毕业设计（论文）汽车座椅内导轨焊接夹具设计.doc

摘 要自21世纪以来，随着世界汽车制造业的蒸蒸日上，人们逐渐将注意力放在如何使汽车变得更加奢华、舒适、便携，于是对汽车的各个部件的要求更是精益求精，其中仅仅以座椅的舒适度和安全系数就足够可以将普通制造水平的汽车和制造精良的豪华汽车区别开来。要提高座椅的档次首先其各部件（例如滑动导轨）就必须达到标准，为了获得制作精良的座椅导轨，其焊接夹具的好坏更是获得优质和劣质产品的决定因素。由于我国的汽车焊接夹具设计技术仍处于起步阶段，因此长期以来我国的汽车生产质量和水准与汽车生产强国的水平相距甚远。焊接夹具及其焊装质量直接影响整个导轨的装配精度和生产周期，只有设计精密、制作精良的焊接夹具才能胜任。由此可见，对焊接夹具的设计和研究不容小觑。根据目前汽车焊接夹具的情况和对一些文献、资料的研究，针对汽车座椅内导轨的结构和工作方式等特点，本文将对普遍的汽车座椅内导轨的焊接夹具进行设计，设计出合格可靠的焊接夹具。基于该设计过程，需要对汽车座椅内外导轨的实物与图样、组件、技术要求进行分析，提出最适宜的汽车座椅内导轨的焊接夹具的设计方案。该次设计的主要研究内容为以下几点：（1） 对汽车座椅内导轨样本进行初步分析，并初步确定基准面、夹紧力、定位器等要素。（2） 详细阐述对焊接工装夹具的设计过程。（3） 对焊接夹具进行校核与装配。关键词：汽车；定位：焊接夹具；柔性夹具AbstractSince the 21st century, as the world auto industry progresses day by day, people gradually focus on how to make the car more luxurious,comfortable and portable, so the requirement of automobile parts is excellence, which just for seat comfort and safety factor can be enough to distinguish normal manufacture level of the cars from exquisite luxury cars apart.To enhance the grade of the seat,every parts (such as sliding guide rail) must reach the standard, in order to obtain good seat slideway, the stand or fall of the welding jig must be the conclusive factor of access to quality and inferior product.Due to our technology of automobile welding fixture design is still in its infancy, so for a long time China's car production quality and level are far from the level of auto production power.Welding jig and welding quality directly affects the whole guide rail assembly accuracy and production cycle, only design precision, well-made welding jig can do.Thus, the design and research of welding jig cannot be easily ignored.According to the current situation of automobile welding jig and the study of some documents and data, Aiming at