弓形固定卡焊具的設(shè)計及制造

張峰峰，汶軍科，李國睿，李陽，范博，朱剛剛

（陜西德仕部件（集團）有限責任公司岐山分公司，陜西 岐山 722400）

弓形固定卡焊具的設(shè)計及制造

張峰峰，汶軍科，李國睿，李陽，范博，朱剛剛

（陜西德仕部件（集團）有限責任公司岐山分公司，陜西 岐山 722400）

根據(jù)弓形固定卡的圖紙及工藝要求，經(jīng)過對弓形固定卡結(jié)構(gòu)分析，然后設(shè)計出弓形固定卡焊具圖紙，依照焊具圖紙制造焊具并制作出合格的弓形固定卡。

弓形固定卡；焊具；圖紙；制造

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.023

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-65-05

1、緒論

1.1弓形固定卡零件分析

弓形固定卡，包括弧形結(jié)構(gòu)、連接孔，連接螺栓，其特征是：所述的弓形固定卡上設(shè)有與軸體殼蓋對應(yīng)的弧形結(jié)構(gòu)，并設(shè)有對應(yīng)連接孔和連接螺栓，弓形固定卡安裝在車橋驅(qū)動軸殼體上，當車輛在顛簸的路面行駛時，不會發(fā)生軸體殼蓋松動或脫落的現(xiàn)象再次發(fā)生，起到保護固定軸體殼蓋作用，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便。

1.2弓形固定卡工藝要求

工藝要求：1）螺栓端面必須與弓形固定卡整個平面貼平；2）焊后螺栓軸線與弓形固定卡平面垂直度不大于0.4；3）弓形卡材料：20鋼板。

弓形固定卡如圖1所示：

2、弓形固定卡焊具

2.1 焊具的概念

焊具是焊接夾具的簡稱，其作用是為了保證焊件尺寸，提高裝配精度和效率，防止焊接變形所采用的夾具。焊接工藝裝備是在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的裝配與焊接過程中起配合及輔助作用的夾具、機械裝置或設(shè)備的總稱，簡稱焊接工裝。其中夾具主要包括定位器、夾緊器、推接裝置等；機械裝置或設(shè)備主要包括焊件變位機、焊機變位機、焊工變位機等。在現(xiàn)代焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中，積極推廣和使用與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的焊接工裝，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，減輕焊接工人的勞動強度，加速焊接生產(chǎn)實現(xiàn)機械化、自動化進程等諸方面起著非常重要的作用。

2.2焊具的裝備分類

1）從夾緊范圍來分：①手動夾具；②氣動夾具；③液壓夾具；④磁力夾具；⑤電動夾具；⑥真空夾具；⑦混合式夾具。

2）從使用范圍來分，焊接機械裝備又分為通用和專用兩大類。

2.3焊具的作用

焊接機械裝備在焊接生產(chǎn)中的作用：

1）采用焊接工裝夾具，零件由定位器定位，不用劃線，不用測量就能得到準確的裝配位置，保證裝配精度，加快裝配作業(yè)進程，減輕工人的體力勞動，提高生產(chǎn)效率；

2）能控制或消除焊接變形；

3）提高焊件的互換性能，縮短焊件的生產(chǎn)周期；

4）縮短裝配和施焊過程中焊件翻轉(zhuǎn)變位的時間，減少輔助工時，提高了焊劑利用率和焊接生產(chǎn)率；

5）可使焊件處于最有利的施焊位置。

2.4焊具特點

為了更好的在生產(chǎn)中發(fā)揮夾具的作用，還應(yīng)該了解焊接工裝的特點：焊接工裝的使用與焊接結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的各項技術(shù)及經(jīng)濟指標（如產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、成本等）有著密切的聯(lián)系。

1）焊接工裝與備料加工的關(guān)系。焊接結(jié)構(gòu)零件加工具有工序多（如矯正、劃線、下料、邊緣加工、彎曲成形等）與工作量大的特點。采用工裝進行備料加工，要與零件幾何形狀、尺寸偏差和位置精度的要求相匹配，盡可能使零件具有互換性，提高坡口的加工質(zhì)量以及減小彎曲成形的缺陷。

