某叉车上外门架下横梁焊具（焊接工装夹具）的设计

广西工学院鹿山学院本科生毕业设计（论文）

广西工学院鹿山学院

毕业设计说明书

题 目： 某叉车上外门架下横梁焊具（焊接

工装夹具)的设计

系 别： 机械工程系 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 职 称： 教授

二〇一二年四月二十八日

I

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摘要

我国的工业车辆每年都以0得速度快速增长，叉车作为其中的主力军，其发展速度非常快，而其中的部件—外门架下横梁对叉车的支撑作用起了决定性作用。

焊具作为重要的生产装备和工艺发展方向，在各个领域都获得广泛的应用，其加工生产作用不可替代。在本设计中设计了一个难度一般的焊具，怎样根据现有资源快速的成型，提高效率是研究的重点。

作为焊具中的一部分--夹具在机械加工中起着十分重要的作用，可以缩短辅助时间，提高劳动生产率，保证加工精度，稳定加工质量等等，其作用的体现就在于快速装夹和稳定上，本设计焊具中包含了一定的夹具，而怎么快速装夹，怎么选取定位面才能保证精度是研究的内容。

关键词：叉车；焊具；夹具；高效。

II

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Abstract

Welding equipment industry of our country vehicle every year to 30% speed of rapid growth, forklift as one of the main force, its development speed is very fast, and the parts of forklift gantry crossbeam supporting role play a decisive role.

Soldering tool as an important production equipment and technology development direction, in various fields have a wide range of applications, the processing effect can not be replaced. In this design a simple bending forming die, how according to the existing resource rapid molding efficiency is the focus of the study.

Soldering tool fixture in the mechanical processing plays a very important role, can reduce the auxiliary time, improve labor productivity, ensure the machining precision, stable processing quality and so on, its role in the embodiment is the rapid clamping and stability, the design of a boring tool, and how fast clamping, how to select location in order to ensure the accuracy of surface is the research content.

Key words: forklift; soldering tool; fixture； high efficiency

III

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目录

1 前言 ................................................................ 1 1.1 课题背景及研究意义 .............................................. 1 1.1.1 国内外市场分析 ............................................. 2 1.1.2 在焊接技术发展趋势方面： ................................... 3 1.1.3 在软开关技术方面 ........................................... 4 1.1.4 逆变焊机与焊接工艺之间的关系 ................................ 5 1.1.5 电伺服点焊钳的应用前景良好 ................................. 9 1.1.6 合理的产业结构和技术创新正在逐步形成 ...................... 10 1.1.7 规划、观念、意识方面 ...................................... 10 1.2 国内外研究现状 ................................................. 11 1.2.1 虚拟制造技术的发展与应用 .................................. 11 1.2.2 柔性技术的发展与应用 ........................................ 12 1.3 课题研究的内容与设计方案 ....................................... 13 2 外门架下横梁概述 ................................................... 15 2.1 装焊夹具概述 ................................................... 15 2.2 装焊夹具的特点 ................................................. 15 2.3 焊接概述 ........................................................ 16 3 外门架下横梁的三维夹具设计 ......................................... 17 3.1 焊接夹具设计的主要指标 ......................................... 17 3.2 焊接夹具典型结构设计 ........................................... 18 3.2.1 三维焊接夹具设计和整体方案的确定 .......................... 19 3.2.2 对外门架下横梁的焊具的三维工装设计方案的重要零部件进行分析和强度校核 ............................................................. 20 3.3 柔性设计在三维夹具设计中的体现 ................................. 28 4 外门架下横梁的焊装夹具典型零部件二维图输出 ......................... 29 4.1 典型零部件的二维图输出及尺寸标注 ............................... 29 4.2 工艺要求 ....................................................... 32 4.3 焊接工艺要求 ................................................... 32 4.4 焊接一般公差 .................................................. 35

IV

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4.4.1 直线尺寸的公差 ............................................ 35 4.4.2 角度尺寸的公差 ............................................ 35 总结 ................................................................... 37 致 谢 ............................................................... 39 参考文献 ............................................................... 40 附录 ................................................................... 41

V

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1 前言

1.1 课题背景及研究意义

叉车（如图1-1）是一种能把水平运输和垂直升降有效结合起来的物料搬运机械，它是以门架和货叉为工作装置的，可用于装卸、堆放成件货物。更换工作装置后，也能用于特种物品和散料的装卸搬运作业。叉车由动力装置、轮式底盘和工作装置三个主要部分组成，工作装置包括门架、链条、叉架、货叉和液压缸等。

门架为伸缩结构,铰接在车轴或车架上,通过倾斜液压缸可前后倾斜，以便于装卸货物和带货行驶。起升液压缸通过链条传动使装有货叉的叉架沿内门架升降，内门架叉以外门架为导轨上下伸缩，使叉车能以较低的门架高度，把货物举升到较高的高度。叉车广泛应用于车站、港口、机场、工厂、仓库等国民经济各部门 ，是机械化装卸、堆垛和短距离运输的高效设备，它具有工作效率高，操作使用方便激动灵活等优点，自行式叉车最早出现于1917年。

第二次世界大战期间，叉车得到发展，中国从20世纪50年代初开始制造叉车。特别是随着中国经济的快速特别是随着中国经济的快速发展，大部分企业的物料搬运已经脱离了原始的人工搬运，取而代之的是以叉车为主的机械化搬运，近些年来，中 国叉车市场需求都在快速的增长。

图1-1 叉车

我国叉车工业起步于20世纪50年代末，当时主要仿制前苏联产品。从70年代后期到80年代中期，全行业先后组织了2次联合设计，各叉车生产厂纷纷引进国外先进技术，如北京叉车总厂引进日本三菱1～5t内燃平衡重叉车技术，大连叉车总厂引进日本三菱10～40t内燃平衡重叉车和集装箱叉车技术，天津叉车总厂引进保加利

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亚巴尔干车辆公司1.25～6.3t内燃叉车技术，杭州叉车总厂引进西德O&K公司静压传动叉车、越野叉车和电动叉车技术，合肥叉车总厂、宝鸡叉车公司引进日本TCM株式会社1～10t叉车技术，湖南叉车公司引进英国普勒班机械公司内燃防爆装置技术。

自90年代开始，一些骨干企业在消化吸收引进技术的基础上积极对产品进行更新和系列化，因此目前国产叉车的技术水平参差不齐。其中，电动叉车因受基础技术落后的制约，整体水平与世界先进水平差距很大，每年仍要进口价值近2亿美元的叉车产品。

中国叉车能否逐鹿国际市场，并在与世界强手的竞争中立于不败之地，将依赖于叉车整体技术水平的提高，特别是电动叉车技术的飞速发展。

1.1.1 国内外市场分析

与预测全球约有250家叉车生产企业，年生产量保持在50万台左右。由于竞争的加剧，同20世纪80年代比，世界叉车工业出现了销售额增长而利润减少的反常现象。

一方面，为降低成本，叉车巨头纷纷在发展中国家建厂。例如，在中国建有厦门林德、安徽TCM、北京汉拿、湖南德士达、烟台大宇重工、上海海斯特等。这些公司把具有世界20世纪90年代中期先进的产品和技术带到国内，促进了我国叉车技术的快速发展，同时对国内市场也造成了很大的冲击。

另一方面，随着市场经济的发展，物流技术在经济发展中的地位与作用越来越明显，叉车普及率越来越高，已从过去单一的港口码头进入到国民经济的各行各业。目前我国叉车的保有量约18万台，实际年潜在需求量约10万台，而实际年销售量仅3万台左右，可见中国的叉车市场是巨大的。

随着人们对环境污染危害的深刻认识，环保已成为世界共同关注的焦点，因此，环保型叉车将成为市场主流。

其次，自动仓储系统、大型超市的纷纷建立，刺激了对室内搬运机械需求的增长，高性能电动叉车、前移式叉车、窄巷道叉车等各类仓储机械迅速发展是未来叉车市场的又一特征。

另外，全球经济一体化必将带来全球工业的国际化，使得各国间及国内贸易大幅上升。有资料表明全世界集装箱吞吐量每年以30%左右的速度递增。贸易的增加将推动现代集装箱搬运与堆垛设备的高速发展。