the structure of car seats within the guide way and working characteristics, this paper will be based on examples of car seat slideway of welding jig design, designing of qualified and reliable welding jig.Based on the design process,we need to finish an analysis towards inside and outside of the car seats, the guide physical, pattern analysis, components and technical requirements, puts forward the optimum welding fixture design scheme of the car seat slideway.The main research contents points of the design are as follows: (1)Analysis the samples of car seat slideway preliminary , and the primary datum,clamping force, the locator elements, etc.（2）The detailed design process of welding fixture.（3）To check and evaluate welding jig.Key words: Auto;Location;Welding jig;Flexible jig 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的背景与意义11.1.1课题研究的背景11.1.2焊接夹具在国内、外的发展11.1.3焊接夹具的设计与意义31.2本课题的设计思路与研究内容31.2.1课题的设计思路31.2.2课题的研究内容31.3本章小结4第2章 工件的定位原理与定位器设计52.1工件的定位原理52.1.1六点定位原理52.1.2 N-2-1定位原理62.2定位方法及定位器62.2.1定位基准面的确定62.2.2定位器布局与必限自由度的确定72.2.3定位器的材料及技术要求的确定82.3本章小结9第3章 焊接工装夹具的设计103.1焊接工装夹具的设计原则103.1.1实用性原则103.1.2经济性原则103.1.3可靠性原则113.1.4艺术性原则113.2夹紧装置设计113.2.1夹紧装置的组成与要求113.2.2夹紧装置的分类与初步选择123.2.3夹紧力的初步确定133.2.4简单夹紧机构的夹紧力的计算143.2.5复合夹紧机构的确定163.3柔性夹具173.4本章小结18第4章 焊接工装夹具的装配184.1焊接夹具各部件的选择与确定194.1.1夹具体194.1.2各种模块194.1.3多杆夹紧器204.2焊接夹具的装配204.2.1分离面的介绍204.2.2装配方式的确定与装配过程204.3本章小结21第5章 焊接夹具部件的校核与分析225.1汽车座椅内导轨的力学性能225.2导轨的夹紧力与校核225.3本章小结23第6章 结论24参考文献25致谢26第1章 绪论1.1课题研究的背景与意义1.1.1课题研究的背景汽车制造业作为我国的经济支柱产业之一，改革开放之后已经历30多年的风雨，如今已在世界范围内的汽车制造业里占有一席之地。汽车工业的发达程度可以客观间接地体现国家的工业实力和国民的生活质量。在上世纪70年代，在除国内之外的国际范围内，汽车已经走进了千家万户，而人们对汽车质量、性能、豪华程度的需求一直持续到今天。汽车车型从最初到现在，各代改良，才有了今天的既高性能、奢华、环保又不失美观的新一代。焊接工装设计属于非标准装置，各个制造厂的的焊接工装设计皆不相同，其设计细节需要以其工厂的结构特点、生产条件和实际需要来确定。