了适应技术管理工作的需要，便于掌握各类工装的工作特点和设计基本方法，有必要就目前已有的焊接工装进行分类。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、夹紧器、推拉装置、组合夹具和装配台架。（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。
应该指出，实际生产中工艺装备的功能往往不是单一的，如定位器、夹紧器常与装配台架合在一起，装配台架又与焊件操作机械合并在一套装置上；焊件变位机与移动焊机的焊接操作机、焊接电源、电气控制系统等组合，构成机械化自动化程度较高的焊接中心。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，可形状完全不同，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，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，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；焊接高强度钢，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地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。
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、六点定位原理一个刚体在空间直角坐标系中具有六个自由度，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。工件定位分析时用、、分别表示沿X轴、Y轴、Z轴的移动自由度，用、、分别表示绕X轴、Y轴、Z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。
例如，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YOZ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。图1-1 刚体的六个自由度图1-2 工件的六点定位
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。
根据以上分析，用六个正确布置的支承点就可以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-point locating principle），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。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，不能认为未夹紧时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。如图1-2所示，工件在夹具中虽可向右移动，但因脱离了左边定位元件B面，已处于非正确安装位置，支承点失去了限制自由度的作用，故应按紧靠B面来进行分析。此外，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
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。图1-3所示就是全定位装配的例子。零件1和零件2拼接成T形板，装配时，先把零件1放在平台上，然后使它的左侧边缘与挡铁1和2紧靠，它的端边与挡铁3紧靠。这样，零件1在平台上就被全定位了。接着再把零件2放上，先使它的侧边与挡铁4和5紧靠，端边与零件1的右侧边缘紧靠。这时，零件2也被全定位了。这些挡铁就是定位支承点，它们之间的相互位置是事先按照产品图样和工艺上的要求来布置的，所以拼接好的T形板能满足产品图样要求。
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。由于定位支承点减少，夹具的结构就相应地简化，因此在满足工件加工工艺要求的条件下，就应当尽量采用准定位。如图1-4所示，圆管或圆筒环缝对接时采用V形块或两根长辊轴定位，只限制工件的、、、四个自由度，另外两个自由度没有限制，即沿工件轴向的移动自由度和绕工件轴向的转动自由度没有限制，此时已能满足环缝对接的工艺要求。图1-3 T形板的全定位图1-4 工件的准定位图1-5 过定位示例2.过定位与欠定位
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。这种定位状态是否允许采用，主要应从它产生的后果来判定。下面通过两个例子来说明这个问题。
如图1-5所示，零件2套入零件1中定位，要保证尺寸h。如果同时采用A、B两个端面作为定位基准，则沿尺寸h方向的移动自由度被限制了两次，即过定位。由于一批工件中，各工件的端面A与B之间距离不可能完全一样，存在加工误差，势必某些工件会产生图l-5（b）的情况，这就直接影响了尺寸h的精度。若仅以端面B为定位基准，如图1-5（c）所示，端面A不与定位件接触，则避免了过定位。通常过定位的结果将使工件的定位精度受到影响，定位不确定和使工件或定位件产生变形，因此，一般情况下应避免出现过定位现象。
图1-6（a）所示连杆定位方案，平面支承限制、、三个自由度，短圆柱销限制、两个自由度，挡销限制自由度实现完全定位。若将短圆柱销改成长圆柱销，因其限制工件的、、、四个自由度，从而引起、两个自由度被重复限制，造成工件定位时如图1-6（b）所示的不确定情况。更严重的后果是发生在施加夹紧力之后，由于连杆孔径以及孔和端面的垂直度均有制造误差，若按图1-7（a）施加夹紧力，使连杆产生弹性变形。加工完毕松夹后，工件变形恢复，就形成加工表面严重的位置或形状误差。若按图1-7（b）施加夹紧力，会引起定位销的变形。显然，不论工件还是定位元件发生变形，其结果都将破坏工件定位的正确位置。这种过定位导致工件或定位元件变形，明显影响工件的定位精度，应严禁采用。图1-6 连杆定位方案
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