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1、毕 业 设 计（论 文） 题目 大学生方程式赛车设计（模具及卡具设计） 2013年 5月 30日方程式赛车模具及卡具设计摘 要本文依据大学生方程式汽车大赛FSAE赛事技术规则对大学生方程式赛车整体车架、悬架进行了模具及卡具设计。在卡具设计当中不仅需要考虑赛车车架各杆件是否定位完全以及夹紧可靠，同时必须考虑支撑杆件的强度和刚度能否满足要求，最终还必须考虑焊接空间是否与支撑杆干涉。在模具设计当中不仅要考虑凸、凹模的加工精度以及冲压机的选择，同时还必须考虑凸、凹模的强度和刚度。本文在完全满足上述要求的前提下对模具及卡具进行了设计。在模具及卡具设计之初，将方程式汽车大赛的有关规定和评分标准，作为后续模
2、具及卡具设计的技术规范要求；为了达到卡具设计合理性的目的，本设计参考了湖南大学、天津大学以及部分国外大学的赛车模具及卡具。进入设计阶段，本设计通过分析比较几种模具及卡具的结构形式，决定选择定位与夹紧一体化的卡具设计，采用压弯模制得对强度要求较高的主环。然后依据技术规范、车架的最终尺寸确定了卡具及模具的结构形式和具体尺寸，并在UG7.0中建立车架卡具的模型。再对模具及卡具进行受力分析，使各杆件能合理的定位、夹紧，使主环能满足强度和精度的要求，直至模具及卡具结构满足各个方面的要求。关键词：FSAE，模具，卡具，建模，工艺分析IFORMULE SAEA MOLD AND FIXTURE DESIGN
3、ABSTRACTBased on equation FSAE car competition event technical regulations of university students for the college students formula overall frame, suspension for the mould and fixture design. In fixture design not only need to consider whether or not the car frame each bar of positioning and clamping
4、 completely reliable, at the same time must consider the strength of the support bar and stiffness can meet the requirements, the final must also consider whether the welding space interference with the support bar. During mold design should not only consider the machining precision of the convex, c
5、oncave die and punch, also must consider the intensity of the convex, concave die and stiffness. In this paper, on the premise of fully meet the above requirements on the mould and fixture design.At the beginning of the mould and fixture design, the formula car contest regulations and criteria, as t
6、he follow-up mold and fixture design of the technical specification requirements; In order to achieve the purpose of fixture design rationality, the design reference of Hunan university, Tianjin university and some of the foreign car mold and fixture. Entered the stage of design, this design through