中国叉车产业未来发展趋势

近些年来，我国叉车发展十分快速，由于叉车适用范围很广，各个领域的市场需

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求都不断增加。我国叉车行业的发展与我国经济发展水平及工业化发展程度是密切相关的，随着物流业的飞速发展和人们对叉车使用意识的增强，我国叉车在质量品种等各个方面都有了很大的发展。

尚普咨询机械行业分析师指出，全球叉车行业发展属于市场的成熟期阶段，而 国内仍然属于发展期，产品仍需不断的完善。叉车在适用范围上并没有得到最大的拓展，企业的研发能力也较弱，所以未来企业如何满足市场的多样化需求是行业发展的关键。

近年来，我速增长。我国叉车市场非常广阔，引来了许多外国叉车制造商，叉车行业实现连续几年快速增长的成绩。统计数据显示，叉车行业近些年来增长一直保持在20%左右，预计未来仍将会保持快速发展。随着叉车行业的快速发展，一些民营企业也加入到队伍中，但是在众多的叉车生产企业当中真正的形成一定的行业规模的企业极其少。

据中国工程机械工业协会工业车辆分会统计，去年我国共销售机叉车23万多台(含出口)，首次超过20万台，在“十一五”期间叉车销量年平均增长率就达到了25%左右。目前我国叉车的市场销量超过了全球叉车总销售量的四分之一。

目前我国叉车大型企业只有像杭州叉车有限公司和安徽叉车集团公司等极少家，大多数企业规模都很小，随着我国工业化水平的提高，叉车的使用范围不断增加，国内的企业已经很难满足市场的发展需求，与国外的产品相比我们还有很大的差距。

叉车行业的发展应该形成一定的规模化，企业要做大做强，后进入的工业车辆生产企业要充分了解市场不能搞重复建设，坚持理性竞争。目前我国叉车企业所占的基本都是一些低中端市场，企业生产缺乏核心的科学技术，我们应该积极进行产品结构调整，不断满足国内外市场的各项需求，向中高端市场进军。

1.1.2 在焊接技术发展趋势方面：

随着世界制造业的快速发展，焊接技术应用越来越广泛，焊接技术水平也越来越高。新的焊接工艺方法不断涌现，专业焊接设备日新月异。与此同时，国内外焊接设备生产企业也纷纷通过各种方式展示自身的实力，特别是借以展会展出品种繁多的产品和先进的技术。

纵观2009年的三大焊接展，即2009年6月在上海举办的第14届北京．埃森焊接与切割展览会、2009年9月在德国埃森举办的第17届德国埃森焊接与切割展览、2009年10月在天津举办的第23届中国焊接博览会，我们对国内外焊接技术的发展趋

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势以及焊接生产发展的新需求和新动向印象较深的是：核心技术的作用得以显现，数控和电源方面有发展，激光焊接技术成为一大亮点，机器人应用普及化。

可以认为，世界焊接技术又跨上了一个新台阶，在高效、自动化、环境友好方面有了新的进步;焊接材料的种类更加丰富，焊接自动化、高效化、清洁化更加突出；焊接技术的综合成本更低，焊接对工业的服务更加广泛。同时，焊接中存在的手工、粗糙、脏乱、低速已基本消除，取而代之的是自动、精密、清洁、高效。

逆变焊机继续向纵深发展的几个方面： 普及性提高、功率制造能力增强、小型化。

1)普及性提高：逆变式焊机的参展率愈来愈高，参展面愈来愈广。今年的展会上，几乎所有的大公司，都以较大的阵势展示了各种逆变式焊机及新技术、新产品，只是各自的品种、功率、性能、功能和制造水平不同而已。此外，逆变焊机的品种、性能、功能和焊接方法和应用范围也有一定的提高、增加和扩大。

2)功率制造能力增强：过去人们认为，逆变焊机以其小巧、移动方便、省电节材的优势主要适用在中小功率的场合。今年的展会上，不少公司均展出了千安级的技术产品。

3)小型化：通过提高频率和采用高性能磁体、优化结构等，尽可能把小功率的逆变焊机做小。如用于焊接位置变动频繁的装配和维修工作中薄板焊接的小焊机只有3.4kg。

在展会上，逆变焊机几乎出现在所有电焊机展商的展台上，这表明逆变焊机现已成为电焊机行业的主流趋势。目前，逆变焊机在基础技术层面上已经趋于成熟，当前的技术竞争主要体现在逆变焊机相关电源技术的外延和逆变焊机相关焊接工艺技术的深化两个方面。

1.1.3 在软开关技术方面

国外逆变焊机中的软开关电源技术并不十分普遍，特别是20kHz的逆变焊机多数仍以硬开关为主，但其所用开关器件的容量余度比国内焊机大很多，从而保证了逆变电源的高可靠性。

这是由于不同的人力成本所决定的，因为软开关电路所需附加的电磁元件的制造和组装成本，在人力成本较高的地方会超过增加开关器件容量的材料成本。国外的软开关电源技术主要是针对工作在60～120kHz的高频大功率的焊机，主要是为了提高电源的响应速度，便于更精密的波形控制过程。

变压器材质及其结构方面：

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逆变变压器是逆变焊机中的关键器件。在这方面，国内的大功率焊机采用非晶铁芯的比例很大，而国外多数还采用铁氧体磁芯。目前，使用最多的20kHz的逆变频率，非晶铁芯应该说比铁氧体更有材料成本优势，但由于材料的特性所决定，目前非晶铁芯只能以环形方式供货，不便于线圈的自动化绕制。国外企业大多使用铁氧体磁芯而不愿意改用非晶铁芯，而国内的企业出于对材料成本的考虑，广泛使用非晶铁芯。

数字化控制推动焊接技术的升级和发展方面：

五年前，数字化控制的焊机还只是少数几个国际知名公司的“尖端科技”。从今年的展会上看，在国际上数字化控制已属平常，数字化控制焊机甚至已经不再是销售的卖点。在芬兰KEMPPI和奥地利Fronius的推动下，数字化焊机已进入产品规模化生产阶段。

逆变电源的高响应速度为焊接控制技术提供了一个理想的功率平台，数字化技术在焊接电源中的应用进一步提高了电源控制技术的水平和可操作性。逆变焊机的数字化控制无疑会有强势的发展，因为它在控制方面极大地简化了电路结构，提高了焊机控制系统的稳定性，方便了应用。

目前，国内的数字化焊机与国外数字化焊机的最大差距在于焊接工艺性能。可以说，数字化焊机的最大卖点不是数字化技术本身，而是先进的焊接工艺技术。同时，数字化的最大优势还在于与逆变焊机相结合后可以承载先进的焊接工艺技术。

1.1.4 逆变焊机与焊接工艺之间的关系

逆变焊机对于电焊机行业的影响无疑是一场电源技术的革命，但是对于整个焊接领域来说，与其说是电源技术的革命，不如说是焊接工艺技术的革命。可以说，逆变焊机促进了焊接工艺技术的深化。

特别是数字化技术搭载在逆变焊机的技术平台上进一步改变了电焊机行业的技术状态。通过展会可以看到：从单纯的电源技术向与先进焊接工艺技术结合已成为一种趋势，研究焊接电弧行为将成为今后电焊机行业技术发展的一个重要方面。

对送丝机数字化控制的依赖：

数字化控制的逆变焊机的最大优势体现在GMAW(熔化极气体保护焊)过程中，因此除了电源问题之外，送丝机的控制也非常重要。如果没有稳定送丝速度，很多先进的控制方法都无法实现，如脉冲MIG的核心问题就是电流波形与送丝速度之间的合理搭配。

