液化氣鋼瓶閥座的高效安裝焊接夾具的設(shè)計(jì)與分析

趙夫超， 畢忠梁， 楊坤， 吳福貴

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，安徽安慶 246003）

0 引言

液化石油氣鋼瓶是盛裝易燃易爆化學(xué)品的Ⅱ類立置小容量的壓力容器，廣泛應(yīng)用在城鄉(xiāng)居民生活中以及城鎮(zhèn)的大排檔、小飯店和小餐館內(nèi)。安全使用液化氣鋼瓶，除了要養(yǎng)成規(guī)范的操作習(xí)慣之外，更重要的是鋼瓶在出廠之前的制造過程符合工藝規(guī)程和檢驗(yàn)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格執(zhí)行。焊接是液化氣鋼瓶生產(chǎn)的主要工序之一。其中，鋼瓶閥座的安裝焊接質(zhì)量決定了瓶閥安裝的好壞，如果閥座安裝的質(zhì)量不符合規(guī)范，常會(huì)造成閥座與瓶閥連接處的泄漏，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)爆炸事故。

當(dāng)代液化石油氣鋼瓶生產(chǎn)是流水線大批量生產(chǎn)，焊工在定點(diǎn)工作崗位上重復(fù)施焊作業(yè)，持續(xù)的機(jī)械式動(dòng)作勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前，在多數(shù)鋼瓶制造企業(yè)對(duì)閥座的安裝焊接固定方法是將上封頭倒扣在焊接架上，閥座擺在上封頭頂上的孔口部，采用目測(cè)法檢查兩者的對(duì)中性，然后在兩者的連接處進(jìn)行施焊安裝。這種安裝閥座的方法具有費(fèi)時(shí)費(fèi)力、生產(chǎn)效率低、加工質(zhì)量的穩(wěn)定性較差以及安裝焊接質(zhì)量的優(yōu)劣取決于工人技術(shù)水平高低的缺點(diǎn)。

1 夾具與焊接夾具

1.1 夾具的作用與類型

1.1.1 夾具的構(gòu)成

夾具是用來將工件進(jìn)行定位、夾緊，以保證刀具或模具（或焊槍）等工藝設(shè)備與工件保持一致相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的一種工藝裝備。從結(jié)構(gòu)上分析，夾具的構(gòu)成可概括為以下六部分：1）定位裝置。其作用是保證加工件在夾具體（或機(jī)床）中保持正確的位置。2）夾緊裝置。其作用是確保工件在加工過程中，相對(duì)刀具或工作臺(tái)的位置不變。3）對(duì)刀或?qū)蜓b置。其作用為快速找準(zhǔn)刀具相對(duì)于定位元件的正確位置。4）連接元件。連接元件是確定夾具在機(jī)床上正確位置的部件，通常為連接著夾具與機(jī)床的部分。5）夾具體。夾具體是夾具的基礎(chǔ)部件，將其他部件連成一體。6）其他元件及裝置，如動(dòng)力裝置的操作系統(tǒng)等。

1.1.2 夾具的作用

夾具現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中，采用夾具固定工件是保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、減少輔助生產(chǎn)時(shí)間、提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率、降低工人操作的勞動(dòng)強(qiáng)度的重要的基本保障，也是確保生產(chǎn)節(jié)奏的連續(xù)性和生產(chǎn)過程的安全性的必要手段。

1.1.3 夾具的類型

機(jī)床夾具的種類很多，按夾具的應(yīng)用特點(diǎn)不同可分為通用夾具、專用夾具、可調(diào)夾具、組合夾具和拼裝夾具等；按使用加工設(shè)備類型不同可分切削機(jī)床夾具、熱加工機(jī)床（設(shè)備）夾具和其他機(jī)床夾具；按用途不同可分為零件加工機(jī)床夾具、部件機(jī)器裝配夾具和檢驗(yàn)夾具。

1.2 焊接加工

焊接加工是對(duì)材料進(jìn)行加熱或加壓，或同時(shí)加熱加壓，并且選用填料，使焊接零部件達(dá)到原子結(jié)合的一種機(jī)械加工工藝（方法）。焊接加工的實(shí)質(zhì)是材料分子間與原子間的重新結(jié)合，焊接的最大特點(diǎn)是兩種材料結(jié)合后的無法拆卸的連接方式。

1.3 焊接夾具

焊接夾具是裝配夾具的一種，是保證所焊接的零部件之間的準(zhǔn)確定位和牢固地夾緊必要的輔助生產(chǎn)裝置。焊接夾具由支撐元件、定位元件和夾緊元件組成的。焊接夾具根據(jù)焊接工藝的特點(diǎn)可分為裝配類焊接夾具、維修類焊接夾具和焊-裝類焊接夾具。