7、 the comparative analysis several kinds of mould and the structure of fixture, decided to choose integration of positioning and clamping fixture design, USES the bending molding of strength to demand higher main ring. Then according to specification, to obtain the final size of the frame the structu
8、re of the mould and fixture and the specific size, and set up in the UG7.0 frame models of the fixture. Stress analysis was carried out on the mold and fixture, make each bar can reasonable positioning, clamping, the main ring can meet the accuracy requirement of the strength and, until the mold and
9、 fixture structure meet the requirements of all aspects.Key words: FSAE, mould, fixture, modeling, process analysis目 录第一章 绪 论11.1 赛事简介11.2 大赛性质21.3 大赛理念21.4 愿景与使命21.5 组织结构3第二章 焊接卡具的设计42.1 焊接的主要类型42.1.1 点焊42.1.2 凸焊42.1.3 钎焊52.1.4 二氧化碳焊52.2 车用焊接卡具分析52.3 焊接夹具的分类62.3.1 无驱动夹具62.3.2 气动夹具和手动夹具62.4 焊接夹具的结构设
10、计72.5 六点定位原则在车身焊装夹具上的应用72.6 焊装夹具设计原则82.7 焊装夹具的基本要求82.8 工艺分析92.8.1 车架的分析92.8.2 基准的选择92.8.3 制定工艺路线102.9 定位、夹紧元件的选择112.9.1 定位元件及定位方式的选择112.9.2 工件的夹紧及对夹紧装置的要求132.9.3 定位误差的分析与计算132.10 工件的夹紧142.10.1 夹紧装置的设计原则152.10.2 夹紧力确定的基本原则162.10.3 减小夹紧变形的措施18第三章 模具的设计203.1 模具的发展与现状203.1.1 国内模具的发展与现状203.1.2 模具CAD/CAE/
11、CAM技术223.2 零件工艺性分析233.2.1 材料选择233.2.2 结构分析233.2.3 工艺分析243.3 U形件弯曲模结构设计253.3.1 模具的整体结构253.3.2 凸、凹模的结构和固定形式253.4 模具零件的设计与计算263.4.1 凸、凹模的间隙263.4.2 弯曲力计算273.4.3 凸模长度的确定283.4.4 凹模尺寸的确定283.5 冲压设备的选用293.5.1 冲压设备主要技术参数293.5.2 冲压力的计算313.5.3 选择压力机313.6 模具强度和刚度的计算32第四章 结 论35参考文献36致 谢38V第一章 绪 论1.1 赛事简介Formula S
12、AE 赛事由美国汽车工程师协会（the Society of Automotive Engineers 简称SAE）主办。SAE 是一个拥有超过60000 名会员的世界性的工程协会，致力与海、陆、空各类交通工具的发展进步。Formula SAE 是一项面对美国汽车工程师学会学生会员组队参与的国际赛事，于1980年在美国举办了第一届赛事。比赛的目的是设计、制造一辆小型的高性能赛车。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。Formula SAE 发展的初衷是想创立一个小型的道路赛车比赛，而现在已经发