目前，国内脉冲MIG焊机的主要差距不是在电源方面，而是在送丝机方面。国外同类产品都是采用具有速度反馈控制的送丝机，而国内大多还在使用电压反馈控制的

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送丝机。随着焊接工艺要求的提高，对于送丝机要求不仅仅是速度稳定，对于响应速度的要求也越来越高。例如CMT技术的核心就是焊丝的反抽控制，这点同样在引弧技术中起到关键作用。数字化控制的交流伺服电机已经替代传统的直流电机在送丝机在高档焊机中使用，由此可见逆变焊机的数字化控制从电源部分扩展到送丝机也是一种发展趋势。

数字化技术实现高性能和多功能：

众所周知，数字化技术可以提高控制系统的干扰性、控制精度，从而提高焊机的焊接精度、可靠性和稳定性等的整机性能。同时，还可通过变换外特性曲线、输出电流波形、动态特性参数等，实现多种焊接方法、多种焊材、多功能、多焊接参数的调节及其最佳匹配的控制，在把焊机做成“精品”的同时，把焊接工艺、焊件也做成“精品”。福尼斯公司的CMT(冷金属过渡)焊接系统在此方面作了很好的诠释。CMT熔滴过渡的方式新颖，与传统焊接工艺比较，过渡熔滴温度相对较低，可以实现异种金属连接，可以把焊丝的熔化和过渡分别成为两个相对独立的过程，对于焊接线能量的控制更加灵活。

通过精确的弧长控制，CMT过程结合脉冲电弧，实践了无飞溅焊接，大大降低了焊接的热输入。通过控制脉冲电弧影响热输入量，实现无电流状态下的熔滴过渡;母材熔化时间极短，起弧速度提高了两倍，热输入低，焊接变形小，搭桥能力显着提高，焊接性能优异;焊缝成形美观。

除焊接机器人自动化的高效化以外，随处可见的就是熔化极焊接的大量展出和广泛应用。熔化极焊接除个别特殊情况外，几乎全是MIG/MAG焊机，适应集装箱等行业需要的薄板高速高效焊接的需求。珠海代理的德国克鲁斯公司展示的TANDEM 焊接系统，焊接2～3mm薄板的焊接速度可达6m/min，焊接8mm以上厚板的熔敷效率可达24kg/h。在焊接一些要求控制线能量的低合金高强度钢等材料时，气体保护焊是替代埋弧焊工艺的最新选择。

为实现高效化焊接，过去仅仅限于改变焊接参数和保护气体等方法。今天，逆变焊机表现出了极大的生命力，因为其工作频率高而使焊机具有体积小、重量轻、节能、省材、降耗和动态响应快、效率高、焊接性能好等特点，正在逐步成为弧焊电源的主流。正是在逆变式焊接电源的平台上，借助计算机技术，用现代科学手段来不断解决气体保护焊接提出的更高的技术要求。

目前，北工大、成焊所等国内的焊接技术研究机构和各国厂家都在积极探索“如何应用新的方法提高焊接质量，实现‘少飞溅和无飞溅’、‘少气孔和无气孔’”、

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“如何应用新的方法降低焊接成本，用最小的能量输入实现最快的焊接速度”。因此，积极推动开展数字化逆变气体保护焊机的研究与开发工作，用数字控制代替模拟控制是气体保护焊机发展的科学之路。

全新的交流短路过渡焊接法：

为适应低热输入和低飞溅的CO2/MAG焊接要求，日本OTC公司和松下公司分别推出了交流CBT方法和采用BB技术的低飞溅全数字CO2/MAG焊机。德国克鲁斯公司的GLC353CP焊机和日本OTC公司生产的DL350数字逆变式MIG/MAG焊机，采用全新的交流短路过渡焊接法，这是焊接电源在正极(EP)和负极(EN)的输出极性之间相互切换进行焊接的方法。

据介绍，与传统的逆变气体保护焊接方法相比，飞溅附着量明显降低。据OTC公司介绍，采用θ1.2焊丝250A CO2气体保护焊接，传统的逆变CO2气体保护焊飞溅产生量是2.4g/min，而采用交流CBT方法的CO2气体保护焊飞溅产生量仅仅是1.2g/min，飞溅量降低了一倍。

美国米勒公司的RMD焊接是一种精确控制下的短路过渡技术，通过检测短路电流发生的时间及时控制焊接电流和焊接电压，可以精确控制熔池，是一种动态控制技术。采用RMD技术的根焊焊缝不仅熔合好，而且大小间隙均可实现填充。

此外，对焊接飞溅、热影响区以及平稳过渡的优化都明显强于传统的纤维素焊条根焊，焊接性能优异，可以实现管道焊接的所有工艺，十分适合野外环境下的施工作业。

近年来，双丝、三丝以及四丝、五丝等多丝埋弧焊频频出现，应用于诸多行业。 展会上，LINCOLN展出的多丝埋弧焊接技术，采用1000A级的AC/DC逆变式弧焊电源供电和数字化协同控制技术。第一根焊丝由2个1000A级的AC/DC逆变式弧焊电源并联供电，其余焊丝均由1000A级AC/DC电源供电，主要用于厚壁管道的高速焊接。据介绍，双丝焊比单丝焊提高焊速30%，增加输入热能23%;四丝焊比三丝焊提高焊速和生产量均达到35%，将焊速从1.7m/min提高到2.3m/min。

ESAB的四丝和六丝埋弧焊接技术，所用的电源均为1200A级的可控硅直流弧焊电源，而且均采用一头(一个焊炬/嘴)双丝、两头四丝和三头六丝进行多丝埋弧焊接，每一头双丝由一个1200A级的电源供电，其生产效率较高。据介绍，四丝(2*2*￠2.5)与单丝(1*￠4)焊比较，熔敷金属量从12kg/h提高到38kg/h。

一拖二至一拖四，快捷更换焊接方法，提高生产率。

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提高生产效率的另一种技术是采用一个多功能的弧焊电源，备有2-4个送丝系统及其控制驱动单元。根据焊接材料、焊接方法的不同需求选用其中相应的一个送丝系统和控制单元，很快进入所需的焊接状态，大幅度减少辅助时间。

德国克鲁斯公司的双丝气体保护焊接系统在国内也很受欢迎。 焊机的焊接工艺性能成为电焊机行业新的技术竞争焦点

从展会上可看出，逆变焊机的高端产品方面，仍是国外产品的一统天下。任何一个重要的新技术、新方法(如STT、CMT、Cold Arc等)，无不与焊接工艺相关。这说明逆变焊机产品的技术竞争焦点已经开始从电源技术、控制技术转移到焊接工艺性能方面。

对于国内电焊机行业来说，能否实现这个转移是一个新的、更严峻的挑战，因为要在焊接工艺方面实现技术突破绝不会比突破逆变焊机电源技术瓶颈的过程容易。这是我们要面对的一个新挑战。或许，它将决定一个企业在新一轮竞争中的成败。

自动化焊接系统的运用大幅提高：

焊接自动化就是要通过先进的焊接工艺、材料、设备、自动化控制系统和焊接胎夹具、装卡定位及其运动系统的有机集成，实现对待焊工件的高效率、高品质、低成本的批量化规模生产，以保证高品质产品的稳定、一致化批量的产出。焊接自动化主要包括焊接自动化专机和焊接机器人。

展会上的展品有近一半属于专机，其中大部分都配用了机器人。从展会上看出，在焊接领域，自动化程度最高的就是工业机器人。欧美等国家工业机器人的运用已经非常广泛，大规模应用工业机器人使成套装备满足自动化、柔性化、多功能化是今后的发展趋势。

国内展示的焊接专机大部分属于焊接辅机与焊接电源、送丝机的组合。 展会在焊接自动化技术和设备方面展现最突出的有：激光及其复合焊接机器人;弧焊机器人;点焊机器人专用伺服点焊枪;自动焊接、智能化焊接必需的各种焊缝跟踪技术。

激光焊接机器人保证焊接柔性化:

与传统焊接方法相比，激光焊接具有能量集中、焊接变形小、焊接速度高、可达性好等优点。可以说，机器人与激光焊接相结合是如虎添翼，实现高效化和高柔性化的完美结合。

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1.1.5 电伺服点焊钳的应用前景良好

目前，点焊工业领域所用的焊枪绝大部分是气动焊枪。气动焊枪的技术特性与电阻点焊的技术要求决定了其电极力在焊接过程中固定、不可调，响应时间长。因此，气动焊枪很难在短时间内通过改变电极力实现对焊点质量控制。