2）焊接工裝與裝配工藝的關(guān)系。利用定位器和夾緊器等裝置進行焊接結(jié)構(gòu)的裝配，其定位基準和定位點的選擇與零件的裝配順序、零件尺寸精度和表面粗糙度有關(guān)。例如：尺寸精度高，表面粗糙度低的零件，裝配時應(yīng)選用具有剛性固定的定位元件，快速而夾緊力不太大的夾緊元件；對于尺寸精度較差、表面粗糙度較高的零件，所選用的定位元件應(yīng)具有足夠的耐磨性并可及時拆換和調(diào)整；當零件表面不平是地，可選用夾緊力較大的夾緊器。

3）焊接工裝與焊接工藝的關(guān)系。不同的焊接對焊接工裝的結(jié)構(gòu)和性能要求也不盡相同。采用自動焊生產(chǎn)時，一般對焊接機頭的定位有較高的精度要求，以保證工作時的穩(wěn)定性，并可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)焊接速度。當采用手工焊接時，則對工裝的運動速度要求不太嚴格。

4）焊接工裝與生產(chǎn)規(guī)模的關(guān)系。焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)規(guī)模和批量，對工裝的專用化程度、完善性、效率及構(gòu)造具有一定的影響。單件生產(chǎn)時，一般選用通用的工裝夾具，這類夾具無需調(diào)整或稍加調(diào)整應(yīng)能適于不同焊接結(jié)構(gòu)的裝配或焊接工作。

成批量生產(chǎn)某種產(chǎn)品時，通常是選用較為專用的工裝夾具，也可以利用通用的、標準夾具的零件或組件，使用時只需將這些零件或組件加以不同的組合即可。

對于專業(yè)化大量生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，每道裝配、焊接工序都應(yīng)采用專門的裝備來完成，例如采用氣壓、液壓、電磁式等快動夾具和電動機械化、自動化裝置以及焊接機床生產(chǎn)，形成專門生產(chǎn)線。

2.5焊接工裝夾具的設(shè)計

焊接工裝夾具的設(shè)計要求：

1）應(yīng)具動作迅速、操作方便，操作位置應(yīng)處在工人容易接近、最宜操作的地方；

2）應(yīng)具有足夠的裝配、焊接空間，不能影響焊接操作和焊工觀察，不妨礙焊件的裝卸；

3）夾緊可靠，剛性適當；

4）應(yīng)設(shè)置必要的安全連鎖保護裝置；

5）夾緊時不應(yīng)損壞焊件的表面質(zhì)量，應(yīng)限制夾緊力或采取壓頭行程限位、加大壓頭接觸面積、加添銅鋁襯墊等措施；

6）考慮操作手把的隔熱和防止焊接飛濺物對夾緊機構(gòu)和定位器表面的損傷；

7）夾具的施力點應(yīng)位于焊件的支承處或者布置在靠近支承的地方；

8）注意各種焊接方法在導(dǎo)熱、導(dǎo)電、隔熱、絕緣等方面對夾具提出的特殊要求；9）用于大型板焊結(jié)構(gòu)的夾具，要求足夠的強度和剛度；10）在同一夾具上，定位器和夾緊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式不宜過多，并且盡量只選用一種動力源；

11）工裝夾具本身應(yīng)具有較好的制造工藝性和較高的機械效率；

12）盡量選用已通用化、標準化的夾緊機構(gòu)以及標準的零部件來制作焊接工裝夾具。

2.6焊接工裝夾具設(shè)計方案的確定

1）焊件的整體尺寸和制造精度以及組成焊件的各個坯件的形狀、尺寸和精度；

2）裝焊工藝對夾具的要求；

3）裝、焊作業(yè)可否在同一夾具上完成，或是需要單獨設(shè)計裝配夾具和焊接夾具：①在裝配夾具上，焊件的所有焊縫能否在最有利的施焊位置上焊完；②從裝配夾具上取下由裝配點定好位的部件時，是否會破壞各零件的相互位置；③裝配時不需要使焊件翻轉(zhuǎn)變位，而在焊接時，則需要使焊件翻轉(zhuǎn)變位，若采用裝焊夾具方案，是否會使夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；④裝配夾具定位器和夾緊機構(gòu)較多，若用于焊接，是否影響焊接機頭的焊接可達性；⑤裝、焊作業(yè)若在同一夾具上完成，能否合理地組織裝配工人、焊接工人相互協(xié)調(diào)工作；⑥車間的作業(yè)面積和起重運輸設(shè)備的負荷能力是否允許裝配和焊接作業(yè)分別在各自的夾具上進行。

2.7焊具設(shè)計步驟

1）選擇夾具的設(shè)計基準。夾具的設(shè)計基準應(yīng)與筒體裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準一致，選擇夾具裝配基準的原則有兩點：