13、展成为一个拥有大约20个竞赛因素的大型比赛，参与者包括赛车和车队。Formula SAE 向年轻的工程师们提供了一个参与有意义的综合项目的机会。由参与的学生负责管理整个项目，包括时间节点的安排，做预算以及成本控制、设计、采购设备、材料、部件以及制造和测试。Formula SAE 为在传统教室学习中的学生提供了一个现实的工程经历。Formula SAE 队员在这个过程中将会经受考验，面对挑战，培养创造性思维和实践能力。目前美国、欧洲和澳大利亚每年都会定期举办该项赛事。比赛由三个主要部分组成：工程设计、成本以及静态评比；多项单独的性能试验；高性能耐久性测试。为了达到比赛的目的、学生可以把自己假想设
14、计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余汽车比赛。因此，该车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该车必须成本低廉、易于维修、可靠性好。中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSAE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。2010年第一届中国FSAE由中国汽车工程学会、中国二十所大学汽车院系、国内领先的汽车传媒集团易
15、车（BITAUTO）联合发起举办。中国FSAE秉持“中国创造擎动未来”的远大理想，立足于中国汽车工程教育和汽车产业的现实基础，吸收借鉴其他国家FSAE赛事的成功经验，打造一个新型的培养中国未来汽车产业领导者和工程师的交流盛会，并成为与国际青年汽车工程师交流的平台。中国FSAE致力于为国内优秀汽车人才的培养和选拔搭建公共平台，通过全方位考核，提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调等五方面的综合能力，全面提升汽车专业学生的综合素质，为中国汽车产业的发展进行长期的人才积蓄，促进中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进。1.2 大赛性质非盈利的社会公益性事业。1.3 大赛
16、理念中国创造擎动未来倡导自主创新，培育及选拔汽车产业人才，促进中国制造向中国创造的转型,推动中国汽车工业由民族品牌向世界品牌的跨越。1.4 愿景与使命促进中国汽车产业自主研发与科技进步，提高中国汽车产业“引进消化吸收再创新”和“自主创新”的能力，加快中国制造向中国创造的转型，推动民族品牌向世界品牌的跨越。完善汽车人才培育机制，为中国汽车工业从“制造大国”向“产业强国”的战略方向迈进奠定人才基础。积极探索有效利用社会资源培养创新型人才的素质教育新体系。搭建自主创新技术的国际交流舞台，帮助中国汽车产业的未来人才从世界汽车技术的革新潮流中不断获取新的启迪，以国际化的视野捕捉行业动态，丰富知识储备，积
17、极参与国际汽车技术标准的更新与提升。深化中国汽车产业自主创新的主流意识，强化中国汽车厂家在汽车人才培养、技术研发等方面的企业社会责任感，帮助众多汽车自主品牌积极探索自身广阔的发展空间。1.5 组织结构主办单位：中国汽车工程学会（SAE-CHINA）承办单位：易车集团、中国汽车工程学会教育分会、机械工业教育协会车辆工程分委会中国汽车工程学会教育分会机械工业教育协会车辆工程分委会大赛执委会秘书处：设在易车集团规则委员会：设在同济大学（上海）裁判委员会：设在中国第一汽车集团公司（长春）宣传推广与奖项委员会：设在中国经营报社（北京）现场运营委员会：设在易车集团（北京）第二章 焊接卡具的设计2.1 焊接
18、的主要类型2.1.1 点焊点焊是将板件已有的搭接接头夹置于两点级之间，同时压紧、通电，利用电阻热能熔化板材，故焊点的形成过程是热-机械联合作用的焊接过程。优点：1、与熔焊方法相比，点焊是在压力作用下通过内部电阻热加热金属而形成焊点，其冶金过程简单，且加热集中，热影响区域小，易于获得品质优良的焊接接头。2、与铆接相比,不需其他金属，结构质量轻，这对有着较高行驶速度的乘用车十分重要，可以达到轻量化节省能源的要求。3、焊接过程中不产生弧光、有害气体及噪声，工人劳动条件好。4、点焊过程因机械化、自动化程度高，可提高生产效率，减轻操作者的劳动强度。适合于自动化程度高的生产线。2.1.2 凸焊凸焊与点焊相