然而，电动伺服点焊枪通过交流伺服电机带动电极进给来施加焊接压力，各参数都可以精确地进行控制。同时，伺服焊枪应用于点焊工业后，由于改变电极压力、响应时间短，因此能够满足电阻点焊中瞬间锻压力的响应要求。

于是，针对目前的汽车行业应用的镀锌钢板、铝合金和超高强钢的需求量日益增多，运用伺服焊钳的电极力可控特性，并结合其它的技术特性，优化焊接参数为实现对这类难焊材料的焊接与质量控制开辟了良好的应用前景。

展会上，点焊机器人数量有明显增加，德国的尼玛克(NIMAK)等机器人厂家均展出了配置了电伺服点焊钳的机器人。

焊接自动化专机向标准化模块化发展方面：

专用自动焊接设备就是为用户专门定制的焊接设备。其制造难点是由于是针对用户个性化的设计、制造、调试、服务，导致产品交货周期长、风险大、技术服务成本高。但近年来，随着我国现代制造业的快速发展和技术水平的不断提高，交货周期长与用户的急需已经成为自动化焊接设备开发的突出矛盾。通过展会可见，焊研科技等不少焊接自动化厂家逐步认识到模块化设计的重要性，积极进行自动化焊接设备的模块化设计和生产管理，取得了长足的进步。这表明，模块化是自动化专用焊机的发展方向。

从历年的展会看，焊接自动化装备展品的比例在逐年增加，其制造工艺水平和电子控制系统的水平大幅度提高。

自动焊接小车、送丝机、焊枪等基础件研究得到重视：

长期以来，CO2 /MIG送丝机、自动焊接小车被焊接人士认同为电焊机的辅机具，未受到焊接界的高度关注。其实，这类产品是焊接电源不可或缺的重要部件，代表着CO2 /MIG焊接、埋弧焊机的应用深度及自动化水平。

一个良好的焊接电源所提供的是焊接能量与驱动程序，而焊机追求的焊缝质量、焊接效果及焊接效率，这又都是通过送丝机或自动小车连接焊枪合成后，与焊接电源组成完整的焊接系统才能体现出来。

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因此，这些辅机具质量的差异性、可靠性直接制约了主电源焊接效能的发挥。随着焊接自动化的普及和提高，以及对焊接效率的关注与追求，送丝机及自动焊接小车的位置和作用越来越突显、越来越被业内人士倍加重视。

1.1.6 合理的产业结构和技术创新正在逐步形成

从展会看，国外很多成熟的技术在国内才刚起步，国内与国外焊接技术相比存在着较大的差距，其先进技术的发展历程对国内焊接技术的发展方向可以起到充分的借鉴作用。

但不管怎样，中国品牌焊机在埃森展会上的集体出现，无疑向世界表明，中国焊机已作好向欧洲市场进军的准备了。业不在于大小，关键在于活力，实现新的发展，提升企业技术研发实力。

上海沪工、南通三九、深圳瑞凌、佳士科技等多家通用产品生产企业充分发挥了老企业的技术和品牌优势，在国际市场上打出了一片天地;昆山华恒积极向机器人研发进军;唐山开元机器人系统有限公司从唐山开元自动焊接装备有限公司分立组建后的强势发展;山大奥太、南通振康、成都熊谷、北京时代等专注于通用产品的研发。

北京中电华强、焊研威达、焊研科技、广州松兴、无锡威华等在专用和成套设备的开发上加大投入，产品不断创新;上海通用、上海东升、成都华远、上海华威的规模化和精细化管理;阳通集团和华联集团的规模化发展;杭州凯尔达不仅注重技术投入，而且还大力发展数控切割机业务等等，一个个具有鲜明特点的企业，勾勒出焊接设备行业调整产品结构、研发新产品新技术，为企业更上一层楼的发展宏图。

1.1.7 规划、观念、意识方面

无一例外，世界着名焊接设备生产厂商都既有专业的长远规划，也非常专注于执行，如ESAB几十年如一日地致力于埋弧焊方面的研究;KEMPPI从1946年生产电源起，至今仍专注于逆变电源研究，已创造出了多个世界第一。

通过与国内外电焊机厂商的广泛接触，印象非常深刻的是：国外知名企业都拥有自身的核心技术及其专有技术名词(如我们熟知的STT、CMT、Power Wave等)，还有很多新的或我们以前不曾关注的技术名词(如Force Arc等)，并都具有R标识。由此可见，国外企业对核心技术及其知识产权保护的强烈意识。

总之，在上述的三大展会中，来自世界各地企业的形象鲜明，异彩纷呈的新产品、新技术、新工艺使参观者眼界大开，同时也折射出行业未来的发展趋势。特别是欧美等发达国家的企业对焊接技术的研究非常深入、非常系统，从成套设备到焊接单机、

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从焊接材料到焊接辅助机具??不仅产品外观精美、色彩协调、性能稳定、可靠性好，而且技术特点非常鲜明，这些都值得我国企业学习与借鉴。

可以说，以上展会为国内外焊接设备与技术提供了展示的舞台，也把国内外焊接设备与技术进步推向一个崭新的阶段，更为我国焊接设备与技术的发展指明了方向。我们相信，我国焊接技术将会遵循客观规律、实事求是稳步地向前发展，不久的将来定会融入世界领先行列。

由于要求挡泥板的强度高，因此挡泥板的焊接技术非常重要，它是提高产品质量和生产效率的关键。挡泥板装焊夹具也正是保证其焊接高质量的关键焊接夹具属于焊接工艺过程的辅助装置，在挡泥板大批量生产过程中，该装置是必不可少的。它不仅可以提高焊接生产率，而且也是保证焊接产品的尺寸精度重要装置。

焊接夹具没有统一规格和标准化，属于非标准设计和制造的工艺装备，要根据具体挡泥板的结构特点、生产条件和实际需求来自行设计与制造。因此,在装载机制造过程中,装载机焊装工艺和焊接夹具的设计变得尤为重要。

本设计为了缩短夹具设计的周期，提高设计精度和设计效率将直接利用UG软件进行三维设计。UG软件可以构建整套夹具的全数字化模型，可对整个产品、指定的子系统或零件进行可视化装配分析、检测, 从而促进产品的性能优化。与传统二维设计相比，利用UG软件所提供的虚拟装配功能，能实现不通过实际生产调试就可在设计过程中检测出零件存在的问题大大降低的成产成本。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 虚拟制造技术的发展与应用

从20世纪60年代起至今，制造企业的战略由资源经济向知识经济转变。20世纪60年代制造企业追求的是扩大生产规模，70年代是降低生产成本，80年代是提高产品质量，90年代则是进一步加快市场响应速度，21世纪随着知识经济的到来，技术创新成为企业发展的灵魂，企业必须同时具备时间竞争能力、质量竞争能力、价格竞争能力和创新竞争能力才能赢得市场。

虚拟制造（Virtual Manufacture）的发展适应了时代的要求。虚拟制造又称拟实制造，它是实际制造过程在计算机上的本质实现，即利用计算机仿真和虚拟现实技术，在计算机上模拟出产品的整个制造过程，从而对产品的设计、加工制造、性能分析、生产管理和调度、销售及售后服务做出综合评价，以增强制造过程各个层次的决策与控制能力。可以看出，虚拟制造并不是真实的制造过程。它不产生真实产品，不

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消耗材料和能量，而是利用制造对象、制造资源和制造过程的模型实现制造的本质过程。

从虚拟制造概念的提出到迄今为止，它已成为世界各国科技界、企业界研究的热点。世界上许多国家都将虚拟制造看作是21世纪制造业变革的核心技术之一，纷纷从不同方向开展研究。美国拖拉机公司用虚拟设计方法代替常规设计方法，把原来从设计到定型所需的6-9个月时间缩短到不足1个月时间，而且允许用户在虚拟环境下观察试验（Field Test），并在1993年获得虚拟环境应用奖。