焊接工装在汽车制造业里占很大比重，但由于多种小批量生产已成为当下的主要生产方式，对工装系统更要求其适应变化的能力。因此，对于焊装夹具来说，适应多种工件、柔性化、高效率已成为主流。要设计出柔性化强、效率高、质量水平优的焊装夹具也是我国汽车制造业的目标之一。夹具可划分为通用夹具、组合夹具、专用夹具几大类，组合夹具和专用夹具在装配时需要进行校准、定位等一系列操作才能正常使用。本文旨在介绍汽车座椅内导轨焊接夹具的设计，属于组合夹具，以组装代替设计与制造，灵活多变，节省了生产周期，适用范围广。但单单作为导轨的焊接夹具，为专用夹具。因此本文会较详细地介绍设计夹具的机理和选用原则、以及定位配合等方法。1.1.2焊接夹具在国内、外的发展工装夹具从19世纪的作为机床的附件与延伸物开始发展。在20世纪时，由于美国市场对汽车生产以及自动化的需求，出现了钻模和专用夹具，提高了生产效率。而后华尔通公司从积木玩具中获得灵感，首次发明了槽型组合夹具。之后经过苏联的工程师的大力改进，生产并应用了很多大型的槽型组合夹具。到了20世纪中期，为了适应第二次世界大战后经济发展以及市场由大量生产向多品种成批生产模式转变，前苏联工程师米塔洛范诺夫创造了成组技术，紧接着由欧洲迅速推广并应用到了美国，风靡全球。作为成组技术的重中之重的成组夹具（可调整夹具）也由此出现。这样仅在20世纪内，人们根据不同的生产模式就开发出了一个由通用夹具（常称为机床附件，如三爪卡盘、虎钳、分度台等）、成组夹具、组合夹具和专用夹具子系统组成的一套完整的夹具系统。完整的夹具系统为20世纪汽车制造业乃至全球制造业的发展做出了巨大贡献。由于我国的工业化起步较晚，较欧美发达国家落后了很多，但我国自改革开放之后，大力发展生产力，并与发达国家的先进制造企业进行了全面的接触，随后引入了许多外资企业及其技术先进的产品，其中包括：先进动力夹紧技术、各类工艺过程夹具、焊接夹具、坐标测量夹具、电加工夹具以及装配夹具等1。虽然我国自改革之后向全世界开放，引进先进技术，但焊接夹具的设计和研究工作在我国一直处于停滞状态，其成就可以说是少之又少。大部分焊接夹具基本依赖于进口，而没有自己的独创和改进。尤其是汽车焊接夹具，这无疑严重影响了我国的汽车制造业的发展。在焊接夹具方面，欧美发达国家的成就远远超出我国很多，例如美国、德国等。在上世纪，德国的AMF公司和美国的VEKTEK公司就已经生产出了专为夹具液压系统而设计的成套装置和元件，结构简易，性能优良。为了解决数控加工机床封闭作业时与液压动力源连接困难这一难题，VEKTEK公司研发了耦合脱离块的专利，构思巧妙，非常适用于机械生产的需要。使液压夹具相对于气动夹具的优势更加明显的显现出来1。德国的demmeler公司结合钢结构焊接生产的特点，应用组合夹具的设计思想，研发出一种柔性化三维焊接组合夹具系统17。该焊接夹具组合系统已广泛应用于机械、汽车、船舶、金属家具等制造业中。该系统为孔系夹具系统，本设计也正是参照了该设计理念，从工作台到各个零部件都以孔来配合（本文在第三章中会详细说明）。该孔系列组合焊接夹具系统的最大特点是设计极其精细。其等高误差为±0.03mm；精密平口钳的垂直度和平行度可误差可缩小到5m以内；夹具重复安装的定位精度达到±5m；机床夹具的精度已提高到微米级。并且该夹具仅用规格、种类很少的配套元件即能组合出各种各样的焊接夹具。如此功能性强大的元件极大地提高了夹具的通用性。也正是该夹具的使用零件数量少、配套花销低、经济实用性高等特点使该夹具组合系统广泛应用于各个行业，也正符合了夹具高精、高效、组合、通用的原则2。1.1.3焊接夹具的设计与意义由于本文为汽车座椅内导轨的焊接夹具设计，因此在设计之前应了解导轨内焊接的焊接方式。导轨内的焊接一般为点焊，因此本文为点焊夹具的设计进行讨论。由于本次焊接夹具设计偏机械类，不涉及焊接工艺及金属热处理环节，因此对工艺和热处理环节不予赘述。前文已述，我国的焊接夹具设计还没有达到标准化、规范化、通用化，夹具设计涉及到包括机械工程学、运动学、控制技术、电气应用等众多学科，是一项综合繁复的设计种类，因此得需要理论基础扎实、操作经验丰富的综合性人才才能胜任3。