1.4 焊接夾具的設(shè)計(jì)與選用

焊接夾具的設(shè)計(jì)與選擇是否恰當(dāng)將直接影響到焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，生產(chǎn)進(jìn)度以及安全生產(chǎn)，選用焊接夾具應(yīng)遵循下列原則：1）保證焊件的焊接質(zhì)量；2）固定焊件要安全第一，牢固為主；3）易于操作，使用焊接夾具時(shí)要方便工人操作，不增加焊接的難度；4）焊接夾具易制造、安裝與維修；5）制造成本低，周期短，制造過程不對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。

2 設(shè)計(jì)過程

2.1 設(shè)計(jì)目的

為了提高液化氣鋼瓶焊接生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造工藝優(yōu)良、操作方便和使用成本低的液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具，其可有效克服現(xiàn)有安裝焊接閥座的技術(shù)和裝置所存在的安裝弊端以及效率低下的缺點(diǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)液化氣鋼瓶上封頭和閥座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及兩者之間的連接位置、焊接要求等條件，焊接夾具體的結(jié)構(gòu)形式有臥式和立式，由于重力的影響，臥式對(duì)夾緊零部件會(huì)產(chǎn)生彎矩,增大零部件的磨損；同時(shí)不便于對(duì)上風(fēng)頭的定位。而立式結(jié)構(gòu)可避免上述問題的出現(xiàn),所以選擇立式結(jié)構(gòu)。

定位裝置設(shè)置在夾具體的下方，根據(jù)上封口的開口形狀采用內(nèi)孔定位，即利用定位部件的工作部分與上封口內(nèi)孔之間的連接進(jìn)行定位。閥座可通過螺紋配合設(shè)置在上封頭正上方的閥座安裝桿上，因閥座安裝桿的軸線與固定上封頭的支撐平板軸線同軸，所以可保證閥座在上封頭的焊接位置。

夾緊裝置采用螺桿傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)，搖動(dòng)手柄可通過傳動(dòng)螺桿帶動(dòng)閥座快速壓緊在上封頭的正上方，開啟設(shè)置在夾具體下方的調(diào)速電動(dòng)機(jī)，上封頭可與閥座一起轉(zhuǎn)動(dòng)，滿足焊接所需要的動(dòng)作。

2.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容

圖1 液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的結(jié)構(gòu)示意圖

為達(dá)到上述目的，該夾具采用如下技術(shù)方案：夾具包括L型底座、電動(dòng)機(jī)、支撐平板、閥座安裝桿、螺桿和長螺母，通過支架將電動(dòng)機(jī)固定在L型底座上，電動(dòng)機(jī)的輸出軸上設(shè)有支撐平板，支撐平板的一端的圓柱面上設(shè)有螺紋孔，螺紋孔內(nèi)設(shè)有夾緊螺釘，支撐平板的另一端設(shè)有定位臺(tái)；通過固定板將長螺母設(shè)置在L型底座的上方，長螺母內(nèi)設(shè)有螺桿，螺桿的一端設(shè)有手輪，另一端通過軸承與閥座安裝桿相連接，閥座安裝桿的另一端設(shè)有定位頭，閥座安裝桿的一側(cè)設(shè)有指針，指針的針尖處設(shè)有刻度尺。

在上述技術(shù)方案中，定位臺(tái)的直徑比上封頭口部的直徑小0.5～1 mm；定位臺(tái)與定位頭同軸，其同軸度誤差不大于0.5 mm。

液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該夾具的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、占用空間小，操作方便，夾緊可靠，定位精度高，閥座安裝質(zhì)量的穩(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高。

3 核心零件設(shè)計(jì)

3.1 夾具體

夾具體的結(jié)構(gòu)不僅要滿足焊接要求，還要滿足上封頭的放置與焊接后的取件，同時(shí)夾具體的底板上要設(shè)置電動(dòng)機(jī)固定架，固定架通過螺釘固定在夾具體的底板上。夾具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 夾具體

3.2 閥座安裝頭

閥座安裝頭一端與閥座相連，另一端內(nèi)通過軸承與傳動(dòng)螺桿相連接，是安裝閥座焊接夾具中重要的零部件，安裝閥座的位置精度取決于閥座安裝頭的質(zhì)量及在夾具上的安裝精度等級(jí)。閥座安裝頭的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