近几年来，虚拟制造技术也引起我国科技工作者的关注，已开展了很多研究工作，据不完全统计，目前全国已有几十家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟制造技术方面的研究。国家863/CIMS主题也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。如今，随着先进的计算机理论和技术的不断应用，虚拟制造技术取得了的显著发展，虚拟制造技术的应用成为制造业提高竞争力的重要技术手段。

1.2.2 柔性技术的发展与应用

在20世纪30年代到20世纪50年代，一般采用自动流水线制造设备，这可称为刚性自动化（Fixed Automation）方式。自动流水线设备的价格通常相当昂贵，如果要改变产品的品种，自动流水线需要作较大的改动，在投资和时间方面的耗费很大，柔性制造系统的出现改变了这一状况。

由于柔性技术具有较高的生产率和对产品及市场的应变能力，使其在制造领域得到了广泛的应用，尤其在英国、美国、日本、德国等工业化国家，柔性焊装夹具在国外已成为车身生产线的主要方式，结构上多采用贯通式焊装生产。贯通式焊装生产是指工件的定位夹具系统与工位间输送系统呈分离状态，其功能是将工件移送至下一工位。目前,对柔性夹具的设计主要是对于传统夹具的创新研究，这类夹具有两种：

1）传统的槽系组合夹具。传统的槽系组合夹具的突出特点是组装灵活多变，使用可靠，尽管它有好的柔性，但是配套元件多而且元件加工精度极高，尤其是夹具装配和调整时间长，初置费用高，生产厂家很少采用，逐渐被冷落。

2）孔系组合夹具。这是最新发展的柔性夹具，它与传统的槽系组合夹具原理相同只是元件结构和组装方式不同。该系列元件因其结构简单，以孔定位，螺栓连接，定位精度高，刚性好，是现代柔性夹具的主流。使用孔系组合夹具可以大幅节省夹具的设计制造工时，缩短生产准备周期，节约钢材，经济效益十分显著。装焊夹具的柔性设计是夹具设计方面需要解决的关键问题，对于现有焊接夹具创新研究的同时，也

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要在夹具原理和结构方面进行创新研究，寻求原理、结构方面的突破。为此本设计将采用孔系组合夹具来提高焊装夹具的柔性化。

1.3 课题研究的内容与设计方案 本论文主要研究内容如下：

根据所在实习单位的实际情况和指导老师的意见，我选择的课题为“某叉车门架下横梁焊具(焊接工装夹具)的设计”。

1）门架下横梁焊接相关技术的研究：

对装焊夹具和它的特点及设计要求做了详细介绍，这两部分的内容是门架下横梁焊接夹具设计的基础。由于夹具设计的最后目的是为了焊接，因此本文对门架下横梁焊接中最常用的电焊技术做了详细介绍。

2）对已完成的三维夹具进行二维工程图的输出，包括元件的尺寸标注、公差标注等。

3）门架下横梁的三维夹具设计：

本设计首先分析了夹具设计方案的评价依据，并在设计经验的基础上根据驾驶室结构总结出夹具设计的逻辑结构，以此为设计指导，在参照夹具设计的一般方法、流程的基础上，根据该总成的特点，进行了具体而详细的夹具设计，同时对焊钳的设置原则进行了介绍。

4）对已完成的三维夹具进行二维工程图的输出，包括元件的尺寸标注、公差标注等：

本课题的技术路线为：

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制定总体方案 夹具结构设夹紧机构设定位方式设UG三维建模，虚拟装配并检验干涉 否 各部件设计、主要部件的计算、校核 总体校核 是优化设计并编写说明书

5）外门架下横梁焊具及焊接技术的研究：

在对外门架下横梁装焊夹具进行设计之前，首先要对外门架下横梁结构熟悉，也要知道装焊夹具的特点和设计要求，同时也要对常见的焊接技术有所掌握，这样才能在对装焊夹具进行设计的时候，不强化或弱化任何相关因素。

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2 外门架下横梁概述

外门架下横梁是装载机车身的一个辅助的组成部分，它的质量影响着叉车使用中的方便性能，由若干个小的分总成组成，最后将各分总成焊接在一起形成门架下横梁。

门架下横梁焊接材料主要是Q345。它们可焊性好, 适宜大多数的焊接方法, 但由于不是`很厚的板, 因而刚性差、易变形。在结构上, 焊接散件具有空间曲面, 形状、结构较简单。除存在因刚性差而引起的变形外, 还存在回弹变形。

2.1 装焊夹具概述

体的过程称为装焊过程。装焊夹具没有统一规格和标准化，均属于非标准设计和制造的工艺设备，是根据具体各车型的结构特点、生产条件和实际需要来

装焊夹定位机构 夹紧机构 支撑机构 转动机构 动力源 限位机构 基 础 件

图2-1 装焊夹具组成

由图2-1可见，一般的装焊夹具由定位机构、夹紧机构、支撑机构、转动机构动力源、限位机构和基础件组成。

2.2 装焊夹具的特点

1）门架下横梁装配焊接夹具的定位方式、定位元件形状复杂。门架下横梁装配焊接夹具由于门架下横梁零件有三维空间曲面，他们形状较简单，但刚性差，易变形。在夹具中定位时往往要合理的取门架下横梁特定的面，定位孔的首选应是产品图的基准槽。

2）门架下横梁外形较简单，有三维空间面,尺寸较大,装焊夹具的定位往往采用过定位的设计以保证在装焊部件时的正确性，尽量减少产品焊接时产生的焊接变形；

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3）一般情况下，门架下横梁装配焊接夹具中的夹紧装置通常采用手动装置。夹紧装置的位置与结构设计需合理、精确、牢靠。

4）门架下横梁装配焊接夹具设计时要充分分析各零部件，考虑定位、定位装置、夹紧装置、输送装置及焊枪、焊钳之间的干扰问题。设计人员必须充分考虑冲压件装配焊接前后取出等一系列的干涉问题，如定位装置、夹紧装置之间的干涉；焊枪、焊钳与定位装置、夹紧装置之间的干涉。

2.3 焊接概述

由于组成门架下横梁的钢板为30mm左右，为提高焊接生产率，提高焊接强度，生产中以二氧化碳保护焊工艺为主。根据实际生产的要求所以在本夹具将采用二氧化碳气体保护焊的技术。

错误！未找到引用源。保护焊是利用气体作为保护气体，依靠焊丝与焊件之间产生的电弧热来熔化金属和焊丝形成焊缝的一种电弧焊方法。

错误！未找到引用源。焊具有下列优点：

1）生产效率高，节省电能。错误！未找到引用源。气体保护焊的电流密度大，可达100~300A/错误！未找到引用源。，因此电弧热量集中，焊丝的熔化效率高，母材的熔透厚度大，焊接速度快，同时焊后不需要清渣，所以能够显著提高效率，节省电能。

2）焊接成本低。由于错误！未找到引用源。气体和焊丝的价格低廉，对于焊前的生产准备要求不高，焊后清理和矫正工时少，所以成本低。

3）焊接变形小。由于电弧热量集中、线能量低和错误！未找到引用源。气体具有较强的冷却作用，使焊件受热面积小。特别是焊接薄板时，变形很小。

4）对油、锈产生气孔的敏感性较低。

5）焊缝中含氢量少，所以提高了焊接低合金高钢抗冷裂纹的能力。 6）熔滴采用短路过渡时可用与立焊、仰焊和全位置焊接。

7）电弧可见性好，有利于观察，焊丝能准确对准焊接线，尤其是在半自动焊时可以较容易地实现短焊缝和曲线焊缝的工作。

8）操作简单，容易掌握。

错误！未找到引用源。焊具有下列缺点：

1）与手弧焊相比设备较复杂易出现故障，要求具有较高的维护设备的技术能力。 2）抗风能力差，给室外焊接作业带来一定苦难。 3）弧光较强，必须注意劳动保护。

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4）与手弧和埋弧焊相比，焊缝成形不够美观，焊接飞溅较大。