由于我国设计夹具很依赖设计师的经验而不重视理论，没有一个系统、完备的设计体系。因此我国的焊接夹具设计领域仍有很大的空间，对其研究与创新研发的意义也不言而喻。1.2本课题的设计思路与研究内容1.2.1课题的设计思路通过对一些文献的查阅412，本文从最基本的基准面设计、定位器、夹紧装置、直到夹具的组合系统，借鉴了一些设计的优缺点，以最基本的设计思路、回归传统的夹具设计理念，对汽车座椅内导轨的焊接夹具进行初步的设计，其中还包含对柔性夹具的简单介绍与借鉴。最后对夹具部件进行校核与计算分析，确定夹具设计与选用的合理性。1.2.2课题的研究内容本文主要研究焊接工装夹具的设计方案和细则以及对设计的夹具的夹紧力进行初步计算并进行校核。对各个零部件进行合理的分析和选择以及讨论最终的装配过程。本文综合以上内容，将分为六个章节，按照正常设计流程，第一章会介绍课题的研究背景与国内外发展现状；第二章为定位器的设计；第三章便开始对夹紧件进行设计；第四章将介绍对各种夹具件进行装配与位置安排；紧接着第五章对各部件进行校核与分析；最后是小结与致谢。1.3本章小结本章作为全文的绪论部分，主要介绍了课题的背景、方向。其中包括焊接夹具的背景、来源与历史发展，又介绍了夹具的国内外研究发展现状，明确了课题的研究意义，提出了设计思路和研究内容；最后整体规划设计细则并分排了章节。第2章 工件的定位原理与定位器设计2.1工件的定位原理2.1.1六点定位原理理论上一个刚体在空间直角坐标系中有6个自由度，其中包含沿X、Y、Z三个坐标轴移动的自由度和绕X、Y、Z三个坐标轴转动的自由度，工件定位分析分别用表示移动自由度，用表示转动自由度。要想限制工件在夹具的位置就得将其必须限制的自由度予以限制。在设计夹具时，可以将夹具的定位元件转化为支承点，这样可以分析夹具定位元件所限制的自由度，该方法称为“六点定位原理”，即“3-2-1定位原理”。（图2-1即为本设计的导轨图样）图2-1 导轨图样将导轨定位的过程中，应尽量限制其6个自由度。由于使导轨尽量不与工作台接触，于是在工作台与导轨之间设置垫铁以将工作台与导轨隔离，在导轨的一端设置插入式F夹，与垫铁结合，可以限制导轨的自由度；在其附近与对应的另一端安放定位器可以限制和两个自由度；在断口处再安放一个直角定位器可以限制自由度；垫铁与导轨紧密接触，限制了三个自由度。这样，导轨的六个自由度全部受到限制，在夹具中处于完全确定的位置。本设计正是根据以上的定位方案设计的各种定位器并确定其分布。2.1.2 N-2-1定位原理对于薄板冲压件来说，为了避免薄板因其易变形和偏差较大的特点导致的定位不准等问题，将采用N-2-1定位原理。该原理旨在对薄板件进行柔性定位。由于本次设计的对象为汽车座椅内导轨，不属于薄板冲压件，因此仍采用传统的六点定位，即3-2-1定位原理。2.2定位方法及定位器2.2.1定位基准面的确定定位方案的确定是整个夹具设计的首要步骤，也是比较重要的一个环节，定位的好坏可以决定后续工作的装配焊接的精度和效率，一旦定位确定，其余的夹具组成部分也大致确定。由于本次设计仅仅为汽车座椅内导轨的焊接夹具设计，与复杂的车身不同。导轨的结构比较简单，构造较规整，因此定位基准面的选择会比较简单。在确定定位基准时，应考虑导轨的技术要求和所限制的自由度的数目，对于导轨自由度的限制过程，上文已简要叙述。对于结构简单的导轨来说，会比较容易选择稳定可靠的定位面作为基准面。由于导轨底部的面积最大，而且与最大面平行的面上分布焊点（如图2-2）。 (a) (b)图2-2 导轨正面图与焊点分布因此选择底部的面为组装基准面，在工作平台表面（支撑基准面）与组装基准面之间安置垫铁，以保证焊接过程时，导轨不与工作台直接接触，以免对导轨上的焊接点焊接产生的焊接热影响工作台。其中应注意插入式F夹对其的夹紧力不宜过大，以免因应力过大而导致导轨产生非弹性形变。应该注意的是，侧面也有焊点，因此在对正面焊接结束后应将导轨翻转90度，在侧面对侧面端部进行施焊（如图2-3）。所以侧面也可以作为组装基准面。 图2-3 导轨侧面图 图2-4直角定位件T603052.2.2定位器布局与必限自由度的确定本次设计采用的定位器是直角定位件T60305（如图2-4）。