管道法蘭焊接夾緊機(jī)構(gòu)

1、學(xué)號 密級 公開 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)管道法蘭焊接凸輪夾緊機(jī)構(gòu) 學(xué) 院 名 稱： 專 業(yè) 名 稱：焊接技術(shù)與工程學(xué) 生 姓 名：指 導(dǎo) 教 師：二一四年五月 The Clamp Mechanism for Pipe Flange Welding College： Subject： Welding Technology and EngineeringName： Directed by： May 2014鄭 重 聲 明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文

2、所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。本人簽名： 日期： 摘 要隨著我國焊接行業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的高精度焊接產(chǎn)品成為焊接生產(chǎn)企業(yè)的主要生產(chǎn)內(nèi)容，在焊接過程中采用合理的夾具結(jié)構(gòu)有利于科學(xué)安排流水線生產(chǎn)，便于平衡工位時間，減少非生產(chǎn)用時。采用焊接工裝夾具，準(zhǔn)確、可靠的定位和夾緊可以減輕甚至取消下料和劃線工作。減小制品的尺寸偏差，提高了零件的精度和可換性。由于焊件在夾具中可強(qiáng)行夾固或預(yù)先給予反變形，所以能控制或消除焊接變形。由于法蘭在焊接裝夾時找正比較費(fèi)時，定位精度不易保證，導(dǎo)致生產(chǎn)率低。針對該問題,本課題以方便法蘭的裝夾為出發(fā)

3、點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高 、裝夾方便、效率高的法蘭焊接專用夾具。關(guān)鍵詞：法蘭盤夾緊；雙面偏心輪；焊接工裝夾具ABSTRACTWith the rapid development of the welding industry, a growing number of high-precision welding products become a major manufacturer of welding production content, using reasonable fixture structure during welding production lines cond

4、ucive to scientific arrangements to facilitate balancing station time, reduce non-production time. Welding fixture, accurate and reliable positioning and clamping can reduce or even abolish the cutting and marking work. Reduce product size deviation, improved accur -acy and parts interchangeability.

5、 Since the clamping force weldment can be given in advance or reverse deformation in the fixture, they are able to control or eliminate welding deformation. Since the clamping flange alignment during welding time-consuming, difficult to ensure accuracy, resulting in low productivity. To solve this p

6、roblem, in order to facili- tate the task of clamping flange design as a starting point a compact, high positioning accuracy, easy clamping, high efficiency welding flanges special fixture.Key words: Flange clamp；Double eccentric；Welding fixture目 錄第1章 緒論1.1選題依據(jù)及課題意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.2.1焊接法蘭簡介11.2.2

7、 焊接工裝夾具的現(xiàn)狀和發(fā)展21.3本課題的研究內(nèi)容2第2章 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1定位原理及裝夾特點(diǎn)42.2夾具主要組成部分42.3夾具運(yùn)動過程及原理5第3章 夾具設(shè)計(jì)3.1 夾緊力的確定73.1.1 夾緊力方向的選擇73.1.2 夾緊力計(jì)算73.2底座的設(shè)計(jì)83.3雙面偏心輪的設(shè)計(jì)93.3.1圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖條件93.3.2 圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的受力分析113.3.3圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力的計(jì)算123.4夾爪的設(shè)計(jì)123.5旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)133.6拉伸彈簧的設(shè)計(jì)與選擇14第4章 主要零件校核計(jì)算4.1螺栓強(qiáng)度校核154.1.1支撐耳螺栓強(qiáng)度校核154.1.2彈簧連接螺栓強(qiáng)度校核154.2旋轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)

8、度校核164.3關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路17結(jié)論18參考文獻(xiàn)19致謝20第1章 緒論1.1選題依據(jù)及課題意義現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，焊接結(jié)構(gòu)正朝著超大型、高容量、高參數(shù)、耐磨、耐蝕、耐低溫、耐動載的方向發(fā)展，除提供質(zhì)量更高、性能更好的各種焊機(jī)、焊接材料和焊接工藝外，還要求提供各種性能優(yōu)異的焊接工裝設(shè)備，使焊接生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動化，減少人為因素干擾，達(dá)到保證和穩(wěn)定焊接質(zhì)量、改善焊工勞動條件、提高生產(chǎn)率、促進(jìn)文明生產(chǎn)的目的。在焊接生產(chǎn)過程中，焊接所需要的工時較少，而約占全部加工工時的2/3以上的時間是用于備料、裝配及其他輔助的工作，極大的影響著焊接的生產(chǎn)速度。為此，必須大力推廣使用機(jī)械化和自動化

