柱梁焊接工装夹具设计

0 引言 长期以来，人们一直在追求变革建筑理
念，实现建筑“环保、节能、工厂化”即“绿 色建筑”的理想，钢结构恰恰能够实现人们 的追求和理想。实际上钢结构在国外建筑业 早已广泛应用，在发达国家，小高层、高层 钢结构住宅十分普遍。随着我国经济建设的 发展，长期以来混凝土和砌体结构一统天下 的局面正在发生变化。钢结构产品在大跨度 空间结构、轻钢门式结构、多层及小高层住 宅领域的建筑日益增多，应用领域不断扩 大。钢结构建筑采用钢柱钢梁作为基本骨 架，钢柱采用 H 型钢钢骨砼柱，方管钢柱， 圆管柱和钢管砼柱；梁一般采用 H 型钢，梁 柱的节点连接采用高强螺栓或焊接或两者 并用。随着钢结构建筑的发展，钢柱钢梁的 制作就显得尤为重要，现有的制作方法采用 人工焊接的方法，人工作业强度大且精度无 法保证。
图 7 H 柱中心拉线模块
3.2.2 工字梁中心拉线模块的设计 工字梁中心拉线模块如图 8 所示，通过
工字梁两侧的工字梁中心拉线模块，Φ2mm 的钢丝线，提供工字梁定位模块和工字梁摆 放的基准。该模块主要包括基座和可调门架 圆盘。
图 9 H 柱侧向定位模块
3.4 H 柱托座模块的设计 H 柱托座模块如图 10 所示，它的主要作
由上述的分析设计出如图 7 所示的 H 柱 中心拉线模块，通过 H 柱首末两端的 H 柱中 心拉线模块，Φ2mm 的钢丝线，提供 H 柱摆 放的基准。该模块主要包括基座、可调门架 圆盘和拉线基准板，拉线基准板挡线侧对 H 柱下定位面的垂直度为 0.5mm。
图 8 工字梁中心拉线模块
3.2.3 工字梁定位模块拉线模块的设计 工字梁定位模块拉线模块如图 8 所示，
图 11 工字梁定位模块
3.6 首末端定位、压紧模块的设计 3.6.1 首端定位模块的设计
H 柱首端定位模块采用两个分布于 H 中 心线两侧的 M64 调节螺钉，如图 12 所示。 由于 H 柱的端面还未进行铣端面，实际端面 与理论端面之间可能存在较大的角度，采用 整块挡板进行定位效果较差，而采用两个调 节螺钉的端面定位则能适应不同斜面的要 求，定位更加可靠。
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图 5 基座平台
图 6 横梁
3.2 拉线模块的设计 拉线模块主要是提供工装模块安装及
工件摆放的基准，根据柱梁的结构特点及技 术要求本工装夹具设计了 H 柱中心拉线模 块、工字梁中心拉线模块和工字梁定位模块 拉线模块。通过这些拉线模块保证了工装夹 具的尺寸和精度，从而保证柱梁焊接的尺寸 和精度。 3.2.1 H 柱中心拉线模块的设计
柱梁焊接工装夹具设计
吴码 张军 黄胜 湖北弘毅建设有限公司，湖北省武汉市 430345
摘要：简要介绍了柱梁在建筑行业的应用及其结构特征，阐述了柱梁焊接工装夹具的设计与使用方法。该 工装夹具是依据柱梁的结构特征，采用模块化的结构，对同一系列的柱梁焊接具有通用性，主要包括基座 平台、拉线模块、H 柱侧向定位模块、H 柱托座模块、工字梁定位模块和首末端定位压紧模块，通过这些模 块对柱梁进行定位焊接，保证了柱梁的焊接精度，提高了柱梁的焊接效率。 关键词：柱梁 柱梁焊接 工装夹具设计 模块计 3.1 基座平台的设计
针对目前及今后各种规格的柱梁制作， 特设计了如图 5 所示的通用基座平台，它包 括桁架底座和横梁，桁架底座上开有纵向槽 系，槽之间间隔 500mm，横梁可在纵向槽系 中纵向移动，可固定在任意位置，横梁上开 有 T 型槽，上层部件可在横向 T 型槽中移动， 可固定在任意位置，其结构如图 6 所示。
