Проектирование и детальный расчет сборочно-сварочного приспособления для балки коробчатого сечения: Инженерно-конструкторская разработка (Курсовая работа)

Введение: Постановка задачи и обоснование актуальности

В современной технологии машиностроения качество сварной конструкции напрямую зависит от точности сборки и эффективности управления сварочными деформациями. Балки коробчатого сечения являются критически важными элементами несущих конструкций в строительстве, мостостроении и тяжелом машиностроении, и их геометрия должна строго соответствовать чертежным допускам.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью повышения производительности и, главное, качества сварки за счет минимизации тепловых деформаций. Ручная сборка и сварка таких узлов неизбежно приводят к значительным угловым и линейным усадкам, требующим дорогостоящих и трудоемких правок. Использование специализированного сборочно-сварочного приспособления (ССП) позволяет стабилизировать заготовку в процессе сварки, сократить время сборки и обеспечить стабильность геометрических параметров. Следовательно, применение ССП напрямую влияет на снижение производственных затрат и соответствие финального изделия строгим техническим требованиям.

Цель работы: Разработка технического проекта сборочно-сварочного приспособления для балки коробчатого сечения, включающая детальный расчет схемы базирования, определение требуемых усилий закрепления и выбор конструктивных элементов в соответствии с действующими нормативно-техническими требованиями.

Теоретические основы и нормативно-техническая база

Базирование, базы и закрепление по ГОСТ 21495-76

Фундаментом конструирования технологической оснастки является теория базирования. ГОСТ 21495-76 "Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения" устанавливает строгую терминологию, необходимую для однозначного понимания процесса позиционирования и фиксации заготовки.

Базирование — это придание заготовке или изделию требуемого положения относительно выбранной системы координат. Этот процесс является первым и самым важным этапом, определяющим точность будущей конструкции.

База — это поверхность, сочетание поверхностей, ось или точка, принадлежащие заготовке и используемые для базирования.

Закрепление — это приложение сил (зажимных усилий) к заготовке, обеспечивающее постоянство ее положения, достигнутого при базировании, и противодействующее внешним силам, включая усилия сварки и собственную массу.

Для обеспечения полной неподвижности твердого тела в пространстве используется «правило шести точек» (или правило шести связей), согласно которому необходимо лишить заготовку шести степеней свободы: трех поступательных перемещений вдоль координатных осей (X, Y, Z) и трех вращательных перемещений вокруг этих осей.

В соответствии с ГОСТ 21495-76, геометрические связи классифицируются по их функциональному назначению:

Тип базы	Количество опорных точек	Лишаемые степени свободы
Установочная	3	Перемещение вдоль оси, перпендикулярной плоскости базирования, и два поворота вокруг осей, лежащих в этой плоскости (например, Z, RX, RY).
Направляющая	2	Перемещение вдоль оси, перпендикулярной плоскости базирования, и один поворот (например, X, RZ).
Опорная	1	Перемещение вдоль последней свободной оси (например, Y).

Общие требования к конструкции сборочно-сварочных приспособлений

Проектирование ССП должно быть направлено на достижение трех ключевых целей: технологичность (быстрота установки и съема), надежность (точность и долговечность) и повышение качества сварных швов. Одним из критически важных требований к ССП, особенно при работе с тонкими и длинными элементами, такими как балка коробчатого сечения, является обеспечение высокой жесткости. Сварочные напряжения всегда стремятся деформировать конструкцию, и жесткое закрепление (стеснение) в приспособлении является основным инструментом противодействия.

Критерий жесткости ССП:

Для достижения значительного эффекта снижения остаточных деформаций (до 30% по сравнению со сваркой в свободном состоянии) жесткость самого приспособления (J_ССП) должна превышать жесткость свариваемого изделия (J_изд) в несколько раз. Инженерная практика и расчеты показывают, что отношение моментов инерции сечений должно быть:

J_ССП / J_изд ≥ 5

Если приспособление не удовлетворяет этому условию, его эффективность как средства борьбы с деформациями будет низкой, и оно будет выполнять лишь функцию сборки. Это является принципиальным условием для достижения требуемой точности при массовом производстве.

Кроме того, ССП должно обеспечивать легкий доступ к свариваемым швам, быть безопасным в эксплуатации, а его элементы должны выдерживать тепловое воздействие без потери точности.

Разработка технологического процесса сварки и выбор схемы базирования

Анализ конструкции балки и технологическая последовательность сварки

Балка коробчатого сечения обычно состоит из четырех плоских элементов (две полки и две стенки), свариваемых продольными и, возможно, поперечными швами. Технологический процесс должен быть организован таким образом, чтобы минимизировать угловые и линейные деформации, которые накапливаются с каждым последующим швом.