9、程度較高的裝配焊接工藝裝備。 焊接工裝夾具的主要作用有以下幾個方面： （1）準(zhǔn)確、可靠的定位和夾緊，可以減輕甚至取消下料和劃線工作。減小制品的尺寸偏差，提高了零件的精度和可換性。 （2）有效的防止和減輕了焊接變形。 （3）使工件處于最佳的施焊部位，焊縫的成型性良好，工藝缺陷明顯降低，焊接速度得以提高。 （4）以機(jī)械裝置代替了手工裝配零件部位時的定位、夾緊及工件翻轉(zhuǎn)等繁重的工作，改善了工人的勞動條件。 （5）可以擴(kuò)大先進(jìn)的工藝方法的使用范圍，促進(jìn)焊接結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的綜合發(fā)展?？傊?，焊接機(jī)械裝備對焊接生產(chǎn)的有利作用是多方面的?？?/p>

10、括而言，就是保證焊接質(zhì)量，提高焊接生產(chǎn)率，改善工人的作業(yè)條件，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化焊接生產(chǎn)過程四個方面。因此，無論在焊接車間或是在施工現(xiàn)場，焊接機(jī)械裝備已成為焊接生產(chǎn)中不可缺少的裝備之一，從而獲得了廣泛的應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1焊接法蘭簡介法蘭又稱法蘭盤或者突緣，通常是指在一個類似盤狀的金屬體的周邊開上幾個固定用的孔用于連接其它東西的一種零件。焊接法蘭是使管子與管子相互連接的零件，連接于管端；也有用在設(shè)備進(jìn)出口上的法蘭，用于兩個設(shè)備之間的連接，如減速機(jī)法蘭。管道法蘭指管道裝置中配管用的法蘭，用在設(shè)備上指設(shè)備的進(jìn)出口法蘭。法蘭上有孔眼，螺栓使兩法蘭緊連。法蘭盤由英國傳入我國。

11、法蘭盤在我國機(jī)械行業(yè)、建筑行業(yè)和水利水電行業(yè)應(yīng)用及其廣泛，自上世紀(jì)90年代以來，日本在我國開辟法蘭市場之后，緊接著韓國和歐美等國也蜂擁而至，導(dǎo)致我國法蘭市場的份額大增。近幾年來，我國在法蘭的制造領(lǐng)域和研發(fā)領(lǐng)域取得了一定的突破，因產(chǎn)業(yè)鏈和市場的影響，加上政策的支持，大量的工廠和個人加工作坊開始大批量的生產(chǎn)和銷售法蘭成品。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近幾年全球在法蘭方面的市場容量聯(lián)創(chuàng)新高，產(chǎn)銷規(guī)模大幅增加，價格也居高不下。由此導(dǎo)致的研究領(lǐng)域在開發(fā)法蘭產(chǎn)品方面也加快了步伐，各種類型和功能的法蘭產(chǎn)品層出不窮。焊接法蘭連接是管道施工的重要連接方式。 法蘭連接使用方便，能夠承受較大的壓力。 在工業(yè)管道中，法蘭連接的使用十