用来作为支撑点限制导轨的自由度，垫铁、插入式F夹UDN300、多杆夹紧器GH-30290M都会对导轨予以限制，如图2-5所示（对各个定位件的细节，第四章会详细说明）。图2-5 需限制的自由度图样将导轨定位的过程中，应尽量限制其6个自由度。通过对表2-1的查阅可以初步确定所选定位器的自由度限制情况，从而确定定位器的分布。导轨的一端附近的插入式F夹，与垫铁结合，可以限制导轨的自由度；在其附近与对应的另一端安放直角定位器可以限制和两个自由度；在断口处再安放直角定位件可以限制自由度；垫铁与导轨紧密接触，限制了三个自由度。这样，导轨的六个自由度全部受到限制，保证其在夹具中处于完全确定的位置。表2-1 工件与自由度限制对应表工件定位基准面定位元件相当支点数限制自由度情况平面宽敞定位板31个移动，2个传动窄长定位板21个移动，1个转动定位钉11个移动圆柱孔长圆柱销42个移动，2个转动短圆柱销22个移动段削边销11个转动短圆锥销33个移动前后顶尖联合使用53个移动，2个转动2.2.3定位器的材料及技术要求的确定定位器的位置分布的工作大致完成后，还要对其材料及技术要求进行商榷。其材料类型、表面硬度、尺寸公差及表面粗糙度要满足要求。韧性和刚性也要达到标准。对一些焊接工艺文献18的查阅后可得知：焊接组合件的制造精度一般不超过IT14级，夹具的精度必须高于制作精度至少3个等级，即不低于IT11级。对于定位元件，其等级精度需略高一些，可取IT9或IT8级。装焊夹具定位元件的工作表面的粗糙度应比工件定位基准的粗糙度低12级。定位元件的表面粗糙度一般不应大于3.0，实际生产中通常取=1.5。由于导轨的焊接夹具组合相对较简单，导轨本身也并非结构复杂、制作精密的零件，因此对与导轨频繁接触的定位元件表面不要求太高的加工精度和耐磨性，其加工精度和耐磨性适当即可。夹具定位元件可选用45、40Cr等优质碳素结构钢或合金钢，也可以选用T8、T10等碳素工具钢制造，并经淬火回火处理，以提高耐磨性。2.3本章小结本章最初简单介绍了六点定位原理以及N-2-1定位原理，对定位基准、定位器的布局与必限自由度进行了初步确定，最后对定位器的材料与技术要求进行简单的选择与说明。第3章 焊接工装夹具的设计3.1焊接工装夹具的设计原则3.1.1实用性原则实用性是指夹具的使用功能，既能体现在技术性能上的优越，又要保证人性化，即整个工装系统与人体适应，操作简便、安全，最大可能的提高工作效率。众所周知，焊接产品通常由两个或两个以上的零部件结合而成，为了施焊方便或易于控制焊接变形，本设计将装配和焊接两道工序分开进行，先装配后焊接，形成永久连接的整体，由于设计的夹具是将导轨与其内部的部件进行固定，因此装配过程比较简易，结构不太复杂。该夹具足可以适应这种情况。由于焊接部分无精度高低之分，因此可以不考虑焊接顺序带来的影响。导轨中的焊点较少，且焊缝面积也小，因此不会因局部受热产生明显的焊接应力与变形。而且导轨与工作台平面平行，焊缝处于平焊位置，较其他位置的焊接相比更容易获得高质量焊缝，几乎所有焊点都可以在该位置完成，省时省力。由于导轨的一端需要与座椅的其他部件焊接，且该处焊缝与其余的焊点在不同的平面上，因此导轨仅需要翻转90度就可以使该焊缝同样处于平焊位置。为了尽量使夹具符合人性化，导轨可以很容易地放置在定位件和夹紧器组成的系统中，从夹具中取出同样很简单快捷，夹紧器和定位件的位置不与焊接点冲突，且不会影响导轨安装，又很适应于工人操作，具有协调、简洁、清晰的特点。3.1.2经济性原则经济性原则是指用最少的人力、物力、财力来获得最佳的效果。焊接夹具的经济性一方面取决于工件的复杂程度，另一方面取决于采用巧妙的部件、精密的结构以及适宜的材料对焊接夹具系统的简化程度，前者难度不大，而后者则需要巧妙的思维、缜密的设计、丰富的经验才能做到。汽车座椅内导轨本身结构简单，其夹具构造自然清晰明了，在使用材料和部件选择两个方面进行优化设计即可符合经济性原则。通过对相关文献及资料的查阅18，可以粗略得出工装夹具的经济性公式：其中，分别为采用工装夹具进行焊接、装配、机加工等工序的花销； ，分别为未用工装夹具进行焊接、装配、机加工等工序的花销； 为工装夹具制造支出； 为工装夹具制造出的工件数量。