3 外门架下横梁的三维夹具设计

本文将详细阐述利用UG三维软件进行装焊夹具的设计。本课题的夹具设计目标为：针对“外门架下横梁”（待焊工件）的特点，设计、开发相应的装焊夹具，以便将待焊工件定位进行焊接。

外门架下横梁是叉车车身的一个组成部分。本工序是将完成的各个部分零件焊接在一起，形成外门架下横梁。本文讨论的夹具设计已经制造完毕并调试使用，并且使用状况良好。

3.1 焊接夹具设计的主要指标

门架下横梁是较简单的产品，为了改善产品质量，必须将设计与制造联系在一起。夹具的标准化、精密化和柔性化是夹具发展的主要趋势，也是实现产品更新换代和老产品改进的需要。对同一个工件进行装焊夹具的设计，由于设计结果往往不止一个，当一个夹具设计方案产生之后，应该对其进行分析，以确保设计的合理性，如图3-1为夹具分析与评价指标框图：

图3-1分层次的说明了夹具综合分析评价的指标，具体说明如下：

装夹可靠性的评价依据为：零件能否被可靠的夹紧，在焊接时夹具能否防止零件产生变形；夹具结构的开敞性、焊钳的可达性、夹具上各种器件的干涉性，工件装上、卸下的方便性等。装夹精度满足情况的评价依据为：夹具的加工精度，零件的定位方式，定位件的加工精度、刚度和耐磨性，定位件之间的间距，定位件能使焊钳伸缩的余量等。强度和刚度满足情况的评价依据为：夹具的材料和结构形式，夹具设计时的计算结果，夹具承受重力和因焊件变形所引起的各个方向的力的情况。

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装夹的可靠性 装夹精度满足情况 刚度满足情况 焊接夹具设计标准 可制造性 功能满足情况 防变形情况 夹具元件标准化程度 非标准夹具元件可加工性 制造时间 制造成本 可装配性

图3-1 夹具分析评价指标框图

在确定了夹具分析评价标准后，便可以根据这些依据来设计焊具了。 3.2 焊接夹具典型结构设计

装焊夹具常见的结构包括定位元件和夹紧元件。夹具常用定位方式有孔、型面定位两种，夹紧机构有手动，气动两种夹紧方式，由于外门架下横梁的面较简单，且需要翻转焊接，用手动夹紧方式更加方便灵活。在这里我们将采用手动夹紧方式。图3-3为装焊夹具的典型结构：

图3-3展示的焊接夹具的典型结构由如下几部分组成：支撑座是整个夹具的基础，起支撑、定位作用；上下限位块起限位作用，防止夹具在夹紧时由于操作失误将工件打坏；压紧块和支撑块同时使用，起型面定位作用；定位销主要用来进行孔定位；过渡板是支撑座和其他部分的过渡，一般所有的定位元件和夹紧元件都安装在过渡板上；调整垫一般厚度在3－5mm之间，用来精密调整在该方向上的距离；过渡块在这里用来连接定位销，加上调整垫的作用，保证定位销至少在2个定位方向上可以精密

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调整距离；压紧臂与上限位块和压紧块连接，在气缸的带动下，往复运动。图3-3不但直观的展示了夹具各组成元件的结构，而且清晰的表明了各元件之间的连接方式和相对位置。在这里的典型结构不是实际设计的夹具，而是对夹具各组成元件的结构和连接方式的说明。夹具的设计应该结合实际工件的特点，元件的结构和连接方式的设计应该以实际结构为参照。

图3-3 典型的焊装夹具结构

3.2.1 三维焊接夹具设计和整体方案的确定

首先，我们根据所分析的门架下横梁形状尺寸来确定焊装夹具的整体设计方案： 通过分析我们知道由于组成门架下横梁的零部件有几部分不是很厚的板组成，刚性小，部件难以保证准确的定位焊接，因此本设计采用定位夹紧支架和定位块进行空间型面定位，所以本设计采用过定位形式来保证零件的准确形状和定位可靠性。定位支架的分布和支架上的定位面的形状尽量选用零件外形表面比较规则的平面，少选用复杂面，以减小定位支架的加工难度，定位面的大小，在保证定位可靠的前提下尽量减少接触面积以免造成定位不可靠。工装要求能够使工件翻转180度来进行焊接，达

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到一次装夹能够把工件全部焊接完成。

由于该门架下横梁的尺寸较大故夹具底座采用框架式骨架，即先用方形空心型钢焊成框架然后用厚度为30mm的低碳钢板焊成平台，定位件和夹紧元件通过支承座固定在平板上。夹紧机构将采用上述的通用型快速夹机构，用手动控制夹具的夹紧机构。

3.2.2 对外门架下横梁的焊具的三维工装设计方案的重要零部件进行分析和强度校核

求F力在支点产生的反力

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=3024N

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。+F=3024+1323=4347N

F在支点弯矩

错误！未找到引用源。=F×160=1323×160×错误！未找到引用源。=211.68N.m

在70中点处F产生的弯矩

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。×35错误！未找到引用源。=105.84N.m

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图3-8 F在支点弯矩

错误！未找到引用源。 和 错误！未找到引用源。在70中点的弯矩

错误！未找到引用源。=4347×35错误！未找到引用源。=152.145N.m

错误！未找到引用源。=3024×35错误！未找到引用源。=105.84N.m

求合成弯矩

考虑到最不利的情况，把错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。直接相加

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=152.145+211.68=363.825N.m

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求轴的扭矩

设轴受500N的圆周力

T=500×275错误！未找到引用源。=137.5N.m 求其危险截面的当量弯矩

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=388.94N. 计算危险截面的直径

轴的材料选用45钢，由表查得错误！未找到引用源。=650MPa，得【错误！未找到引用源。】=60MPa，则 d>错误！未找到引用源。=40.17mm

2）螺栓的选用

由于焊具在工作时需要翻转，故螺栓在工作时既受横向载荷又受轴向载荷。连接形式为紧螺栓连接，装配时需要拧紧，在工作状态下可能还需要补充拧紧。

螺栓螺纹部分的强度条件为

错误！未找到引用源。≤[错误！未找到引用源。] 式中：[错误！未找到引用源。]为螺栓的许用应力，单位为MPa， 受横向工作载荷的螺栓强度

受剪螺栓联接。

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如图3-9所示，受剪螺栓通常是六角头铰制孔用螺栓，螺栓与螺栓孔多采用过盈配合或过渡配合。

图3-9 用铰制孔螺栓受剪

当联接承受横向载荷时，在联接的结合处螺栓横截面受剪切，螺栓杆和被联接件孔壁接触表面受挤压，螺栓的剪切强度条件和螺杆与孔壁接触表面的挤压强度条件分别为

错误！未找到引用源。 =错误！未找到引用源。 ≤[错误！未找到引用源。]（N/mm2）

错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。 ≤[错误！未找到引用源。]（N/mm2）

式中，F——横向载荷，N； z——螺栓数目； m——螺栓受剪面数目；

d0——螺栓杆在剪切面处的直径，mm；

d——螺栓杆与孔壁间接触受压的最小轴向长度，mm； [t]——螺栓材料许用剪应力，N/mm2；

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[sp]——螺杆或者被联接件材料的许用挤压应力，N/mm2，计算时取两者中的小值。

受横向载荷－铰制孔螺栓连接设计计算结果 横向载荷 FA = 1.323 kN 受挤压高度 δ = 10 mm 受剪面个数 m = 1 螺栓机械性能等级 = 8.8 螺栓屈服强度 ζs = 640 MPa 挤压安全系数 Ss1 = 1.25 抗剪安全系数 Ss2 = 2.5 动载系数 Ss3 = 0.75

螺栓许用压应力 [ζ] = 384.00 MPa 螺栓许用切应力 [η] = 192.00 MPa 应选用的螺栓： 螺栓公称尺寸 = M3 螺栓受剪直径 d1 = 12 mm