12、分廣泛。在家庭內(nèi)，管道直徑小，而且是低壓，看不見法蘭連接。如果在一個鍋爐房或者生產(chǎn)現(xiàn)場，到處都是焊接法蘭連接的管道和器材。1.2.2 焊接工裝夾具的現(xiàn)狀和發(fā)展夾具最早出現(xiàn)在18世紀(jì)后期, 在機(jī)械加工過程中，夾具占有非常重要的地位，它可靠地保證了工件的加工精度，提高了加工效率，減輕了勞動的強(qiáng)度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,夾具已從一種輔助工具發(fā)展成為門類齊全的工藝裝備。國際生產(chǎn)研究協(xié)會的統(tǒng)計(jì)表明，目前中、小批多品種生產(chǎn)的工件品種已占工件種類總數(shù)的85%左右。在多種生產(chǎn)的企業(yè)中，每隔35年就要更新50%80%左右的專用夾具，而夾具的實(shí)際磨損量僅為10%20%左右。德國demmeler（戴美樂）公司孔系

13、列組合焊接夾具，僅用品種、規(guī)格很少配套元件，即能組裝成多種多樣焊接夾具1。元件功能強(qiáng)，使夾具通用性好，元件少而精，配套費(fèi)用低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用才有推廣應(yīng)用價值。焊接夾具正朝著更加廣泛、科學(xué)高效的方向發(fā)展。1.3本課題的研究內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)了一種管道法蘭焊接所用的凸輪夾緊機(jī)構(gòu)。由于法蘭在焊接裝夾時找正比較費(fèi)時，定位精度不易保證，導(dǎo)致生產(chǎn)率低。因此，針對該問題，本課題設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高、裝夾方便、效率高的工裝夾具。專用夾具應(yīng)用可以減輕工人操作強(qiáng)度，降低對工人的技術(shù)要求，因?yàn)樵趭A具上安裝好以后，工件的位置就是由夾具來保證的，而法蘭盤安裝在夾具體上很簡單，所以對工人要求不是很高。本夾具的作用可以簡述

14、如下：法蘭直接在夾具上安裝，可以避免加工時造成的工件的誤差太大，例如，法蘭在裝夾過程中，如果采用三爪卡盤夾緊工件，那么由于三爪卡盤有一定的誤差，就設(shè)計(jì)了專用夾具進(jìn)行裝夾。第2章 夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1定位原理及裝夾特點(diǎn)工件在夾具中的定位，是通過工件上的定位基準(zhǔn)與定位器的工件表面接觸或配合來實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)夾具時首先應(yīng)根據(jù)工件的形狀選擇合理的基準(zhǔn)，盡量選用粗糙度適宜的零件表面作為基準(zhǔn)，工件上被選作定位基準(zhǔn)的表面常有平面、外圓柱面、圓孔、圓錐面、型面等，定位方法和定位器的具體結(jié)構(gòu)應(yīng)與之相適應(yīng)。同時又要使一個基準(zhǔn)具有多種用途以減少基準(zhǔn)的數(shù)量，從而簡化夾具，因此在選擇基準(zhǔn)時常常將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位、裝配和測

15、量基準(zhǔn)，即遵循基準(zhǔn)重合原則。法蘭為回轉(zhuǎn)類零件，對圓跳動有要求。根據(jù)夾具定位“六點(diǎn)定則”2,3，可采取定位銷與定位孔配合進(jìn)行定位。其中，采用圓柱銷時，可限制工件的4個自由度。箱體上表面可限制2個自由度。（1）直接安裝法法蘭加工可直接安裝在通用夾具(如三爪卡盤、平口鉗、電磁吸盤等標(biāo)準(zhǔn)附件)上，不另行找正即夾緊，例如用三爪卡盤直接夾緊法蘭的外圓或撐內(nèi)孔，用這種方法安裝工件時，找正比較費(fèi)時，因此輔助時間會多一些，且定位精度的高低要取決于所用工具或儀表的精度，以及工人的水平，定位精度不易保證，生產(chǎn)率較低4。（2）專用夾具安裝對于生產(chǎn)批量較大的法蘭加工，有必要為法蘭加工設(shè)計(jì)專用夾具，法蘭安裝在為其加工專門

