设计计算

设计计算
在装配焊接作业中，使零件一直保持确定位置的过程叫做夹紧。

使零件保持确定位置的各种机构，称为夹紧机构。

夹紧机构对焊件起夹紧作用，是夹具组成中最重要最核心的部分。

1. 夹紧力大小和方向的确定
在进行焊装夹具设计计算时，首先要确定装配焊接时零件所需夹紧力，然后根据夹紧力的大小和方向、被焊接零件的结构、夹紧点的布置，安装空间的大小等来选择夹紧机构的类型和数量。

车身覆盖件是刚性较差的薄板零件，与定位元件相适应，它所需要的夹紧力的数目较多，其夹紧力的数目主要由保证零件的定位基准与定位元件能紧密贴合为标准来确定，一般每一个定位件上都应有夹紧力。

夹紧力的作用方向应垂直于主要定位基准面，以保证零件定位稳定，变形较小。

当夹紧力的方向与重力方向一致时，可使夹紧力最小。

选择夹紧力的作用点时，主要应当考虑工件夹紧时要稳定、变形最小。

所以夹紧力的作用点应落在定位元件上，应尽量选在零件刚性最好的部位上，以减少夹紧变形。

在车身装配焊接时，夹紧力大小的确定一般有四个影响因素：
（1）装配焊接时，为了保证安装精度，使各相邻被焊零件相互紧贴，消除他们之间的装配间隙所需的夹紧力
两个被焊零件的装配间隙是影响焊接质量的重要因素。

车身零件大都是薄板冲压件，由于冲压模具的误差引起的零件的制造误差以及零件在运输、储存过程中引起的变形，在装配时往往难以贴合而达不到要求，这就需要应用夹紧力，使零件产生局部变形而“强制”贴合。

当然，严重的不贴合必须矫正后才能投入装配，以免引起很大的装配应力。

对于车身薄板焊件，装配件之间的间隙应不大于0.8mm。

（2）为了减少或消除焊接残余变形，焊前对焊件施以反变形所需的夹紧力，需要在焊装夹具上实现焊件预反变形时，就必须要有夹紧力使得焊件获得预反变形量。

（3）在焊接及焊完后的冷却过程中，防止焊件发生焊接残余变形所需的夹紧力，夹紧力要足以应付焊接过程中热应力引起的约束反力。

（4）在具有翻转的夹具上，为防止焊件翻转时在重力作用下不致坠落或移动所需的夹紧力，当焊件在夹具上实现翻转或回转时，夹紧力应足以克服乖力和惯性
力，把焊件车牢地夹持在夹具上。

实际设计中，夹紧力大小的确定应从安全出发，全面考虑以上四个因素，把最不利的受力状态所需要的最大夹紧力确定下来，然后再乘以一定的安全系数，作为设计的基本依据。

夹紧力大小的具体数值，至今没有准确的计算公式。

一般根据经验公式或类比来确定，在车身薄板焊接的焊装夹具中，为消除冲压件的回弹，一般夹紧力P ≥50kgf.
2夹紧力分析
计算夹紧力时，通常将夹具和工件看成是一个刚性系统。

根据工件的受力作用情况，找出在加工过程中对夹紧最不利的瞬时状态，按静力平衡原理计算出理论夹紧力。

最后保证夹紧可靠，再乘以安全系数作为实际所需夹紧力的数值，即：
W K W k =
式中 k W 一实际所需夹紧力（N)；
W 一在一定下，由静力平衡计算出的理论夹紧力（N ）；
K 一安全系数。

安全系数K 可按下式计算：
6543210K K K K K K K K =
式中，60~K K 为各种因素的安全系数，
经计算每个夹具所受夹紧力为：
N WK W 8.217812/8.913342=⨯⨯==
3. 汽缸的选用与计算
a. 根据夹紧力确定气缸的缸径
气缸的缸径大小代表了气缸输出力的大小，而且缸径d 的尺寸己经标准化。