M16螺栓受横向载荷－铰制孔螺栓连接校核计算结果 横向载荷 FA = 1.323 kN 螺栓受剪直径 d0 = 12 mm

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受挤压高度 δ = 10 mm 受剪面个数 m = 1 螺栓机械性能等级 = 8.8 螺栓屈服强度 ζs = 640 MPa 挤压安全系数 Ss1 = 1.25 抗剪安全系数 Ss2 = 2.5 动载系数 Ss3 = 0.75

螺栓许用压应力 [ζ] = 384.00 MPa 螺栓许用切应力 [η] = 192.00 MPa 螺栓计算压应力 ζp = 8.27 MPa 螺栓计算切应力 η = 6.60 MPa 校核计算结果：

挤压强度： ζ≤[ζ] 满足 抗剪强度： η≤[η] 满足

受预紧力和轴向载荷作用的紧螺栓联接

图3-9所示为挡泥板支座的螺栓联接，设螺栓数为z，夹具压强为p，则每个螺栓的工作载荷为

错误！未找到引用源。=P·

（N）

以上取其中的一个螺栓进行受力和变形分析。

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如图12-9a所示为螺栓没有拧紧时的情况，此时螺栓没有受力和变形。如图12-9b所示为螺栓拧紧后只受预紧力Q0作用时的情况，此时螺栓产生拉伸变形量，而被联接件则产生压缩变形量。如图12-9c所示是螺栓受工作载荷作用后的情况，此时螺栓继续受拉伸，其拉伸变形量增大，即螺栓的总拉伸变形量达到d1+Dd，这时，螺栓所受的总拉力为Q；同时，根据变形协调条件，被联接件则因螺栓的伸长而回弹，即被压联接件的压缩变形量减少了Dd，被联接件的残余压缩变形量为d2-Dd，相对应的压力称为残余预紧力Qr。此时，螺栓受工作载荷和残余预紧力的共同作用，所以，螺栓的总拉伸载荷为

Q=错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。

为了保证联接的紧密性，防止联接受工作载荷后接合面间出现缝隙，应使Qr>0。对于有密封性要求的联接，取Qr=（1.5~1.8）QF。对于一般联接，工作载荷稳定时，取Qr=（0.2~0.6）QF。工作载荷有变化时，取Qr=（0.6~1.0）QF。

设计时，可先求出工作载荷QF，再根据联接的工作要求确定残余预紧力Qr，然后由式（12-8）计算出总拉伸载荷Q。同时考虑扭矩所产生的剪应力的影响，故螺栓的强度条件为

错误！未找到引用源。≤[错误！未找到引用源。]N/mm2 式中，Fa——螺栓总拉伸载荷，N； 其他符号的含义与上式相同。

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a） b） c） 图3-10 螺栓各阶段的受力与变形

受轴向载荷－紧螺栓（动载荷）校核计算结果 工作载荷 Fc = 1.323 kN 相对刚度 λ = 0.25 螺栓材料 = 45

螺栓抗拉强度 ζB = 610 MPa 螺栓屈服强度 ζs = 360 MPa 抗压疲劳强度 ζ－1t = 220 MPa 尺寸因数 ε = 1 制造工艺因数 Kt = 1 受力不均匀因数 Ku = 1 缺口应力集中因数 Kζ = 4.8 安全系数 Sa1 = 2

螺栓许用应力幅 [ζa] = 22.92 MPa 应选用的螺栓： 螺栓公称尺寸 = M12

M16轴向载荷－紧螺栓（动载荷）校核计算结果 工作载荷 Fc = 1.323 kN 相对刚度 λ = 0.25 螺栓材料 = 45

螺栓抗拉强度 ζB = 610 MPa 螺栓屈服强度 ζs = 360 MPa

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抗压疲劳强度 ζ－1t = 220 MPa 尺寸因数 ε = 0.87 制造工艺因数 Kt = 1 受力不均匀因数 Ku = 1 缺口应力集中因数 Kζ = 4.8 安全系数 Sa1 = 2

螺栓许用应力幅 [ζa] = 19.94 MPa 螺栓公称直径 Md = M16 螺栓小径 d1 = 12 mm

螺栓计算应力幅 ζa = 1.10 MPa 校核计算结果： ζa≤[ζa] 满足

所以选用M12的8.8级的螺栓符合工作的要求。 3.3 柔性设计在三维夹具设计中的体现

本章节介绍的夹具设计方案都体现了柔性设计思想。

孔系柔性夹具元件的特点是元件规格统一，结构简单，以孔定位，螺栓连接，定位精度高，刚性好，组装方便。

设计过程中可以发现设计有缺陷的地方，并能即使修改，避免了先制造后进行修改的过程。既加快了设计的速度又能节约成本。

本设计的焊接夹具设计中采用的是手动夹紧的设计方式。元件大多为非标准件。

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4 外门架下横梁的焊装夹具典型零部件二维图输出

4.1 典型零部件的二维图输出及尺寸标注

三维夹具的二维尺寸标注是将设计转化为生产的唯一方法。只有各个元件的尺寸有了明确的标注后才能进行实际生产，因此本节研究的内容是将虚拟设计转化为实际元件的关键。将三维图进行二维标注的重点和流程是：总图的标注－部件图的标注－零件图的标注，下面将用有代表性的例子一一详细说明。

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图4-1 旋转轴轴的二维草图尺寸标注

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图4-2 自制螺栓的二维图输出及尺寸标注

图4-1所示的是对旋转轴的尺寸标注。图4-2所示的是自制螺栓的尺寸标注，尺寸标注中最重要的是基准面的选择和对螺栓的标注，螺纹孔用来安装定位螺栓，而此焊具中围板较高的定位精度主要靠自制螺栓来保证，因此，螺栓的加工较为严格，一般，表面粗糙度为1.6，且与基准面的尺寸精度保持为±0.05mm，尺寸精度为±0.02mm。其他的长度、宽度和高度等尺寸应该以基准面为基准，用坐标法进行标注，以便于加工、测量。除了对基准面的选择和对螺栓的标注外，尺寸标注图中还要说明加工工艺，这部分内容将在下面统一介绍。

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4.2 工艺要求

机械设计的目的是为了能够更快更好的制造出机械产品，工艺要求就是机械制造的中非常重要的组成部分。本节将在上节的基础上，系统的分析本研究中的工艺要求。

材料方面：外门架下横梁的材料一般为Q345；螺栓的材料为45#，围板定位零件用45#；旋转轴和轴套的材料用45#；元件制作工艺方面：轴要经过调质处理，限位块中定位面的表面粗糙度为1.6，孔的表面粗糙度为1.6，其他平面的表面粗糙度一般为3.2，非加工面的表面粗糙度为6.3；元件的定位面要经过锐边倒钝；一般元件只需经过锐边倒钝和表面氧化处理；螺纹孔与螺纹孔，螺纹孔与销孔之间的中心距尺寸公差为±0.2mm，螺栓孔与基准面之间的尺寸公差为±0.05mm，螺栓孔与销孔之间的中心距尺寸公差为±0.02mm。焊接工艺要求：焊缝高度为8mm,焊缝总长度不小于焊接总长度的一半；焊缝平整光滑，不允许有夹渣、气孔等焊接缺陷,焊后必须经过实效处理。

4.3 焊接工艺要求 焊接采用二氧化碳保护焊

以CO2作保护气体，依靠焊丝与焊件之间的电弧来熔化金属的气体保护焊的方法称CO2焊。这种焊接法采用焊丝自动送丝，敷化金属量大、生产效率高、质量稳定。因此，在国内外获得广泛应用。

气体保护焊的特点：

1）采用明弧焊接，熔池可见度好，操作方便，适宜于全位置焊接。并且有利于焊接过程中的机械化和自动化，特别是空间位置的机械化焊接。

2）电弧在保护气体的压缩下热量集中，焊接速度较快，熔池小，热影响区窄，焊件焊后的变形小，抗裂性能好，尤其适合薄板焊接。

3）用氩、氦等惰性气体焊接化学性质较活泼的金属和合金时，具有较好的焊接质量。

4）在室外作业时，必须设挡风装置才能施焊，电弧的光辐射较强，焊接设备比较复杂。

设备特点：

（1）焊接成本低 CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，来源广，价格低，其综合成本大概是手工电弧焊的1/2。