从经济的方向来看，本设计应采用标准零部件，在保证工装夹具可靠性的同时减少精加工比例和结构重量。因此，本次设计采用孔系结构的通用的、标准的工装夹具组件，专用于单件或小批量生产。（有关孔系结构的设计详见第3节）3.1.3可靠性原则可靠性原则是指夹具在受力时具有足够的刚度和强度，一方面其可以足够支承工件以及因限制其焊接变形而导致产生于各个方向的拘束力。另一方面，夹具应具备防差错功能，防止操作者因疏忽造成装配错误、漏焊、错焊等差错。关于这点，由于本次设计的焊接夹具构造简单，对导轨焊接过程也无复杂工序，所以未对防差错功能予以设计。但设计的夹具系统以孔系连接，各部件之间装配牢靠，绝对能够保证正常的夹紧工作，并可以承受各种拘束力。3.1.4艺术性原则工装夹具造型美观、对称乃是在满足功能使用和经济许可条件下的优化设计，对夹具的变化与统一、稳定与均衡、比例与尺度等形式美法则的设计也适应现代工业和科学技术的美学原则。本次设计的焊接夹具在满足使用的基础上，使各个夹紧器、定位件等部件处于对称位置，既美观又得体，既实用又不会显得很突兀。在保证符合人体系统协调的基础上，使简洁的造型富有美感。3.2夹紧装置设计3.2.1夹紧装置的组成与要求工件在夹具中的位置确定由定位和加紧两个方面决定，为了能使工件在焊接过程中保持不动，不仅需要定位件，最重要的是夹紧器对工件的夹紧作用。因此，要设计出即符合要求又具备以上的原则的夹紧器显得尤为重要。典型的夹紧装置分为三个部分，力源装置、中间传力机构和夹紧元件。其中，力源装置是产生夹紧作用力的装置，通常是指机动夹紧时所用的气动、液压、电动等动力装置。本次设计的力源是人力，不涉及复杂的气、液、电等启动设施。因此，力源装置部分的设计可以忽略。紧接着是中间传力机构，顾名思义，它是将力源产生的力传递给夹紧元件的机构，其特点是可以改变夹紧力的方向、改变夹紧力的大小、保证夹紧力的可靠性和自锁性等。本次设计的夹紧器中插入式F夹靠的是螺旋结构，多杆夹紧器使用的是铰链杠杆机构，两者既可以改变夹紧力的方向又可以改变夹紧力的大小。最后是夹紧元件，即与工件接触的部分，是夹紧装置的最终执行元件，通过其与工件接触而完成夹紧动作，插入式F夹和多杆夹紧器都选用了合适的压头作为夹紧元件。对夹紧装置的设计仍需要将工作特点、定位方式、工艺条件等因素予以综合考虑。3.2.2夹紧装置的分类与初步选择夹紧装置按作用力可分为机动夹紧和手动夹紧，机动夹紧包括液压传动、气压传动、气液压传动、电机传动、电磁夹紧及真空夹紧等；手动夹紧仅仅依靠人力，适用于小批和成批生产。因此该设计中所用的夹紧装置选择手动夹紧。夹紧装置如果按转变原始力为夹紧力的机构可分为简单夹紧机构和组合夹紧机构，简单夹紧机构包括楔式、螺旋式、偏心轮式、杠杆式等，组合夹紧机构则是将简单机构分别两两组合形成复杂的夹紧机构。其中插入式F夹UDN300（如图3-1）属于手动螺旋式夹紧器，而多杆夹紧器GH-30290M（如图3-2）属于手动第三类铰链杠杆机构夹紧器，属于组合夹紧机构。 图3-1 插入式F夹UDN300 图3-2多杆夹紧器GH-30290M首先，对于插入式F夹UDN300来说，其机构简单、操作简便、拆卸便捷，适用于小批生产，动力来源仅仅依靠手动螺旋，由于设计了表面光滑、面积较大的夹紧元件，在夹紧时不会破坏工件表面。查表可得其夹紧力可达到230kgf，最大开口300mm，喉深83mm，质量1.2kg，足够可以胜任夹紧导轨的任务。对于多杆夹紧器GH-30290M来说，其结构简单、紧凑，具有足够的刚性。其夹紧力大小为2950N，相当可靠，不会破坏导轨表面（校核过程会在第五章详细阐明）。又具有自锁作用，保证在装配焊接的过程中既不会使导轨松动，又不会使导轨产生变形和表面损伤。操作方便、安全省力、夹紧迅速，减轻劳动强度，提高劳动效率。3.2.3夹紧力的初步确定为了满足夹紧装置的要求，需要对夹紧力将进行合理的设计，其中夹紧力包括夹紧方向、作用点、力的大小三个要素，其对夹紧装置的设计起着决定性作用，要确定夹紧力，必须要考虑导轨的定位方式、结构特点、装配焊接工艺要求等情况。