Рациональная технологическая последовательность сварки:

1. Предварительная подготовка: Очистка кромок и поверхностей деталей от ржавчины, окалины и масла.
2. Сборка и базирование: Установка всех четырех элементов в ССП. Установочные элементы приспособления обеспечивают точное взаимное положение деталей.
3. Закрепление: Приложение расчетного усилия зажимов для жесткой фиксации деталей.
4. Прихватка: Выполнение коротких прихваточных швов по периметру балки. Прихватка должна быть симметричной и минимальной по размеру, чтобы не создавать сильных внутренних напряжений.
5. Основная сварка:
   • Применяется симметричное наложение швов. Например, сначала провариваются два противоположных продольных шва, затем два оставшихся.
   • В случае многослойной сварки, швы должны накладываться с минимально возможным интервалом для поддержания высокой температуры и использования эффекта пластического деформирования.
6. Освобождение: После полного остывания (до температуры не выше 70 °C) изделие освобождается от зажимов.

Выбор способа сварки (например, полуавтоматическая сварка в среде защитных газов, MAG/MIG) обосновывается требованием высокой производительности, хорошим качеством шва и возможностью механизации процесса. Почему же полуавтоматическая сварка предпочтительнее для таких конструкций?

Обоснование выбора схемы базирования (3-2-1 по принципу ПНО)

Для призматической заготовки, какой является балка коробчатого сечения, оптимальной и наиболее распространенной является схема базирования 3-2-1 (шесть геометрических связей), реализуемая по принципу "Плоскость-Направляющая-Опорная точка" (ПНО).

Выбор технологических баз осуществляется с учетом принципа единства баз, стремясь к совмещению конструкторских (от которых заданы размеры на чертеже), технологических (относительно которых позиционируется заготовка) и измерительных баз.

База по ГОСТ 21495-76	Выбранная поверхность балки	Принцип действия	Опорные элементы (по ГОСТ 3.1107-81)
1. Установочная (3 связи)	Нижняя плоскость полки балки (самая широкая и ровная поверхность).	Фиксирует Z-перемещение и повороты RX, RY.	Три опорных кулачка или упора, расположенных в вершинах треугольника.
2. Направляющая (2 связи)	Боковая поверхность стенки балки.	Фиксирует X-перемещение и поворот RZ.	Два опорных элемента (например, призмы или упоры), расположенных по длине балки.
3. Опорная (1 связь)	Торцевая поверхность балки.	Фиксирует Y-перемещение (вдоль продольной оси).	Один торцевой упор или ограничитель.

Данная схема обеспечивает точное и однозначное положение балки в пространстве, минимизируя погрешность базирования, которая является одним из главных источников суммарной погрешности сварной конструкции. Именно базирование 3-2-1 гарантирует, что каждая деталь займет свое строго определенное место перед закреплением.

Детальный расчет усилий закрепления и выбор зажимного устройства

Расчет зажимных усилий является критическим этапом проектирования ССП. Недостаточное усилие приведет к неконтролируемым деформациям, а избыточное — к повреждению (смятию) заготовок. Расчет проводится в два этапа: определение минимального усилия, необходимого для противодействия деформациям (P_min), и проверка на максимальное усилие, не вызывающее смятия (P_max).

Расчет минимального погонного усилия зажатия P_min

Минимальное усилие зажатия (P_min) необходимо для предотвращения поперечных деформаций (усадки) при сварке. Это усилие должно быть приложено в зонах, наиболее подверженных усадке, и должно превышать силы, возникающие от теплового расширения и сжатия металла.

Расчетное усилие зажатия (P_заж) определяется с учетом коэффициента запаса К:

P_заж = К ⋅ P_min

Для механизированных зажимов (пневматические, гидравлические) рекомендуется принимать коэффициент запаса К = 1,5.

Погонное усилие зажатия P_min (Н/м) рассчитывается по формуле, учитывающей тепловую мощность сварочного источника и скорость сварки:

P_min = (μ ⋅ Q_эф / (S ⋅ V_св)) ⋅ 10^-4

где:

• P_min — минимальное погонное усилие зажатия, Н/м.
• μ — коэффициент поперечной деформации, который для углеродистых и низколегированных сталей (Ст3, 09Г2С) принимается в диапазоне 0,3 ÷ 0,4. Примем μ = 0,35.
• Q_эф — эффективная мощность сварочного источника тепла, ВА.
• S — толщина свариваемого металла, м.
• V_св — скорость сварки, м/с.

Пример расчета (гипотетические данные):

Предположим, сваривается балка из стали Ст3 толщиной S = 0,008 м (8 мм), при скорости V_св = 0,005 м/с (30 см/мин). Сварка проводится в среде защитных газов (MAG) при параметрах: U_д = 24 В, I_св = 250 А, коэффициент полезного действия источника η_и = 0,8.

1. Расчет эффективной мощности источника Q_эф:

   Q_эф = U_д ⋅ I_св ⋅ η_и = 24 В ⋅ 250 А ⋅ 0,8 = 4800 ВА

2. Расчет минимального погонного усилия P_min:

   P_min = (0,35 ⋅ 4800 / (0,008 ⋅ 0,005)) ⋅ 10^-4 ≈ 42000 Н/м

3. Расчет требуемого погонного усилия зажатия P_заж:

   P_заж = 1,5 ⋅ 42000 Н/м = 63000 Н/м

Если длина свариваемого шва составляет 3 метра, а на каждом метре располагается 3 зажима (расстояние l между зажимами ≈ 333 мм), то усилие одного зажима P_заж.1 должно быть: P_заж.1 = P_заж ⋅ l = 63000 Н/м ⋅ 0,333 м ≈ 21000 Н (2,1 тонны).