19、比，其不同点是预先在板件上加工凸点，或利用焊件上能使电流集中的塑面、型面等作为焊接时的相互接触部位。焊接靠凸点接触，提高了单位面积上的压力与电流密度，有利于将板面表面氧化膜压破，使热量集中，减少分流，减小了点焊的中心距，一次可进行多点凸焊，提髙了生产率，并减小了接头的翘曲变,凸焊与点焊相比还具有以了优点：1、在一个焊接循环内可同时焊接多个焊点。不仅生产率髙，而且没有分流影响。因此可在窄小的部位上布置焊点而不受点距的限制。2、由于电流密度集于凸点，电流密度大，故可用较小的电流焊接，并能可靠地形成较小的熔核。在点焊时要对应于某一板厚，要形成小于某一尺寸的熔核是很困难的。3、凸点的位置准确、尺寸致，
20、各点的强度比较均匀，因此对于给定的强度、凸4、由于采用大平面电极，且凸点设置在一个工件上，所以可最大限度地减轻另一工件外露表面上的压痕。同时大平面电极的的电流密度小、散热好，电极的磨损要比点焊小得多，因而大大降低了电极的保养和维修费用。5、与点焊相比，工件表面的油、锈、氧化皮、镀层和其他涂层对凸焊的影响较小，但干净的表面仍能获得较稳定的质量。2.1.3 钎焊钎焊是利用某些熔点低于被连接材料熔点的金属做连接的媒介物，经加热溶化后在连接界面上产生流动润湿作用，待钎料冷却结晶后与被连接金属形成结合面。对有密封要求的两块板件之间的隙缝，一般应用钎焊进行处理。2.1.4 二氧化碳焊二氧化碳气体保护焊之所
21、以广泛应用于汽车制造，是因其以下特点：1、焊接成本低。二氧化碳气体容易制取，价格低，焊接耗电量小。2、生产效率高。其电弧的穿透力强，熔深大，而且焊丝的熔化系数高，所以熔化速度快。3、使用范围。：不论何种位置都可进行焊接。4、抗锈能力比其他焊接方法强。焊缝含氢量低，抗裂性好。5、因为是明弧，便于观察和控制焊接过程，有利于实现焊接过程的机械化和自动化，焊后不需清渣。由于车架是单件生产，而且车架是由管件连接而成的，考虑到成本和可行性，最终选择二氧化碳焊。2.2 车用焊接卡具分析焊接工装夹具就是将焊件准确定位和可靠夹紧，便于焊件进行装配和焊接、保证焊件结构精度方面要求的工艺装备。在现代焊接生产中积极推
22、广和使用与产品结构相适应的工装夹具，对提高产品质量，减轻工人的劳动强度，加速焊接生产实现机械化、自动化进程等方面起着非常重要的作用。装配和焊接夹具在汽车车身装配和焊接生产线生产制造优质的汽车设备息息相关。焊装夹具，是焊接工艺的重要组成部分，装配和焊接夹具除了是完成这个过程中零部件装配的途径和定位，同时在生产线上也作为一个测试和校准程序，完成检测焊接配件和焊接质量的任务。因此焊装夹具的设计和制造，直接影响焊接过程中赛车的生产能力和产品质量。赛车焊装夹具是保证其制造质量，缩短制造周期的重要手段。因此，正确理解焊装夹具的设计要点，改善和提高焊装夹具的设计手段和设计水平，并提高夹具的调整和验证水平等三
23、方面都是必不可少的。它在焊接过程中确保车身形状、尺寸、精度符合赛车图样技术要求起到关键因素。由于赛车零件多为薄板弹性体或管体状，易变形，在焊接过程中常用工件型面过定位的方式对它设置定位夹紧点以增加其刚性。随着汽车工业的发展，汽车焊接夹具的研究成为一个热点，尤其是在基于知识的设计以及智能化设计领域.方面汽车焊接夹具的设计生产所需的时间是汽车生产周期的重要组成部因此对于提髙汽车焊接卡具设计效率和质量的究具有非常重要的应用价值；另一方面汽车白车身模块化设计，焊接件形状、结构复杂的特点决定了汽车#具的模块化，灵活性多样性和复杂性。2.3 焊接夹具的分类2.3.1 无驱动夹具单独定位的夹具是指只有定位元
24、件（定位销或定位块），且不需要有打开装置（如手动夹紧装置、夹紧气缸）的夹具单赛。这类夹具又包括：定位销定位夹具、定位块定位夹具以及定位销定位块混合夹紧装置。1、 定位销定位夹具可分为一个定位销定位、两个定位销定位两种形式，其特点是仅有定位销做定位元件并且是固定销的夹具单元。2、 定位块定位夹具可分为一个定位面和两个定位面两种形式，其特点是仅有定位块作定位元件的夹具单元。3、 定位销定位块混合定位夹具指定位件为以上两种类型组合的情况。 图2.1定位块和定位销2.3.2 气动夹具和手动夹具手动夹具是指靠人力推动夹紧机构来压紧工件，所用的夹紧器一般为四连杆的自锁机构。气动夹具是指利用压缩空气作动力，