①裝配基準應(yīng)該是夾具上一個獨立的基準表滿或線，其他元件的位置只對此表面或線進行調(diào)整和修配。

②裝配基準準一精加工完畢，其位置和尺寸就不應(yīng)在變動因此，那些在裝配過程中自身的位置和尺寸尚需調(diào)整或修配的表面或線不能作為裝配基。

2）繪制工件圖紙。在圖紙上按設(shè)計基準用雙點畫線繪制出筒體裝配工件圖。

3）定位件和夾緊件設(shè)計。確定筒體的定位方法及定位點，筒體的夾緊方式和對夾緊力的要求，并根據(jù)定位件和夾緊件結(jié)構(gòu)形式，尺寸及其布置。

4）夾具主體設(shè)計夾具體是夾具的基礎(chǔ)件，在它上面安裝組成該夾具所需的各種元件，機構(gòu)和裝置等，起著支撐，連接作用。

5）完成設(shè)計草圖。在充分考慮夾具的整體結(jié)構(gòu)布局之后進行必要的設(shè)計計算，并繪制出夾具的設(shè)計草圖。

2.8焊具方案設(shè)計選用

方案一：將螺栓與弓形卡用螺母固定拉緊在定位板上后點焊，焊后去除螺母并將弓形卡從定位板上手工取下。弓形固定卡焊接底孔直徑為φ12.1-φ12.3，弓形固定卡厚度10mm，螺栓為M12*1.5，螺栓長度為45mm，固定板上定位孔直徑φ12-φ12.1，外形尺寸 350*170*16。由于螺栓與螺母拉緊后螺栓的長度伸出過長，螺栓與焊接底孔間隙較大，致使點焊后螺栓與弓形固定卡之間的垂直度誤差較大，尺寸不易保證，不易調(diào)整，使加工出的產(chǎn)品與圖紙要求不符。此方案的缺點在于點焊后螺栓變形較大，質(zhì)量不易保證，生產(chǎn)效率低下。（一般不推薦選擇此方案，主要適用于制作樣件，批量較少選用）。

方案二：用快加器將螺栓與弓形固定卡壓緊固定在定位板上，根據(jù)杠桿原理用頂出裝置將焊好的零件從定位板上頂出。此方案的優(yōu)點是零件裝夾及卸料方便。由于定位板的厚度為40mm，且每個定位孔上鑲嵌兩個對稱的定位套，每個定位套內(nèi)孔以臺階孔的形式制作而成，定位套長度為20mm，孔分別為φ11.9*5和φ15，此方案整個過程生產(chǎn)的零件尺寸穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高，符合圖紙要求。（本次制造弓形固定卡就選用此方案）。

方案三：用氣動夾緊及卸料，此方案模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，成本較高，該方案的優(yōu)點在于裝夾方便。（一般的工廠不推薦使用）。

2.9焊具結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)零件焊接方案分析，采用方案二焊具結(jié)構(gòu)。此焊接夾具的組成為：定位機構(gòu)、壓緊機構(gòu)、頂出機構(gòu)，動力機構(gòu)及輔助機構(gòu)。

2.9.1焊具結(jié)構(gòu)及工藝分析

材料分析：45鋼具有高的強度和硬度、切削性能良好、易于采購，成本較低。Cr12MoV（合金模具鋼）具有高的硬度、強度和耐磨性、淬透性好，淬火時不易變形。

1）定位機構(gòu)：由定位板和定位套組成。

定位板：材料45#鋼板；技術(shù)要求：調(diào)質(zhì)處理HRC28-32；零件尺寸：350mm*300mm*40mm。

定位板設(shè)計分析：①為了保證定位板有足夠的剛度不易變形，故選用 45鋼調(diào)質(zhì)處理；②弓形固定卡中螺栓長度為50，弓形卡厚度為10，將螺栓與弓形卡按圖安裝后，螺栓伸出弓形卡的長度為40，為了在焊接時能夠保證螺栓的垂直度及更好的導(dǎo)正，故鋼板厚度選用為40。

加工工藝：①備料 355*305*40； ②銑削外形至尺寸350*300； ③調(diào)質(zhì)HRC28-32； ④平磨兩面，保證尺寸40，兩面平行度不大于0.05；⑤加工中心制孔成（鉆孔、擴孔，鉸孔）。