在设计之初，首先要确定夹紧力的三要素，其次进一步选择适当的传力方式，最后具体设计夹紧机构。(1) 夹紧力方向的选择。夹紧力方向应垂直于主要定位基准面。因为导轨的主要定位基准面的面积很大，定位可靠，夹紧方向垂直于定位基准面，既能使导轨更好地与定位件接触，又可使夹紧力引起的变形减小。承受重力的定位表面水平向上，使焊接热引起的作用力与重力由夹具的定位面或挡铁承受。因此插入式F夹的夹紧方向竖直向下，与导轨定位基准面垂直（如图3-3所示）。图3-3 插入式F夹夹紧方向位置图样与之同时，夹紧力的方向还应有利于减小工件变形。工件变形的大小与工件材料、结构、夹具刚性、夹紧力的方向和大小等因素息息相关。为了减小夹紧力所导致的工件的变形，也应该把夹紧方向设定在工件刚性最大的方向上，同时承力表面是定位件与定位基准接触面积较大的一个平面。因此多杆夹紧器的夹紧方向处于导轨刚性最大的方向上，且符合以上原则（如图3-4所示）。图3-4 多杆夹紧器夹紧方向图样（2） 夹紧力作用点的确定。夹紧力作用点是指夹紧件与工件的局部接触面积。夹紧力作用点要在夹紧方向已定的情况下确定作用点的位置和数量。要确定夹紧力作用点的位置首先应考虑不应破坏工件定位已确定的位置，如图3-3所示。插入式F夹对导轨的作用力方向与垫铁施加的支承反力在一条直线上，这就符合作用力在支承面积范围之内，不会破坏工件定位。图3-4也是同样的道理，多杆夹紧器对导轨施加的力与直角定位件提供的支承反力也几乎在同一直线上，这样不会因两个力作用点距离过大产生力偶，使导轨翻转从而破坏定位。其中，值得注意的是，夹紧力的作用点千万不能妨碍施焊，其位置应尽量靠近焊缝边缘以利于减小变形。对于导轨这样刚性较大的工件，夹紧作用点的数量不必过多，与支承点数量一致即可。还可以参考图3-3和图3-4。本次设计的汽车导轨结构规整简单，刚性较大，若为薄板或薄壁管类工件设计夹具则会复杂很多。3.2.4简单夹紧机构的夹紧力的计算本次设计的简单夹紧机构为插入式F夹，属于螺旋夹紧机构，其利用螺旋夹紧与其他工件组合实现对导轨的夹紧。该夹紧机构结构简单、夹紧可靠、通用性强、可与定位件配合使用。螺旋夹紧机构的工作原理如图3-5所示。 (a) (b)图3-5螺旋夹紧机构工作原理与受力分析图中，螺杆可以假想为绕螺柱的一个个斜面，螺母可以微缩为斜面上的一个质点，因此可以借鉴楔夹紧的方式来分析螺纹夹紧。当对手柄施加外力时，质点沿着螺旋斜面运动，插入式F夹的螺纹为方牙螺纹，由手柄施加的力为，手柄长度为L，螺纹平均直径为，则可求出质点所受的水平力，即： （3-1）质点沿着斜面做运动时，其与斜面有摩擦力，所以反作用力与法线之间存在一个摩擦角，则作用在质点上的作用力有三个，即水平力、斜面反作用力和夹紧力，如图3-5(b)所示，根据正交平衡关系可推导出水平力和夹紧力之间的关系，即： （3-2）将（3-1）式代入（3-2）式中，可得： （3-3）式中：为夹紧力，为手柄给予的作用力，为手柄的长度，为螺纹的平均直径，为螺纹升角，为螺母与螺杆间的摩擦角（一般取=8°20）。使用力臂为的扳手，例如插入式F夹的扳手，取=3.1°，=8°20，代入（3-3）式中得：由此可见，螺旋夹紧可以提供较大的夹紧力，足够满足对导轨的夹紧，其中升角远大于摩擦角，故会保证自锁。但如果螺杆端面为平面或采用螺母夹紧时，还应该考虑旋转时与接触面产生的摩擦力矩的损失，对于这种情况的夹紧力的计算还会复杂一些，本文将不予赘述。3.2.5复合夹紧机构的确定复合夹紧机构是由几种简单的夹紧件和传力件利用杠杆和自锁原理组合而成的夹紧机构。其可以说是集多种简单夹紧机构的特点于一身，既可以成倍地扩大夹紧力，使整个夹紧机构自锁，又可以在最合适的地点与方向对工件进行夹紧。例如，单纯的杠杆机构本身是无自锁作用的，如果与偏心、螺旋、楔型等夹紧件组合就会获得自锁作用，不仅是自锁，其夹紧力也会大大提升，原始力经过第一个机构传向第二个机构，其夹紧力会成倍增长，原始力就会得到第二个机构和第三个机构的倍数增长的乘积。本次设计将杠杆与固定铰链和活动铰链机构巧妙地结合起来，设计一种铰链杠杆夹紧机构,如图3-6(a)所示。其夹紧速度快、夹头开度大、适应性强，既适用于薄板类工件，也可用于对导轨的夹紧。