16、設(shè)計(jì)和制造的夾具中，無需進(jìn)行找正，就可以迅速而可靠的保證法蘭夾緊，而且裝卸方便可以節(jié)省大量輔助時間。雖然設(shè)計(jì)和生產(chǎn)專用夾具需要一定的設(shè)備和資金投入，但由于批量大，這些消耗可以由法蘭所創(chuàng)造的利潤來抵消。2.2夾具主要組成部分夾具的結(jié)構(gòu)由箱體、定位元件、偏心輪杠桿機(jī)構(gòu)、壓緊元件組成。在闡述該偏心輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理之前，首先展示一下這種偏心輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖5-7。1夾爪 2工件 3調(diào)整螺釘 4傳動銷 5偏心輪 6彈簧拉伸螺釘 7彈簧 圖2.1夾具裝配圖定位元件：它是指使法蘭在夾具中占據(jù)正確的位置的元件，只要將法蘭的定位基面與夾具上的定位元件緊密接觸或相配合，就可以使法蘭定位。夾緊機(jī)構(gòu)：它

17、是指能夠使法蘭在受到加工過程中的各種作用力(夾緊力等)時，能夠保持原來已經(jīng)獲得的正確位置， 它的作用就是無論外界的力發(fā)生什么變化，沒有加工要求時，法蘭的位置就不能變化，這樣才能保證法蘭的加工質(zhì)量。夾具體：裝夾法蘭的所有夾具中有一個共同的組成部分，這就是夾具體，夾具體負(fù)責(zé)把組成夾具的所有元件和裝置連接起來組成一個整體的基礎(chǔ)零件，從而為保證法蘭加工提供條件。2.3夾具運(yùn)動過程及原理由圖2.1可以直觀地知道力的傳遞過程為:手動產(chǎn)生力源作用于手柄軸偏心輪傳動銷調(diào)整螺釘夾爪工件。此種凸輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)的工作過程為：由夾緊狀態(tài)用手握住手柄往反時針方向扳過90。，同時在彈簧的作用下，使調(diào)整螺釘在偏心輪的接觸位

18、置由最大徑變?yōu)樽钚剑瑑蓨A爪下端往里收，上端往外翹，兩夾爪同時完全脫離工件，完成此機(jī)構(gòu)松開工件的動作。夾緊動作的完成與松開動作相反。總的來說，此種凸輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)夾緊和松開的動作是靠偏心輪的外形徑向差來實(shí)現(xiàn)的。夾爪起杠桿的作用，在它的參與下，既改變了力的大小又改變了力的方向。由于法蘭的結(jié)構(gòu)相似，在制造夾具時考慮了成組性，即同樣的夾具可以用于不同型號的法蘭的應(yīng)用，主要就是要調(diào)整夾爪上銷釘?shù)奈恢?。第3章 夾具設(shè)計(jì)3.1 夾緊力的確定裝配、焊接焊件時，焊件所需的夾緊力，按性質(zhì)可分為四類：第一類是在焊接及隨后的冷卻過程中，防止焊件發(fā)生焊接殘余變形所需的夾緊力；第二類是為了減少或消除焊接殘余變形，焊前

19、對焊件施以反變形所需的夾緊力；第三類是在焊件裝配時，為了保證安裝精度，使各相鄰焊件相互緊貼，消除它們之間的裝配間隙所需的夾緊力，或者，根據(jù)圖樣要求，保證給定間隙和位置所需的夾緊力；第四類是在具有翻轉(zhuǎn)或變位功能的夾具或胎具上，為了防止焊件翻轉(zhuǎn)變位時在重力作用下不致墜落或移位所需的夾緊力。為滿足夾緊裝置的基本要求，必須合理選擇夾緊力，它對夾緊裝置的設(shè)計(jì)起著決定性的作用。3.1.1 夾緊力方向的選擇（1）夾緊力方向應(yīng)垂直于主要定位基準(zhǔn)面。（2）夾緊力方向應(yīng)有利于減小焊件變形。（3）夾緊力的方向應(yīng)有利于減小夾緊力。在該夾具設(shè)計(jì)中，定位基準(zhǔn)主要是箱體上表面，被焊工件放置在它的上面，此時夾緊力方向垂直于主