通过工字梁定位模块两侧的工字梁定位模 块拉线模块，Φ2mm 的钢丝线，提供工字梁 定位模块摆放的基准。该模块主要包括基座 和可调门架圆盘。 3.3 H 柱侧向定位模块的设计
根据 H 柱的结构特点及尺寸规格设计出 如图 9 所示的 H 柱侧向定位模块，它具有底 面定位和两侧可调节定位的作用，模块两侧 均布设置 6 个调节螺钉，模块可进行整体水 平调节，根据 H 柱翼宽 400mm~412mm 的变化 范围，设计侧向定位调节螺钉中心距底面定 位面 203mm，根据 H 柱腹高 982mm~1048mm 的变化范围，设计两侧向支座间距 1148mm， 定位调节螺钉可调长度 100mm。
图 3 柱梁焊接工装夹具 表 1 柱梁焊接工装夹具的组成
名称 属性
基座平台
H 柱中 心拉线 模块 拉 线 工字梁 模 中心拉 块 线模块 工字梁 定位模 块拉线 模块
H 柱侧向定 位模块
H 柱托座模 块
工字梁定位 模块
技术参数
长 18000mm，宽 6000mm，高 383mm 拉线钢丝左右可调 范围 50mm，上下可 调范围 280mm，拉线 基准板挡线侧对 H 柱下定位面的垂直
参考文献 1. 王光斗：机床夹具设计手册[M]，上海科学技术 出版社，1990 2. 刘金合：焊接工装夹具设计及应用[M]，化学工 业出版社，2011 3. 余建军，任治军，王辉：先进焊接工装夹具及 其在机械装备制造业中的应用[J]，机床与液压， 2011，39（12）:115-121 4. 曾志新，吕明：机械制造技术基础[M]，武汉理 工大学出版社，2001 5. 成大先：机械设计手册[M]，化学工业出版社， 2010
图 12 首端定位模块 4
图 1 柱梁
1.2 柱梁的技术要求 柱梁的技术要求包括：1）工字梁中心
对 H 柱中心的垂直度 1mm；2）相邻两工字梁 中心尺寸偏差±1mm；3）最外端两工字梁中 心尺寸偏差±1mm；4）工字梁连接螺栓孔最 外排孔中心与 H 柱中心尺寸偏差±1mm；5） 工字梁外端面与 H 柱中心尺寸偏差±2mm。 如图 2 所示。
图 2 柱梁的技术要求
2 柱梁焊接工装夹具的组成与使用 2.1 柱梁焊接工装夹具的组成
本柱梁焊接工装夹具是根据柱梁的结 构特点进行设计的，如图 3 所示，采用模块 化的结构，对同一系列的柱梁焊接具有通用 性，主要包括基座平台、拉线模块、H 柱侧 向定位模块、H 柱托座模块、工字梁定位模
1
块和首末端定位压紧模块，通过这些模块对 柱梁进行精确定位。柱梁焊接工装夹具的组 成见表 1。
3.6.2 末端压紧模块的设计 H 柱末端压紧模块包括螺旋千斤顶安放
基座和螺旋千斤顶，螺旋千斤顶安放基座便 于螺旋千斤顶的放置及力的传递，如图 13 所示。
图 13 末端压紧模块
4 结论 在现有胎架以及操作水平条件下，对
这一系列形状复杂的大型焊接柱梁，如果以 靠尺划线、拼装，不但效率低而且质量难以 保证。本工装夹具具有较高的定位精度和一 定的控制热变形的特点，其结构简单便于操 作和施工，为新产品的试制和大批量生产创 造了条件。其合理的设计构思，适用于类似 结构的其他大型柱梁焊接，在保证图纸的精 度要求前提下，可以节约时间和制作成本， 提高劳动生产率。
度为 0.5mm
拉线钢丝左右可调 范围 50mm，上下可
调范围 240mm
拉线钢丝左右可调 范围 50mm，上下可
调范围 240mm