定位套：材料Cr12MoV；技術(shù)要求：熱處理HRC58-62；零件外形尺寸見圖4。

定位套設(shè)計分析：①保證定位套有足夠的硬度和耐磨性，故選用材料為Cr12MoV并熱處理HRC58-62。②將定位孔套的內(nèi)孔加工成臺階是為了減少卸料時螺栓與套的摩擦力。③為了減少套的加工難度，將40長得套改為兩件20長得套。

加工工藝：①備料φ30*376；②粗車內(nèi)外圓單邊留量0.1-0.2；③熱處理 HRC58-62；④精磨內(nèi)外圓達圖，保證同軸度不大于 0.025；5.裝配，保證裝配后每組定位套的同軸度不大于0.025。

2）快夾器：標準件，壓緊力為300kg；作用：壓緊焊接螺栓，防止螺栓點焊后與弓形卡之間的變形。

3）頂出裝置：由兩部分組成托板和頂桿，主要作用是將弓形固定卡零件頂出；

頂出裝置工藝分析：根據(jù)弓形卡的形狀特征，確定弓形卡頂出受力點位3點；

托板：材料45#鋼板調(diào)質(zhì)處理HRC28-32；

頂桿：材料45#圓鋼加工后熱處理HRC40-45。

托板工藝分析：

①為了保證托板有足夠的剛度不易變形，故選用45鋼調(diào)質(zhì)處理HRC28-32，其主要起支撐固定頂桿的作用。

②頂桿工藝分析：a）頂桿在工作過程成中要承受一定的沖擊，為了保證頂桿在工作中不發(fā)生斷裂及變形，故選用45鋼，熱處理硬度為HRC40-45；b）弓形卡寬度為22，故頂桿直徑在φ20-φ24之間最好，為了減輕零件自重選用直徑為φ20的頂桿。如果選用頂桿直徑小于φ20，一是頂桿在工作中易于變形彎曲，二是頂桿與零件接觸面積過小。如選用直徑大于φ20的頂桿則增加了零件重量，且材料成本增加。

托板加工工藝：1）備料 240*110*32 ；2）銑外形至230*100 ；3）加工中心制孔，留量0.3-0.5；4）調(diào)質(zhì)HRC28-32；5）磨兩平面，保證兩面平行，尺寸為30；6）鉸孔φ16成。

頂桿加工工藝：1）備料φ22*135；2）半精車各尺寸放量0.1-0.2；3）熱處理HRC40-45；4）磨削各尺寸達圖，φ 16尺寸與托板上的孔配做。

4）動力機構(gòu)：應(yīng)用杠桿原理，以人為動力源，帶動頂出裝置來完成頂出弓形固定卡的工作。

5） 輔助機構(gòu)：支撐定位板，調(diào)整整體的穩(wěn)固性。

2.9.2定位基準的選擇

1）定位的概念

定位就專門研究工件在專用焊具中的定位，而專用焊具加工的是一批工件，所以定位就專門研究一批工件在專用焊具中的定位。

在實際生產(chǎn)中，為滿足加工要求，有時采用幾個定位面相組合的方式進行定位。常見的組合形式有：兩頂尖孔、一端面一孔、一端面一外圓、一面兩孔等，與之相對應(yīng)的定位元件也是組合式的。此焊具裝夾方式為在定位板上根據(jù)零件圖紙孔位要求制做定位孔，以孔做裝夾定位，并用快加器壓緊零部件。

2）基準的概念

①基準：零件上用以確定其它點、線、面位置所依據(jù)的要素（點、線、面）。

②設(shè)計基準：在零件圖上用以確定點、線、面位置的基準。由產(chǎn)品設(shè)計人員確定。

③工序基準：工序圖上用以確定被加工表面位置的基準。查找：首先找到加工面，確定加工面位置的尺寸就是工序尺寸，其一端指向加工面，另一端指向工序基準。工序基準由工藝人員確定。

④定位基準：確定工件在夾具中位置的基準，即與夾具定位元件接觸的工件上的點、線、面。當接觸的工件上的點、線、面為回轉(zhuǎn)面、對稱面時，稱回轉(zhuǎn)面、對稱面為定位基面，其回轉(zhuǎn)面、對稱面的中心線稱定位基準。