20、要定位基準(zhǔn)面，夾緊力最小9。3.1.2 夾緊力計(jì)算為了選擇合適的夾緊機(jī)構(gòu)及傳動裝置，就應(yīng)該知道所需夾緊力的大小。夾緊力大小要適當(dāng)，過大會使工件變形，過小則在裝配焊接時工件易松動，安全性無保證。板材焊接時夾緊力的計(jì)算公式為（3.1）(F夾緊力；f撓度；E板材的彈性模量；r鼓包半徑；板材厚度)由于夾具可夾持各類型法蘭，包括甲型法蘭、乙型法蘭、長頸法蘭，其法蘭盤厚度范圍為2640mm。對于此厚度范圍內(nèi)的板材，焊接時變形較小。因此，機(jī)構(gòu)的夾緊力根據(jù)式3.1及相關(guān)資料10,11，取F=1000N可保證可靠夾緊。3.2底座的設(shè)計(jì)此夾具體箱體為組合件，如圖3.1所示。圖3.1箱體底座部分中，箱體采用鑄造方式

21、加工，所用材料為45鋼。支撐耳及地腳螺栓耳單獨(dú)進(jìn)行機(jī)加工，然后進(jìn)行焊接，必須保證其位置?？滓阼T造后進(jìn)行加工。箱體在進(jìn)行鑄造時，為方便成型，某些部位允許適當(dāng)斜度及圓角過渡，但必須保證其平面平整及垂直度和水平度12。箱體長度與寬度尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)所夾持的法蘭盤的大小。由于法蘭盤形狀為圓形，同時為便于支撐耳及地腳螺栓耳焊接安裝并確保其位置準(zhǔn)度，底座尺寸定為450×460mm。特別的，由于箱體前后壁要安裝軸承及軸承端蓋，故將前后壁的壁厚設(shè)計(jì)為20mm，其他面壁厚設(shè)計(jì)為10mm。箱體高度的設(shè)計(jì)依據(jù)偏心輪旋轉(zhuǎn)位置及夾爪尺寸、盡可能小的傳動力，從而設(shè)計(jì)高度為213mm。支撐耳位置及尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)夾爪夾

22、持法蘭盤的位置以及夾緊力的大小。支撐耳孔大小依據(jù)夾爪上孔的大小，主要是為保證夾爪強(qiáng)度而設(shè)計(jì)，孔大小D=18mm。地腳螺栓耳主要作用是保證夾具體的固定，從而根據(jù)選取的沉頭孔D=10mm，設(shè)計(jì)地腳螺栓耳尺寸為30×30×15mm 13。3.3雙面偏心輪的設(shè)計(jì)雙面偏心輪材料選用20鋼。雙面偏心輪的結(jié)構(gòu)，是由兩個偏心輪合成的。主要用于自動定心機(jī)構(gòu)或用于多件、單件的多點(diǎn)夾緊，其操縱系統(tǒng)以軸的轉(zhuǎn)動來帶動偏心輪。因此，我們需要對圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行說明。如圖3.2所示，雙面偏心輪的組成由偏心輪（1）和偏心輪（2）組成。其中偏心輪（1）的幾何中心為O1，偏心輪（2）的幾何中心為O2，回轉(zhuǎn)中心

23、為O。圖3.2 圓偏心夾緊3.3.1圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖條件一個夾緊機(jī)構(gòu)要保證夾緊安全可靠，就必須使機(jī)構(gòu)可靠地符合自鎖條件，而此機(jī)構(gòu)的自鎖就是在這個關(guān)鍵部件上得以實(shí)現(xiàn)的，下面我們來分析一下它是如何實(shí)現(xiàn)自鎖的14。圖3.3 圓偏心夾緊在圓偏心夾緊中，夾緊力是隨升高角值的大小而變化的（3.2）角越小，夾緊力越大；角越大，夾緊力越小。當(dāng)偏心輪的工作部分選擇在K點(diǎn)附近時，由于在左、右夾角為35°45°之間的一段圓弧內(nèi)，角的變化不大，所以可以得到較穩(wěn)定的夾緊力。因此，常以K點(diǎn)為準(zhǔn)進(jìn)行夾緊力的計(jì)算。由圖3.3可看出，若不計(jì)圓偏心輪的自重，為保證夾緊狀態(tài)時的自鎖，必須滿足（3.3）(F夾