3.3 支撐平板

圖3 閥座安裝頭

支撐平板是用來固定上封頭的重要零件，為了與上封頭快速卡合和取下，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)拖動(dòng)支撐平板，支撐平板外形設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)體，上端設(shè)有與上封頭固定的錐型定位臺(tái)，下端設(shè)有與電動(dòng)機(jī)輸出相固定安裝孔，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 支撐平板

4 具體實(shí)施方式

由液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的結(jié)構(gòu)圖（圖1）可見，它包括底板1、電動(dòng)機(jī)3、支撐平板4、閥座安裝桿7、傳動(dòng)螺桿9、長螺母10和立柱15，電動(dòng)機(jī)3通過支架2固定在底座1上，電動(dòng)機(jī)3的輸出軸上設(shè)有支撐平板4，支撐平板4的一端的圓柱面上設(shè)有螺紋孔41，螺紋孔41內(nèi)設(shè)有夾緊螺釘42，支撐平板4的另一端設(shè)有定位臺(tái)43；底板1的兩側(cè)各設(shè)有立柱15，立柱15的上端設(shè)有腰型固定板12，長螺母10通過固定板12內(nèi)，長螺母10與傳動(dòng)螺桿9，傳動(dòng)螺桿9的一端設(shè)有手輪11，另一端通過軸承8與閥座安裝桿7相連接，閥座安裝桿7的另一端設(shè)有定位頭71。

液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具的使用方法是：先將上封頭5的開口端放置在支撐平板4上，并使上封頭5的內(nèi)表面貼合在定位臺(tái)43的圓周面上；再將閥座6臨時(shí)安裝在定位頭71的外螺紋上，并使閥座6的端面與閥座安裝桿7的端面貼合在一起；然后轉(zhuǎn)動(dòng)手輪11，使閥座6與閥座安裝桿7一起向下移動(dòng)，直到閥座6的下端面到達(dá)上封頭5的小孔口部；接著啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)3使支撐平板4、上封頭5、閥座6和閥座安裝桿7一起低速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為0.4～0.6 m/min，同時(shí)由焊機(jī)對(duì)上封頭5的小孔口部與閥座6的連接處進(jìn)行施焊。焊接完成后，反向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪11，并使閥座安裝桿7與傳動(dòng)螺桿9一起旋轉(zhuǎn)，即可使閥座安裝桿7的定位頭71從閥座6的螺紋孔內(nèi)退出，再將上封頭6從支撐平板4上取下，即完成閥座6的安裝焊接過程。

在實(shí)際使用操作中，閥座安裝桿7的一側(cè)設(shè)有指針13，指針13的針尖處設(shè)有刻度尺14，當(dāng)更換其他規(guī)格的閥座6時(shí)，可利用閥座6的下端面到達(dá)上封頭5的指定位置時(shí)指針13對(duì)應(yīng)刻度尺14的數(shù)值，進(jìn)行準(zhǔn)確定位和快速裝配，以保證閥座6安裝焊接的質(zhì)量和效率。

螺紋孔41內(nèi)設(shè)有夾緊螺釘42，夾緊螺釘42可使電動(dòng)機(jī)3的輸出軸與支撐平板4形成一個(gè)整體，有利于保證閥座6的安裝焊接質(zhì)量。定位臺(tái)43的直徑比上封頭5口部的直徑小0.5～1 mm；定位臺(tái)43與定位頭71同軸，其同軸度誤差不大于0.5 mm，這不僅可保證閥座6與上封頭5安裝焊接時(shí)兩者的對(duì)中性，又可提高生產(chǎn)效率。

安裝液化氣鋼瓶閥座的焊接夾具對(duì)上封頭的定位原理是采用圓盤形的固定盤與上封頭的內(nèi)孔之間的間隙配合，這相當(dāng)于在底板上徑向分布垂直固裝多根定位柱，使用時(shí)將鋼瓶放置在多根定位柱之間。其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝好以及使用方便。

5 結(jié)語

閥座是液化氣鋼瓶上重要的部件，其焊接的質(zhì)量，不僅關(guān)乎到產(chǎn)品的品質(zhì)，更關(guān)系到日后使用的安全性。采用焊接夾具可杜絕人工焊接所帶有的各種弊端，大大提高了生產(chǎn)效率。

該液化氣鋼瓶閥座的安裝焊接夾具目前已獲得國家實(shí)用新型專利證書和國家發(fā)明專利證書，產(chǎn)品正在緊張?jiān)囍浦?，且與當(dāng)?shù)匾患乙夯瘹怃撈恐圃炱髽I(yè)初步達(dá)成產(chǎn)業(yè)化推廣與應(yīng)用的協(xié)議。

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