25、通过气缸推动夹紧机构来夹紧工件。手动夹具和气动夹具在结构分类上是相似的：单方向夹具是指夹具单元中的打开装置都沿着一个方向打开以便接放焊接件；两方向夹具是指夹具单元中的旋转臂沿两个方向打开，在这类夹具单元中至少包含两个动力驱动装置。2.4 焊接夹具的结构设计焊接夹具的结构设计，要保证夹具有良好的操作方便性、装夹的可靠性、定位的准确性。焊装夹具的制造商也很容易调整，以保证结构各部分的表面有足够的空间用于调整，保证可以立体调整，在确保焊装夹具质量准确性的前提下，焊装夹具应该尽可能的简单。通常夹具上全部元件的位置都是根据设计基准确定的，保证制造出合格的焊接工装机构，根据工作高度可初步确定夹具底板的髙度
26、，就是夹具固定位置的高度。焊接夹具设计要考虑夹紧方式，手动和气动两种，手动夹紧一般是用于小件、外协件、小批量工件焊接，对于大型车体部件、规划与生产线内的、自动化程度较高的焊接夹具选用气动夹紧，汽车生产一般用气动夹紧，手工夹紧可用作辅助夹紧，这样可以减低成本，部分手动夹紧产品已拥有标准的型号和数量，需要时到市场上购买。对于某些装置，规定采用气动夹紧，但是如果直接采用气动夹紧，可能会损坏工件可以先由人工按位置来提供一种气动夹紧力来加紧工件，这是手动气动联合。该夹具夹紧系统是安装在大平台上所有固定在保证焊接条件应符合设计尺寸的工件坐标系定位夹具，这牵涉到基准。焊装夹具中的定位元件与夹紧元件分工明确，
27、定位元件提供相应的装配基准与被定位的零件的定位面相匹配。元件的设置仅仅提供了可靠定位的必须条件，而被定位的零件能否真正的可靠定位，往往要有夹紧元件的有力配合。2.5 六点定位原则在车身焊装夹具上的应用在设计车身焊装夹具时，常有两种误解，一是认为6点定位则对薄板焊装夹具不适用；二是看到薄板焊装夹具上有过定位现象，产生这种误解的原因是把限制6个方向运动的自由度理解为限制6个方向的自由度，焊接夹具设计的宗旨是限制6个方向运动的自由度，这种限制不仅依靠夹具的定位夹紧装置，而且依靠制件之间的相互制约关系。只有正确认识了薄板冲压件焊装生产的特点，同时又正确理解了6点定则，才能正确应用这个原则。从定位原则看
28、，支撑对薄板来说是必不可少的，可消除由于工件受夹紧力作用而引起的变形。过定位使接触点不稳定，产生装配位置上的干涉，但在调整夹具时只要认真修磨支撑面，其过定位引起的不良后果是可以控制在允许范围内的。2.6 焊装夹具设计原则1、焊装夹具必须保正焊件焊后获得正确的几何形状和尺寸。在装配时，夹具必须使被装配的元件获得正确的位置，并且在焊接时能阻止焊件产生变形。2、焊装夹具应动作迅速，操作方便。操作位置要处于工人容易接近，最宜操作的部位。3、焊装夹具的设置应容易施工，有足够的装配焊接空间，不能影响间接操作与焊工观察，不妨碍焊件的装卸。所有的定位元件与夹紧机构应与焊点保持合适的距离，或布置在焊件的下方或后
29、侧。夹紧机构的执行元件应能够转为。4、夹紧可靠，刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，以及焊件的表面质量。夹紧力适当，使夹紧后即不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束过大而产生较大的应力。5、为了保证使用安全，设置必要的安全互锁装置。6、在同一个夹具上，定位元件和夹紧机构的结构形式不宜过多，并且尽量只选用一种动力源。7、焊装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率，尽量使制作时投资少成本低。8、尽量选用通用化、标准化的夹紧机构及标准零部件来设计制造焊装夹具。2.7 焊装夹具的基本要求工装夹具应具备足够的强度和刚度。夹具在生产中投入使用时要承受多种力度的作用，所以工装夹具应具备足够的
30、强度和刚度。夹紧的可靠性。夹紧时不能破坏工件的定位位置和保证产品形状、尺寸符合图样要求。既不能允许工件松动滑移，又不使工件的拘束度过大而产生较大的拘束应力。焊接操作的灵活性。使用夹具生产应保证足够的装焊空间，使操作人员有良好的视野和操作环境，使焊接生产的全过程处于稳定的工作状态。便于焊件的装卸。操作时应考虑制品在装配定位焊或焊接后能顺利的从夹具中取出，还要制品在翻转或吊运使不受损害。良好的工艺性。所设计的夹具应便于制造、安装和操作，便于检验、维修和更换易损零件。设计时还要考虑车间现有的夹紧动力源、吊装能力及安装场地等因素，降低夹具制造成本。2.8 工艺分析2.8.1 车架的分析车架是由钢管焊接