24、緊力；e偏心距；F1焊件與圓偏心輪間的摩擦力；F2圓偏心輪軸孔處的摩擦力；D圓偏心輪直徑；d軸徑 )圖3 圓偏心夾緊因偏心輪軸孔處的摩擦力 F2較小，可以忽略，則上式可寫成（3.4）由圖3.3（a）可知，tan= 得tanf（3.5）因摩擦因數(shù)f=tan，故 由上式可知，圓偏心夾緊的自鎖條件必須是升高角小于摩擦角。由于圓偏心輪在夾緊過程中角是變化的，因此其自鎖性能也是變化的。當(dāng)偏心線段oc處在水平位置時，角最大，自鎖性能最差，影響使用安全；當(dāng)oc處于垂直位置時，角為零，偏心輪又卡得很緊，使松夾發(fā)生困難15。（3.6）此外，為了保證自鎖條件，從tan = 不難看出，只有當(dāng)e較小，D較大時才容易做

25、到?？墒怯捎趭A緊行程的限制，e不可能很小，所以只有增大D才能保證自鎖條件。上述兩個問題是圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)。對于鋼與鋼的摩擦，通常取f=0.1，得出圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的自鎖條件為 D20e在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到圓偏心輪軸孔處仍有摩擦，取D14e仍可保證自鎖，所以在進(jìn)行圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時，圓偏心輪的外徑應(yīng)等于或大于14倍的偏心距。在本設(shè)計(jì)中，雙面偏心輪的設(shè)計(jì)為關(guān)鍵部分，綜合上述分析取偏心輪D=140mm，e=7mm。設(shè)計(jì)圖示如圖3.4。圖3.4雙面偏心輪偏心輪運(yùn)動的工作行程如下圖3.5所示。圖3.5 偏心輪運(yùn)動行程示意圖在圖3.5中，偏心輪主要工作部分為轉(zhuǎn)角在45°135°范圍

26、內(nèi)，在該轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)可靠的自鎖。3.3.2 圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的受力分析圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)的受力如圖3.6所示。圖3.6 偏心輪受力圖 在圖3.6中，F(xiàn)為夾緊過程中偏心輪所受的力，F(xiàn)T為垂直方向的分力，F(xiàn)r為水平方向的分力。3.3.3圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)夾緊力的計(jì)算由于圓偏心夾緊機(jī)構(gòu)可看成繞在轉(zhuǎn)軸上的單楔，因而在計(jì)算其夾緊力時，可按單楔作用在焊件與轉(zhuǎn)軸之間的情況來考慮。如圖3.3(a)所示，在距離轉(zhuǎn)軸中心L處的手柄上，作用一力Fs，使圓偏心輪繞軸轉(zhuǎn)動，此時，相當(dāng)于一假想的單楔向左推移。Fs對轉(zhuǎn)動中心產(chǎn)生的力矩FsL，傳至離轉(zhuǎn)動中心距離為p的接觸點(diǎn)K處，變?yōu)榱谾g，這兩個力矩值應(yīng)相等。即（3.7）FsL

27、=Fg此時，可以認(rèn)為在升角為的假想單楔上受到外力Fg的作用而對焊件產(chǎn)生夾緊力。式中F夾緊力，N；Fs作用在手柄上的外力，N；1圓偏心輪與轉(zhuǎn)軸之間的摩擦角，通常取6。；2圓偏心輪與焊件之間的摩擦角，通常取6。；接觸點(diǎn)的升高角，升高角隨接觸點(diǎn)而變化，若以K點(diǎn)為準(zhǔn)進(jìn)行夾緊力計(jì)算時，則=arctan ；L外力作用點(diǎn)至圓偏心輪轉(zhuǎn)動中心的距離，mm；（3.8）焊件與圓偏心輪的接觸點(diǎn)至轉(zhuǎn)動中心的距離，mm。以K點(diǎn)為準(zhǔn)計(jì)算時 算得 F（13.516.6）Fs由式3.1得出F=1000N。因此 Fs（6074）N不難看出，在該夾具體中力源輸出能夠保證。3.4夾爪的設(shè)計(jì)夾爪材料選用20CrMnMo。夾爪在本夾緊機(jī)