可夹持工件宽度范 围 960mm~1100mm，H 柱定位面表面粗糙 度 12.5µm，表面平
面度 1mm 可支撑工件最大宽 度 1200mm，H 柱定
位面表面粗糙度 12.5µm，表面平面
度 1mm 可支撑工件宽度范 围 760mm~880mm， 15-Φ33 定位孔均
性能 上层模块的 基础平台
H 柱中心位 置的基准
工字梁及工 字梁定位模 块中心位置
的基准 工字梁定位 模块侧向位 置的基准
支撑 H 柱及 侧向调节 H
柱位置
支撑 H 柱与 工字梁连接
部位
正确定位工 字梁的位置
首端定位模 块
用是支撑 H 柱与工字梁连接部位，防止柱梁 的重要部位扰度过大，模块两侧均布设置 6 个调节螺钉，模块可进行整体水平调节，根 据 H 柱腹高 982mm~1048mm 的变化范围，设 计托座面宽度 1200mm。
图 10 H 柱托座模块 3
3.5 工字梁定位模块的设计 根据工字梁的结构特点及尺寸规格设
本文所描述的柱梁由 H 柱和工字梁组 成，如图 1 所示，8 个工字梁均匀对称分布 在 H 柱两侧，在 H 柱内腔中分布有各个筋板 及螺座，对应在 H 柱与工字梁连接处，柱梁 外形长度为 14400mm，宽度为 3884mm，厚度
为 412mm，柱身材料为 Q420，其余材料为 Q345，重量约 15 吨。
针对上述现状，各个钢构公司都在开发 能够适用于大型柱梁制作的工装夹具，工装 夹具是大型柱梁制作中不可缺少的基础工 艺元素。使用工装夹具合理、正确地安装和 固定各个柱梁是进行柱梁焊接的先决条件。 夹具对柱梁焊接工艺的质量、焊接的生产率 和成本有着重要的影响。 1 柱梁的结构特征与技术要求 1.1 柱梁的结构特征
末端压紧模 块
布，工字梁定位面 表面粗糙度
12.5µm，表面平面 度 1mm
可定位工件最小宽 度 960mm，沿 H 柱长 度方向可调节范围
100mm 可放置 5~20t 的螺
旋千斤顶
正确定位 H 柱首端的位
置
压紧 H 柱
2.2 柱梁焊接工装夹具的使用 由图 4 可知，先将工装夹具按照图 3
进行正确的安装，将工装夹具的各个模块安 装在相应的位置，通过调节各个模块上的调 节螺钉调整 H 柱侧向定位模块、H 柱托座模 块、工字梁定位模块的定位面在同一水平 面，按对应位置放置 H 柱和工字梁，通过 H 柱侧向定位模块、H 柱中心拉线模块和首端 定位模块找正 H 柱的位置；通过工字梁定位 模块配合圆柱销、菱形销定位找正工字梁的 位置，位置找正后通过各自的夹紧装置进行 夹紧。
计出如图 11 所示的工字梁定位模块，它具 有底面定位和长度方向定位的作用，模块两 侧均布设置 6 个调节螺钉，模块可进行整体 水平调节，根据工字梁腹高 800mm~816mm 的 变化范围，在工字梁翼缘放置处设计有两个 凸台，凸台高 50mm，宽 100mm，长 1400mm， 凸台表面的粗糙度为 12.5µm，平面度为 1mm， 根据图纸中对工字梁腹板孔位尺寸的要求， 结合工字梁腹板孔系在工字梁腹板对应孔 位下设计了工字梁定位孔系座，孔系座上均 布 15 个Φ33mm 的孔，精度等级为 H7，孔间 距公差±0.5mm，孔的轴线对凸台表面的垂 直度为 0.2mm，在孔系座的下面对应各个孔 点焊有 M30 的螺母，工字梁在安装时通过一 个圆柱销、两个菱形销对其进行精确定位， 圆柱销、菱形销的直径为Φ33mm，精度等级 为 h6，其排布位置如图中所示，模块两侧靠 近焊接位置处设计有工字梁下压装置，减小 焊接变形对工字梁位置的影响。