3、焊具制造及零件的制作

3.1焊具的制造工藝

焊具生產(chǎn)工藝過程：①備料；

②機加工；③熱處理；

④小總成裝配；

⑤總成裝配，裝配后杠桿帶動頂桿頂出零件時，無卡滯現(xiàn)象，頂桿能自由活動；

⑥配裝快夾器，保證快夾器壓緊點與焊接螺栓軸線重合，且夾緊力均勻。

3.2焊具的誤差分析

3.2.1零件的公差分析

③螺栓與弓形卡焊接后垂直誤差不大于0.4。

3.2.2焊具公差分析

3.2.3焊具誤差分析結(jié)論

經(jīng)對零件及焊具的公差要求分析，焊具的公差精度能達到零件的制作精度要求。

3.3焊具的驗證

3.3.1焊接夾具驗證工作的準備

1）驗證工作的準備資料：產(chǎn)品圖紙、產(chǎn)品數(shù)模、焊夾設(shè)計圖紙夾具預(yù)驗收檢測數(shù)據(jù)表、產(chǎn)品部件品質(zhì)基準書、準備驗證必需的測量工具。

2）準備合格樣件3-5套。

3）工作場地和條件的準備，焊接夾具按生產(chǎn)廠房工藝布置圖基本安裝到位；焊接設(shè)備安裝完畢并完成通風、通水、通電和基本工藝參數(shù)的設(shè)定。

4）焊接夾具狀態(tài)準備：夾具所有組件組裝完畢，并通過靜檢和動態(tài)的預(yù)驗收，夾具基板上表面無漆層、夾具定位、支撐型面無漆層且不倒角。

3.3.2焊接夾具的驗證工作流程

1）建立驗證數(shù)據(jù)表：根據(jù)產(chǎn)品數(shù)模、產(chǎn)品圖紙和承制廠提供的夾具設(shè)計圖紙和預(yù)驗收檢測數(shù)據(jù)表，建立驗證用檢測數(shù)據(jù)表；在產(chǎn)品樣件上標定檢測點。

2）完成對夾具定位、支撐件尺寸的檢測。

3）將產(chǎn)品樣件裝配在焊接夾具上，完成對產(chǎn)品定位部位的的尺寸檢測及頂料機構(gòu)的驗證，保證零件能輕松頂出。

4）根據(jù)檢測標準確定公差分配，調(diào)整焊接夾具尺寸，得到滿意的結(jié)果。

3.3.3焊接夾具的評測標準

產(chǎn)品樣板裝配在夾具上，在自由狀態(tài)下，與夾具的貼合率大于80%，壓緊狀態(tài)下與夾具的貼合率大于85%，產(chǎn)品螺栓的尺寸符合率大于95%，認為合格。

3.3.4驗證結(jié)果

經(jīng)驗證：產(chǎn)品樣板裝配在夾具上，在自由狀態(tài)下，與夾具的貼合率大于80%，壓緊狀態(tài)下與夾具的貼合率大于85%，產(chǎn)品螺栓的尺寸符合率大于95%，判定此焊具合格。

4、零件的驗證

4.1零件驗證工作的準備

1）驗證工作的準備資料：產(chǎn)品圖紙、產(chǎn)品數(shù)模、驗收檢測數(shù)據(jù)表、產(chǎn)品部件品質(zhì)基準書、準備驗證必需的測量工具。

2）按產(chǎn)品圖準備合格零部件3-5套。

4.2零件的驗證工作流程

1）依次將弓形固定卡及螺栓裝入焊具，并用快加器壓緊。

2）按零件圖紙要求點焊，并取下零件。

3）完成對零件數(shù)據(jù)的測量。

4.3零件檢測標準

1）螺栓端面與弓形固定卡貼合平齊，縫隙不大于0.5mm。2）螺栓軸線與弓形固定卡平面垂直度不大于0.4mm。3）各螺栓的位置公差不大于±0.2。

4.4驗證結(jié)果

經(jīng)驗證：螺栓端面與弓形固定卡貼合平齊，縫隙不大于0.4mm；螺栓軸線與弓形固定卡平面垂直度不大于0.3mm；各螺栓的位置公差不大于±0.2。判定此零件合格。

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Bow fixed card of welding fixture design and manufacturing

Zhang Fengfeng, Wen Junke, Li Guorui, Li Yang, Fan Bo, Zhu Ganggang
( Shaanxi DE shi parts (group) Co., Ltd branch zones, zones of shaanxi, Shaanxi Qishan 722400 )

According to the requirements of the bow fixed card drawings and process, after the bow fixed structure analysis, and then design a bow fixed card welding with drawings, in accordance with the welding drawings manufacturing welding and making the qualified bow fixed card.

bow fixed card; welding equipment; drawings; manufacturing

U463.9

A

1671-7988（2015）09-65-05

張峰峰，就職于陜西德仕部件（集團）有限責任公司岐山分公司。