图3-6（b)展示的是该铰链杠杆夹紧器的运动简图。 (a) (b)图3-6 多杆夹紧器图样与运动图解实际上多杆夹紧器属于第三类铰链杠杆夹紧器的派生形式，其手柄杠杆与连架杆、连接板为复合铰链，手柄杠杆成为连架杆。而手柄杠杆与连接板共线的实现才致使铰链杠杆机构具有自锁作用，从而防止室内外作业中遇到震动等颠簸时自行松开。事实上，实际设计过程中，手柄的杠杆与连接板的铰接点要稍微越过共线位置大概0.63mm左右便可确保在铰链配合间隙较大的情况下能正常工作。3.3柔性夹具所谓柔性夹具，就是在同一种夹具体中可以装夹在形状和尺寸上区别不大的不同的工件，达到固定的目的的一种类型的夹具。其功能丰富，夹紧件的变化调整灵活多变，能在保持之前的夹具部件大致不变且不大量改变其结构的基础上，仅仅通过改变、更换少量零件就可以满足对新产品的工装要求。本次设计也正是利用这一特点，采用灵活多变、可快速装卸的组合夹具系统。其中组合夹具包括很多种：槽系、孔系以及可调整夹具。本设计利用孔系工作台配以各种夹紧器与定位件通过定位销（例如球锁销钉）共同结合成导轨的装夹系统，如图3-7所示。图3-7 焊接组合夹具爆炸图展示孔系结构较与之近似的槽系结构相比，刚度高、成本低、定位准、各部件装配时间短、工作效率高。其采用一面两销的定位方式，较槽系结构定位更加精准、可靠。而且工作台的孔结构与定位件或夹紧器的孔重合，之间仅需要定位销就可以完成定位，操作简单、快捷。孔系夹具系统大致可分为基础件、定位件、夹紧件、结构支承件等。前文多次阐述，由于本次对汽车座椅导轨进行夹具设计，导轨结构简单，形状规整，因此不需要使用过多繁琐复杂的结构支承件，仅用少量或不用支承件与其他部件进行紧凑、合理的配合就可以完成装夹任务。结构支承件选用方形支承件：垫铁。由于孔系方箱的尺寸较大，因此不予采用。定位件选用标准件，直角定位件T60305和球锁销钉T65015；夹紧件同样选用标准件：多杆夹紧器GH-30290M和插入式F夹UDN300。（各部件之间的装配情况以及介绍详见第四章）3.4本章小结从本章正式开始对焊接工装夹具的设计，先是对工装夹具设计的基本原则进行简要阐述，对夹紧器进行设计与选择，紧接着明确了对夹紧器的夹紧力的初步计算，其中，对简单夹紧器和符合夹紧器进行较详细的分析与介绍，并做出选择，最后对本次的夹具体设计借鉴的类型：柔性夹具，进行了简要对比与分析。第4章 焊接工装夹具的装配4.1焊接夹具各部件的选择与确定4.1.1夹具体夹具体作为将夹具各个部件固定并连成整体的夹具基础件，无疑对夹具起着无法替代的作用。对夹具体的设计既要考虑使焊接夹具部件牢固可靠，更要考虑工件装夹拆卸方便，得心应手。所以，对夹具体的设计应该给予重视。本次设计的夹具体为孔系结构，并非普通毛坯加工，也非槽型结构，刚度、强度比较大。因此在装配时便不需要划线安装，仅需要将各部件通过销结构与孔相连即可，结构简单、安装稳定，便于装配和检验，是夹具设计的最佳选择。夹具体即工作台，在工作台的正面横纵每隔50mm分布一个直径为16mm的圆孔，称为D16系列。工作台的四周由于夹紧工件的工作需要的原因未设计过多的支承脚、定位模块等部件，这也使夹具系统结构更加简单，减小了设计难度。4.1.2各种模块本次设计的标准模块包括直角定位件、球锁销钉、插入式F夹、肘节钳连接板。直角定位件为导轨进行限制自由度和固定位置的作用，选用标准件T60305。其外形尺寸为75×100×25，三孔一槽，质量0.25kg，如图4-1(a)所示。 (a) (b) (c)图4-1 各种模块图样球锁销钉的构思借鉴于德国戴美乐公司的专利件：PC销栓，可以快速定位并夹紧直角定位件与工作台以及肘节钳连接板与插入式F夹。夹紧时，四个钢珠伸出，对两个连接件进行夹紧，每个销钉的夹紧力足够完成夹紧任务，仅仅手工就可以完成。松开时，钢珠自动收缩进入销钉内部，这时就可以取出销钉。全过程单手操作，定位夹紧一气呵成。本设计选用T65015型销钉，直径16mm,销钉中间负责夹紧工件的厚度为28mm，质量0.08kg，如图4-1(b)所示。肘节钳连接板作为将多杆夹紧器与工作台连接的“桥梁”，实际上并没有太大的尺寸要