28、構(gòu)中起到杠桿的作用，主要起到改變力的大小和方向的作用，下面從力和行程兩方面進(jìn)行分析以達(dá)到最佳設(shè)計(jì)。圖3.7 夾爪分析圖根據(jù)力矩平衡原理，圖3.7左圖的力分析以C點(diǎn)為軸心，在忽略彈簧彈力作用的條件下可得出關(guān)系式：Fa一fb0；由此可得到F=fb/a，由此式可知：在所要求夾緊力f一定的情況下，要想得到較小的力F就得讓b/a較小。圖3.7中右圖是左圖繞C點(diǎn)旋轉(zhuǎn)一定角度后的圖例，AD、BE分別是A、B兩點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)過程中兩個力方向的行程，由于三角形ADC與三角形BEH相似，所以，AD/aBE/BH，BHb，由此可得出關(guān)系式：AD/aBE/b即BEADb/a；因此，在凸輪行程AD一定的情況下，要想得到較大的

29、行程BE就得讓b/a值較大。由此可見，以上兩個結(jié)論剛好矛盾，在設(shè)計(jì)過程中要根據(jù)實(shí)際情況決定b/a的取值，在滿足使用要求的前提下，做到最優(yōu)化。從而在設(shè)計(jì)中b=70mm，a=65mm使手柄所用的力較小。3.5旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)軸材料選用45鋼，其強(qiáng)度極限B=637MPa。在一般情況下，軸的工作能力取決于它的強(qiáng)度、剛度。對于一般的軸都要求其具有足夠的強(qiáng)度、剛度、合理的結(jié)構(gòu)和良好的工藝性16。在圖3.6中，已經(jīng)對偏心輪進(jìn)行受力分析。從受力圖可以看出，由Fr產(chǎn)生的兩個彎矩方向相反，相互抵消。而由兩側(cè)的FT產(chǎn)生的扭矩T將在旋轉(zhuǎn)軸上疊加，變?yōu)閮杀兜霓D(zhuǎn)矩。軸的設(shè)計(jì)計(jì)算公式為（3.9） d 對于圓截面的實(shí)心軸，其

30、抗扭強(qiáng)度條件為（3.10）式中，T軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm； WT軸的抗扭截面系數(shù)，mm3； 、軸的切應(yīng)力、許用切應(yīng)力，MPa； d軸的估算直徑，mm。（3.11）又由 N.mm由于軸采用45鋼，所以的取值范圍是3040,則d的取值范圍為1221，軸徑定為D=20mm符合強(qiáng)度要求。3.6拉伸彈簧的設(shè)計(jì)與選擇由于夾具體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)中選用圓柱螺旋彈簧17，所用材料為60Mn。其中彈簧的主要幾何參數(shù)：彈簧絲直徑d、彈簧中徑D2及有效圈數(shù)n。在夾爪設(shè)計(jì)中選取螺栓為M8，故彈簧內(nèi)徑要大于8mm。因此，彈簧絲直徑按尺寸系列表初定d=0.3mm，中徑D2=9mm，n=30。設(shè)計(jì)計(jì)算時，經(jīng)常用

31、到彈簧的旋繞比C。C值的大小，將影響彈簧強(qiáng)度、加工難度。C值越小，彈簧內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力差越大，加工困難；C值越大，彈簧徑向尺寸越大，彈簧易產(chǎn)生不穩(wěn)定。由d=0.3mm，C的范圍為714，故取C=7。彈簧的應(yīng)力主要為扭切應(yīng)力（3.12）式（3.12）可化解為（3.13）式中，K曲度系數(shù)經(jīng)計(jì)算得d=5>>0.3，滿足應(yīng)力要求。 第4章 主要零件校核計(jì)算4.1螺栓強(qiáng)度校核4.1.1支撐耳螺栓強(qiáng)度校核支撐耳處螺栓即固定夾爪所用，該處螺栓受力如圖4.1所示。 圖4.1 剪切力受力圖由于該處剪切力為雙剪，則由18（4.1）得 0.07 MPa<47 MPa= 因此，M18螺栓滿足夾具使用要求