31、而成的空间结构，选用的是4130钢。车架主要有前环、支撑环、主环等组成，并由钢管焊接而成。图2-2车架示意图2.8.2 基准的选择基面的选择是：工艺规程设计中的重要工作之一。基面选择得正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产效率得以提髙。否则，加工工艺过程中会问题百出；更有甚者造成零件大批报废，使生产无法正常进行。选择车架最底部的两根钢管所决定的平面为基准。由上图可以看出车架的结构比较复杂此选择最低平面为基准比较合理。车架最低端的四根钢管构成一个四边形结构，用四个V形块对其四边进行定位。由于车架的刚性小,所以四个V形块过定位可以满足要求。2.8.3 制定工艺路线制定工艺路线的出发点,应当是使零
32、件的几何形状、尺寸精度、及位置精度等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已定为单件生产的条件下，可以考虑采用普通工作台配以专用焊接卡具，同时还要考虑充分利用工件装配的相互依赖关系作为自然的定位支撑来提髙车架焊接质量。除此外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。经过研究制定以下工艺方案。一、工艺路线方案一（1） 将车架主体部分各杆件定位夹紧；（2） 焊接车架底部各杆件；（3） 焊接前隔板各杆件；（4） 焊接支撑环总成与车架底部杆件连接处；（5） 焊接前环与车架底部杆件连接处；（6） 焊接主环总成及其与车架底部杆件连接处；（7） 焊接后悬架安装杆前支撑左、右杆与车架底部杆件连接处；（8）
33、焊接后悬架安装杆后支撑左、右杆及尾部水平上杆；（9） 焊接前隔板支撑左右杆及前隔板斜撑左右杆；（10） 焊接前悬架左、右叉臂上安装杆及前环斜撑左、右杆；（11） 焊接上部侧边防撞左、右杆及对角侧边防撞左、右杆；（12） 焊接发动机安装区上部左、右杆；（13） 焊接后悬架左、右叉臂上安装杆；（14） 焊接主环斜撑左、右杆；（15） 将车架主体部分夹具卸下；（16） 将悬架部分装配到车架上，并将车架及悬架定位、夹紧；（17） 焊接发动机安装杆；（18） 焊接方向盘安装杆和安装环；（19） 焊接前后悬架安装块；（20） 焊接前后悬架叉臂。二、工艺路线方案二（1） 将车架主体部分各杆件定位夹紧；（2）
34、 焊接主环总成；（3） 焊接前支撑环总成；（4） 焊接前隔板各杆件；（5） 焊接后悬架安装杆前支撑左、右杆与车架底部杆件连接处；（6） 焊接后悬架安装杆后支撑左、右杆及尾部水平上杆；（7） 焊接车架底部各杆件及与其相连的杆件；（8） 焊接前隔板支撑左右杆及前隔板斜撑左右杆；（9） 焊接前悬架左、右叉臂上安装杆及前环斜撑左、右杆；（10） 焊接上部侧边防撞左、右杆及对角侧边防撞左、右杆；（11） 焊接发动机安装区上部左、右杆；（12） 焊接后悬架左、右叉臂上安装杆；（13） 焊接主环斜撑左、右杆；（14） 将车架主体部分夹具卸下；（15） 将悬架部分装配到车架上，并将车架及悬架定位、夹紧；（16
35、） 焊接发动机安装杆；（17） 焊接方向盘安装杆和安装环；（18） 焊接前后悬架安装块；（19） 焊接前后悬架叉臂。三、工艺方案的比较分析两种工艺方案的区别在于焊接基体的焊接顺序上，方案一先焊接底部、上部侧边防撞杆左右杆,这样就可以确定前环相对于底部侧边防撞杆的角度，而方案二的焊接顺序不能确定,这样就不可以正确的保证驾驶舱的空间大小，所以方案一优于方案二，选择方案一。2.9 定位、夹紧元件的选择2.9.1 定位元件及定位方式的选择图2-3 悬架卡具图2-4车架卡具定位元件的作用是要使工件在夹具中具有准确和确定不变的位置，在保证加工要求的情况下，限制足够的自由度。自由物体在空间直角坐标系中有六个
36、自由度，即沿三个坐标轴方向的移动和绕三个坐标轴方向的转动。要使工件在某个方向具有准确和确定的位置，则必须限制该方向的自由度。工件的六个自由度均被限制的定位叫做完全定位；工件被限制的自由度少个，但仍然能保证加工要求的定位叫不完全定位。在焊接生产中，为了调整和控制不可避免产生的焊接应力和变形，有些自由度是不必要限制的，故可采用不完全定位的方法。在焊接夹具设计中，按加工要求应限制的自由度而没有被限制的欠定位是不允许的；而选用两个或更多的支撑点限制个自由度的方法称为过定位，过定位容易位置变动，夹紧时造成工件或定位元件的变形，影响工件的定位精度，过定位也属于不合理设计。虽然过定位使接触点不稳定，产生装配