（2）生产效率高 CO2气体保护焊使用较大的电流密度（200A/mm2左右），比

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手工电弧焊（10-20A/mm2左右）高得多，因此熔深比手弧焊高2.2-3.8倍，对10mm以下的钢板可以不开坡口，对于厚板可以减少坡口加大钝边进行焊接，同时具有焊丝熔化快，不用清理熔渣等特点，效率可比手弧焊提高2.5-4倍。

（3）焊后变形小CO2气体保护焊的电弧热量集中，加热面积小，CO2气流有冷却作用，因此焊件焊后变形小，特别是薄板的焊接更为突出。

（4）抗锈能力强 CO2气体保护和埋弧焊相比，具有较高的抗锈能力，所以焊前对焊件表面的清洁工作要求不高，可以节省生产中大量的辅助时间。缺点：由于CO2气体本身具有较强的氧化性，因此在焊接过程中会引起合金元素烧损，产生气孔和引起较强的飞溅，特别是飞溅问题，虽然从焊接电源、焊丝材料和焊接工艺上采取了一定的措施，但至今未能完全消除，这是CO2焊的明显不足之处。

二氧化碳保护焊的分类： CO2气体保护焊按操作方法，可分为自动焊及半自动焊两种。对于较长的直线焊缝和规则的曲线焊缝，可采用自动焊；对于不规则的或较短的焊缝，则采用半自动焊，目前生产上应用最多的是半自动焊。CO2气体保护焊按照焊丝直径可分为细丝焊和粗丝焊两种。细丝焊采用直径小于1.6mm,工艺上比较成熟，适宜于薄板焊接；粗丝焊采用的直径大于或等于1.6mm，适用于中厚板的焊接。

CO2气体保护焊的熔滴过渡：

在常用的焊接工艺参数内，CO2气体保护焊的熔滴过渡形式有两种，即细颗粒过渡和短路过渡。

（1）细颗粒状过渡 CO2气体保护焊采用大电流，高电压进行焊接时，熔滴呈颗粒状过渡。当颗粒尺寸增加时，会使焊缝成型恶化，飞溅加大，并使电弧不稳定。因此常用的是细颗粒状过渡，此时熔滴直径约比焊丝直径小2-3倍。特点，电流大、直流反接。

（2）短路过渡 CO2气体保护焊采用小电流，低电压焊接时，熔滴呈短路过渡。短路过渡时，熔滴细小而过渡频率高（一般在250-300l/s）,此时焊缝成形美观，适宜于焊接薄件。

CO2气体保护焊的冶金特点：

（1）CO2气体的氧化性CO2气体是氧化性气体，在电弧高温作用下会发生分解：CO2=CO+0 在电弧区中，约有40-60%的CO2气体被分解，分解出来的原子态氧具有强烈的氧化性。使碳和其它合金元素如Mn、Si被大量氧化，结果使焊缝金属的机械性能大大下降。CO2焊常用的脱氧措施是在焊丝中加入脱氧剂，常用

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的脱氧剂是Al、Ti、Si、Mn，而其中尤以Si、Mn用得最多。在上述脱氧剂中单独使用任一种脱氧剂效果均不理想，所以通常采用Si、Mn联合脱氧。

（2）气孔 CO2气体保护焊时，如果使用化学成份不合要求的焊丝、纯度不合要求的CO2气体及不正确的焊接工艺，由于CO2气流有一定的冷却作用，熔池凝固较快，很容易在焊缝中产生气孔。实践表明，在CO2气体保护焊中，采用ER50-6（原为H08Mn2SiA）等含有脱氧剂的焊丝焊接低碳钢、低合金钢时，如果焊前对焊丝和钢板表面的油污、铁锈作了适当的清理，CO2气体中的水分也比较少的情况下，焊缝金属中产生的气孔主要是氮气孔。而氮来自空气的侵入，因此在焊接过程中保护气层稳定可靠是防止焊缝中产生氮气孔的关键。

CO2气体保护焊的工艺参数：

CO2气体保护焊时，由于熔滴过渡的不同形式，需采用不同的焊接工艺参数 （1）短路过渡时的工艺参数 短路过渡焊接采用细丝焊，常用焊丝直径为Φ0.6～1.2，随着焊丝直径增大，飞溅颗粒都相应增大。短路过渡焊接时，主要的焊接工艺参数有电弧电压、焊接电流、焊接速度，气体流量及纯度，焊丝深出长度。

1） 电弧电压及焊接电流 电弧电压是短路过渡时的关键参数，短路过渡的特点是采用低电压。电弧电压与焊接电流相匹配，可以获得飞溅小，焊缝成形良好的稳定焊接过程。Φ1.2的一般参数为 电压 19伏；电流120～135。

2） 焊接速度 随着焊接速度的增加，焊缝熔宽、熔深和余高均减小。焊速过高，容易产生咬边和未焊透等缺陷，同时气体保护效果变坏，易产生气孔。焊接速度过低，易产生烧穿，组织粗大等缺陷，并且变形增大，生产效率降低。因此，应根据生产实践对焊接速度进行正确的选择。通常半自动焊的速度不超过0.5m/min,自动焊的速度不超过1.5m/min。

3） 气体的流量及纯度 气体流量过小时，保护气体的挺度不足，焊缝容易产生气孔等缺陷；气体流量过大时，不仅浪费气体，而且氧化性增强，焊缝表面上会形成一层暗灰色的氧化皮，使焊缝质量下降。为保证焊接区免受空气的污染，当焊接电流大或焊接速度快，焊丝伸出长度较长以及室外焊接时，应增大气体流量。通常细丝焊接时，气体流量在15～25L/min之间。CO2气体的纯度不得低于99.5%。同时，当气瓶内的压力低于1Mpa,就应停止使用，以免产生气孔。这是因为气瓶内压力降低时，溶于液态CO2中的水分汽化量也随之增大，从而混入CO2气体中的水蒸气就越多。

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4） 焊丝伸出长度 由于短路过渡均采用细焊丝，所以焊丝伸出长度上所产生的电阻热影响很大。伸出长度增加，焊丝上的电阻热增加，焊丝熔化加快，生产率提高。但伸出长度过大时，焊丝容易发生过热而成段熔断，飞溅严重，焊接过程不稳定。同时伸出增大后，喷嘴与焊件间的距离亦增大，因此气体保护效果变差。但伸出长度过小势必缩短喷嘴与焊件间的距离，飞溅金属容易堵塞喷嘴。合适的伸出长度应为焊丝直径的10～12倍，细丝焊时以8～15mm为宜。

（2）细颗粒状过渡时的工艺参数 细颗粒状过渡大都采用较粗的焊丝，Φ1.2以上。下表给出几种直径焊丝的参考规范 焊丝直径（mm） 1.2 1.6 2.0 最低电流（A） 300 400 500 电弧电压（V） 34 ～ 45

4.4 焊接一般公差 4.4.1 直线尺寸的公差

见表1。

表1 直线尺寸公差 公称尺寸范围，mm 2 ～ 3 30 ～ 120 120 ～ 400 400 ～1000 2000 4000 ～ ～ ～ 8000 12000 16000 ～ ～ ～ 公差等级 20000以上 1000 2000 4000 8000 12000 16000 20000 公差，t (mm) A B ±1 C D ±1 ±2 ±3 ±4 ±1 ±2 ±4 ±7 ±2 ±3 ±6 ±9 ±3 ±4 ±8 ±4 ±6 ±5 ±8 ±6 ±10 ±18 ±27 ±7 ±12 ±21 ±32 ±8 ±14 ±24 ±36 ±9 ±16 ±27 ±40 ±11 ±14 ±12 ±16 ±21 4.4.2 角度尺寸的公差

短角边长度可以用来根据表2确定采用哪个公差。角边的长度也可以假设其扩大到一个指定的参考点。在这种情况下，有关的参考点应该被标注在图纸上。

相关的公差见表2。

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