32、。4.1.2彈簧連接螺栓強(qiáng)度校核彈簧連接螺栓作用主要是承受彈簧拉力，使夾爪收縮。該處螺栓受力如圖4.2所示。圖4.2 剪切力受力圖該處剪切力為單剪，則由（4.2） MPa<47 MPa= 因此，該處采用M8的螺栓滿足強(qiáng)度要求。4.2旋轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度校核對于一般的轉(zhuǎn)軸，在估算軸徑并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，通常要對軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。下面對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。軸的受力圖如圖4.3所示。（a）（b）圖4.3 軸分析圖（1）軸的受力圖如圖4.3（a）。（2）作轉(zhuǎn)矩圖如圖4.3（b）。根據(jù)第三強(qiáng)度理論，求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力ca，其強(qiáng)度條件為（4.3）由于轉(zhuǎn)軸的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)，而扭應(yīng)力的循環(huán)特征可能與不同,考

33、慮到兩者循環(huán)特征的不同,引入折合系數(shù)，則（4.4）此處，=1，=40 MPa由式3.11已知Tmax=11692 N.mm。代入得通過驗(yàn)證該轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)合理，滿足強(qiáng)度要求。4.3關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路此種凸輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)的力源是由人力手動發(fā)出的，作用于件手柄，通過轉(zhuǎn)軸把力傳遞出去。這部分設(shè)計(jì)是基于件手柄太貼近工作臺面不方便操作而變?yōu)殡p向手柄，使操作者操作起來感覺更輕松自然，同時根據(jù)操作者的習(xí)慣可把這部分結(jié)構(gòu)安裝在右側(cè)，當(dāng)然，在加工專機(jī)和加工中心及其它一些自動化程度比較高的加工設(shè)備上，這部分結(jié)構(gòu)還可以用氣缸代替，既加快了生產(chǎn)節(jié)拍提高了生產(chǎn)效率，又減輕了操作者的勞動強(qiáng)度19。結(jié)論手動凸輪杠桿夾緊器，是

34、經(jīng)凸輪（偏心輪）的擴(kuò)力和自鎖，再經(jīng)杠桿進(jìn)一步擴(kuò)力或縮力來實(shí)現(xiàn)夾緊作用的夾具。由于該種凸輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)可以在凸輪、杠桿上實(shí)現(xiàn)兩次增力，這樣可以節(jié)省人手施力大小。在凸輪夾緊器中，用偏心輪來實(shí)現(xiàn)夾緊，由于制作容易，已成為裝焊夾具中應(yīng)用最廣泛的凸輪夾緊形式。該凸輪杠桿夾緊裝置的突出特點(diǎn)如下：（1） 夾緊機(jī)構(gòu)有結(jié)構(gòu)緊湊、夾緊牢靠的特點(diǎn)。（2） 夾緊迅速，無需找正即實(shí)現(xiàn)可靠的夾緊位置，使加工生產(chǎn)誤差較小。（3） 凸輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)操作方便省力，對技術(shù)要求不高，對于法蘭類零件的批量生產(chǎn)可大大提高生產(chǎn)效率。（4） 通過改進(jìn)后，可使法蘭焊接實(shí)現(xiàn)自動化。該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)對稱，因此它比較合適作為一些外形比較規(guī)則（最好是對稱）的中小零部件的夾緊機(jī)構(gòu)。在加工方面可作為夾具的夾緊機(jī)構(gòu)，特別在管法蘭焊接中，由于它們結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，這種凸輪杠桿夾緊機(jī)構(gòu)尤其適用。同時，由于這種夾緊器行程有限，擴(kuò)力比及通用性不如螺旋夾緊器大，自鎖性能也不如螺旋夾緊器可靠，多用在要求夾緊力不大及振動較小的場合。參考文獻(xiàn) 1王政，劉萍.焊接工裝夾具及變位機(jī)械圖冊M.北京：機(jī)械工業(yè)出版，1992：17-1