37、位置上的干涉，但在调整夹具时只要认真修磨支撑面，其过定位引起的不良后果是可以控制在允许范围内的。1、以工件的平面为基准进行定位时，常采用挡铁、支撑钉进行定位。2、工件以圆孔内表面为基准进行定位对常采用销定位器；3、工件以圆柱外表面为基准进行定位时常采用V形块定位器。4、利用已定位工件的轮廓对被定位工件进行定位，可采用样板定位器。经分析，焊件基体采用V形块定位，一个V形块可以限制圆柱面零件4个自由度，四边定位块定位方式属于过定位，但是由于车架的刚度小，所以采用过定位进行定位。2.9.2 工件的夹紧及对夹紧装置的要求夹紧机构的三要素是夹紧力方向的确定、夹紧力作用点的确定、夹紧力大小的确定。对夹紧机
38、构的基本要求如下；1、夹紧作用准确，处于夹紧状态时应能保持自锁，保证夹紧定位的安全可靠。2、夹紧动作迅速，操作方便省力，夹紧时不虚损害零件表面质量。3、夹紧件应具备一定的刚性和强度，夹紧作用力应是可调节的。4、结构力求简单，便于制造和维修。2.9.3 定位误差的分析与计算六点定位原则解决了消除工件自由度的问题，即解决了工件在夹具中位置“定于不定”的问题。但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致，即出现工件位置定得“准与不准”的问题。如果工件在夹具中所占据的位置不准确，加工后各工件的加工尺寸必然大小不一，形成误差。这种只与工件定位有关的误差称为定位误差，用d表示。加工
39、尺寸的基准是外圆柱面的母线时，定位基准是工件圆柱孔的中心线。这种由于工序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量，称为基准不重合误差，用表b表示。此时除定位基准位移误差外，还有基准不重合误差。综上所述可知：定位误差产生的原因是，定位基准与限位基准不重合及定位基准与工序基准不重合而产生的误差。V形块定心定位，若不计V形块制造误差，仅有工件基准面的圆度误差时,工件的定位中心会发生偏移即O1O2=T1T2，产生基准位移误差。即：Y=O1O2=T1T2 (2-1)故：对于90V形块Y=0.707d。定位误差是两误差的合成即：D=B+Y在圆柱间隙配合定位和V形块中心定位中，当
40、基准不重合误差和位移误差都存在时，定位误差的合成需判断“”“”号。V形块中：B=d/2当B与Y的变动方向相同时：D=B+Y=d/2+Y （2-2）当B与Y的变动方向相反时：D=BY=d/2Y5 （2-3）2.10 工件的夹紧在车架焊接过程中，工件会受到力的作用。为了保证在这些外力作用下，工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置，不致发生振动和位移,在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。工件定位后，将工件固定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。焊接车架，由于是单件生产，经过分析决定采用图2-5中所示的定位夹紧方案。图2-5定位夹紧装置该卡具的特点是将定位
41、元件和夹紧装置结合，杆件定位之后，用螺栓将夹板拧紧在杆件上。这样做的好处是：1、将夹紧装置简化，节约了不少成本；2、由于减少了用来固定夹具的杆件，为卡具布置节省了空间，同时也为焊接工作省下了足够的空间。2.10.1 夹紧装置的设计原则在夹紧工件的过程中，夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、表面粗糙度以及生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则：一、工件不移动原则夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。二、工件不变形原则夹紧力的大小要适当，既要保证夹紧可靠，又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加工精度所不允许的变形。三、工件不振动原则对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气