在设计过程中可以预选气缸缸径，然后验算夹紧力，通过调整机构的设计或改变气缸缸径来满足定位夹紧要求。

如图所示的气动夹必简化为图所示的杠杆机构原理图：
由杠杆平衡原理有 B F A P ⋅=⋅ （1）
其中，P 一 单杠双作用汽缸推力, kgf
F 一 夹紧力, kgf
A 一 气缸作用力臂, mm
B 一 夹紧力臂, mm
由汽缸运动结构原理有：
p d P ⋅⋅=ηπ
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其中，η一汽缸的负载率，
即汽缸活塞杆受到的轴向负载力与理论出力之比， 一般 η=50%
d 一汽缸缸径， mm
p 一汽缸系统使用压力， 2/cm kgf
汽车焊装线气压一般调节为5~42/cm kgf
将式（1）代入式（2）求出夹紧力F
B
A P d
B A P F 42ηπ=⋅= 假设选用63φ的汽缸，取气压p=5 K W cm kgf >2/,%80=η,1/=B A ,则 K W N kgf F >≈≈⨯⨯⨯⨯⨯=7.24423.249142
8.053.62π
b. 根据设计要求选择气缸行程
用于移动的气缸，要根据设计要求移动的距离来决定气缸行程；用于夹紧的气缸，选定的行程要保证气缸在打开状态时，工件取料方便，不与打开后的任何装置发生干涉，并留有一定的干涉余量。

气缸在使用时一般不用满行程，即选择的行程应大于实际所需的行程，在设计时将气缸行程保留至少5mm 的余量，以免活塞撞击气缸盖，这样也可以保证夹具的可靠夹紧，即使夹头磨损严重，也不会出现夹紧器夹不紧的现象，使焊接件的生产质量得到了保证。

气缸的行程有标准行程、长行程和最大行程。

标准行程的范围与气缸的形式和缸径大小有关，它不需要向厂家特殊订货。

非标准行程也称特殊行程，要根据特殊订货组织生产。

比标准行程长，限制横向载荷后尚不需要在运动方向加导向装置的行程称为长行程。

行程大于长行程，沿气缸运动方向要设置导向装置。

受杆端横向载荷或者活塞杆受轴向压力载荷时，限制活塞杆的变形量在一定范围内，气缸最大允许的行程称为最大行程。

c. 选择气缸品种
根据气缸承担任务的要求来选择气缸的品种。

如用于旋转夹紧打开的夹具中，选用夹紧气缸；当要求气缸作用力较大时，又需要缸体作摆动，可选耳轴式或耳环式安装的普通标准气缸；若只要求活塞杆作直线往复运动，如顶升、平移机构，则选用固定安装方式的普通气缸；要求安装空间窄且行程短，如移动销结
构可选用薄型气缸；如要求气缸到达行程终端无冲击现象和撞击噪声，应选缓冲气缸；有横向负载，选带导杆气缸；要求制动精度高，应选制动气缸；不允许活塞杆旋转，可选具有杆不回转功能的气缸。

d. 计算气缸耗气里
气缸的耗气量可分为最大耗气量和平均耗气量。

最大耗气量是气缸以最大速度运动时所需要的空气流量，可表示为：
)102.0(0462.02+=p U D q m γ （4）
其中， γq 一汽缸的最大耗气量，L/min ；
D 一汽缸缸径， cm ；
m U 一汽缸的最大速度， mm/s ；
平均耗气量是气缸在气动系统的一个工作循环周期内所消耗的空气流量。

气缸作一次往复运动所消耗的空气量为C V ，气缸作一次往复运动，气缸至换向阀之间的配管所消耗的空气量为T V ，-则该气缸的平均耗气量为)N V (T +C V ，N 为气缸的工作频度。

平均耗气量可表示为：
)102.0()(0157.022++=p N L d L D q d ea (5)
其中，ce q 一汽缸的平均耗气量，L/min ；
N 一汽缸的工作频度，即每分钟汽缸的往复周数，一个往复为一周,周/min ；
L 一汽缸的行程， cm ；
d 一换向阀与汽缸之间的配管的直径， cm;
d L 一配管的长度，cm ；
一个气缸的耗气量微不足道，但在汽车焊装线上使用的气动夹具多，气缸数量大，它所需要的压缩空气量必须经过计算选用。

平均耗气量用于选用空气压缩机，计算运转成本。

最大耗气量用于选定空气处理元件，控制阀及配管尺寸等。

最大耗气量与平均耗气最之差用于选定气罐的容积。

4.夹具定位精度计算。