42、缸直接压紧的情况，应提高支撑元件和夹紧元件的刚性，并使夹紧部位靠近加工表面，以避免工件和夹紧系统的振动。四、安全可靠原则夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。五、经济实用原则夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应，在保证生产效率的前提下，其结构.求简单，便于制造、维修，工艺性能好;操作方便、省力，使用性能好。2.10.2 夹紧力确定的基本原则设计夹紧装置时，夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个、要素。一、夹紧力的方向夹紧力的方向是与工件定位基准所处的位置，以及工件所受外力的作用方向等有关。选择时应该遵守以下原则：力的方向应垂直于工件的主要定位基面
43、，以保证加工精度。夹紧力的方向应有利于减小夹紧力，以减小工件的变形、减轻劳动强度。力的方向应是工件刚性较好的方向。由于工件在不同方向上刚度是不等的。不同的受力表面也因其接触面积大小而变形各异。尤其在夹压薄壁零件时，更需注意使夹紧力的方向指向工件刚性最好的方向。二、夹紧力的作用点的确定压夹器的夹紧力方向必须仔细选择，一般应垂直于主要定位基面，这样它与定位器接触最好也最稳定，可减少接触点的单位面积压力，又有利于减少因夹紧所产生的变形。夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。选择作用点的问题是指在夹紧力方向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目。夹紧力作用点的选择是达到最佳夹紧状态的首要因素
44、。合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则：夹紧力应落在支承元件上或几个支承元件所形成的支承平面内。如夹紧力作用在支撑面范围之外，会使工件倾斜或移动。夹紧力应落在工件刚性较好的部位上，这对刚性差的工件尤为重要，如将作用点由中间的单点改成两旁的两点夹紧，可使变形量大为减小，并且夹紧更加可靠。力的作用点应尽量靠近加工表面，以防止工件产生振动和变形，提高定位的稳定性和可靠性。三、夹紧力的大小的确定夹紧力的大小，对工件装夹的可靠性，工件和夹具的变形，夹紧装置的复杂程度等都有着很大的影响。因此，在夹紧力的作用点和方向确定之后，还要确定恰当的夹紧力大小。夹紧力大小的确定，是一个复杂而现实的问题，目前常采用下列
45、两种方法：1、平衡计算法按工件受力(简化)平衡条件，列出夹紧力的计算方程式，并从中求出所需夹紧力Fc，为保证夹紧力可靠，再乘以安全系数K作为实际所需的夹紧力数值Fc即FcKFc （2-4）考虑到切削力的变化和工艺系统变形等因素，一般在粗加工时取K =2.53；精加工时取K=1.52。2、经验类比法在实际夹具设计中，对于夹紧力的大小并非在所有情况下都要用计算确定。如对手动夹紧机构，常根据经验或用类比的方法确定。对于需要比较准确地确定夹紧力大小的，如气动、液压传动装置或夹紧容易变形的工件，仍有必要对夹紧状态进行受力分析，估算夹紧力的大小。夹紧力三要素的确定，实际是一个综合性问题。必须全面考虑工件结
46、构特点、工艺方法、定位元件的结构和布置等多种因素，才能最后确定并具体设计出较为理想的夹紧装置。四、受力分析夹紧力F的大小与零件自重W、焊接热引起的作用力F之间的相互关系，有下列几种情况。由于通常主要定位基准面是水平的，被装配的零件搁置在它上面，因而在图a时夹紧力可最小，理论上讲，F=0。图b的F力为水平方向，夹紧力必须满足下式要求：FF/fW (2-5) 图e所需的夹紧力最大FF/fW (2-6)图2-6 重力与焊接热应力对夹紧力的影响F-夹紧力 F-焊接热应力 W-重力减小夹紧力可减小压紧器的尺寸;降低劳动强度，因此应尽可能使F与W力由夹具的定位面或装置上的挡块来承受，而不是由零件与夹具面的摩擦力或压紧器本身来承受。由于焊接热引起的作用力F很难精确计算，只能粗略估计，一般是将计算的理论值提高12倍，作为夹具设计时的夹紧力。在大量采用机械化压紧器的工艺装备中，必要时应通过实验来确定最恰当的夹紧力数值。2.10.3 减小夹紧变形的措施有时，一个工件很难找出合适的夹紧