Проверка на максимальное допустимое усилие зажатия P_max

После определения минимального усилия, необходимо провести проверку, чтобы убедиться, что приложенное усилие не приведет к местному смятию или повреждению тонкой стенки балки.

Максимальное усилие, которое может выдержать прижим, определяется по условию отсутствия смятия на контактируемых поверхностях:

P_max = (n ⋅ A ⋅ [σ]_см) / l

где:

• P_max — максимальное погонное усилие зажатия, Н/м.
• n — число прижимов с одной стороны шва.
• A — площадь контактирования прижима с изделием, м².
• [σ]_см — допускаемое напряжение смятия, Па.
• l — шаг установки прижимов, м.

Для конструкционных сталей обыкновенного качества (Ст3), допускаемое напряжение смятия [σ]_см при статической нагрузке составляет 190 МПа (190 ⋅ 10⁶ Па).

Продолжение примера расчета:

Предположим, каждый прижим имеет площадь контакта A = 0,0005 м² (например, пластина 25 × 20 мм). При шаге l = 0,333 м и n = 1:

P_max = (1 ⋅ 0,0005 м² ⋅ 190 ⋅ 10^6 Па) / 0,333 м ≈ 285300 Н/м

Вывод по расчету: Поскольку требуемое усилие P_заж (63000 Н/м) значительно меньше максимально допустимого P_max (285300 Н/м), заготовки не будут повреждены при использовании прижимов с указанной площадью контакта. Этот запас прочности подтверждает надежность выбранного зажимного механизма.

Выбор типа привода и механизма зажима

Для крупносерийного и массового производства, где требуется высокая производительность и повторяемость усилия, рекомендуется использовать механизированные приводы.

1. Пневматические цилиндры: Обеспечивают высокую скорость срабатывания и достаточные усилия (до нескольких тонн) при относительно простой конструкции. Идеально подходят для ССП.
2. Рычажно-эксцентриковые механизмы: Используются для создания значительного усилия при относительно небольшом перемещении. Часто комбинируются с пневматическим или гидравлическим приводом для автоматизации.

Исходя из требуемого усилия зажима (около 21 кН на точку) и необходимости быстродействия при сварке длинного шва, наиболее рациональным выбором является использование комплекта рычажно-пневматических зажимов. Пневматический цилиндр обеспечивает быстрое перемещение и прижим, а рычажный механизм многократно умножает усилие, позволяя применить расчетное усилие P_заж.1 = 21 кН.

Конструкторская разработка ССП и мероприятия по компенсации деформаций

Общая схема конструкции приспособления

Сборочно-сварочное приспособление для балки коробчатого сечения должно иметь модульную и жесткую конструкцию.

Основные узлы ССП:

1. Базовая плита (Корпус): Жесткая, массивная несущая конструкция (сварная или литая), обеспечивающая выполнение критерия J_ССП / J_изд ≥ 5. На плите монтируются все остальные узлы.
2. Установочные элементы:
   • Опоры: Три регулируемые или фиксированные опоры для Установочной базы (нижняя полка).
   • Боковые упоры: Два упора для Направляющей базы (боковая стенка).
   • Торцевой упор: Один упор для Опорной базы.

   Все установочные элементы должны быть выполнены из износостойких материалов (например, легированные стали с термообработкой) и иметь регулировку для точной выверки.

3. Зажимные механизмы: Не менее 9-12 рычажно-пневматических цилиндров (по 3-4 на каждый продольный шов), расположенных симметрично относительно швов. Прижимные элементы должны иметь большую площадь контакта, чтобы снизить удельное давление и избежать смятия.
4. Поворотное устройство (Опционально): Если сварка ведется в оптимальном нижнем положении, приспособление должно быть установлено на позиционере или иметь собственное устройство для поворота (кантователь).

Расчет и применение предварительного обратного выгиба

Одним из наиболее эффективных технологических приемов для компенсации остаточной угловой деформации (короблений) является метод предварительного обратного выгиба. Суть метода заключается в том, что детали собираются в приспособлении с заданным прогибом в сторону, противоположную прогнозируемой деформации. После сварки и остывания, остаточные напряжения «выпрямляют» балку, возвращая ее в номинальное положение.

Расчет величины предварительного обратного выгиба (f_обр) основан на прогнозируемой остаточной деформации (f_ост) и учитывает коэффициент перекомпенсации (k):

f_обр ≈ k ⋅ f_ост

где:

• f_ост — прогнозируемая остаточная деформация (например, прогиб или угловая усадка). Величина f_ост определяется расчетным путем (по эмпирическим формулам, зависящим от погонной энергии и геометрии) или берется из опыта.
• k — коэффициент перекомпенсации, который обычно принимается в диапазоне 1,1 ÷ 1,3. Коэффициент k > 1 вводится для учета упругого пружинения при снятии зажимов.

Пример применения: Если расчетная остаточная деформация балки f_ост составляет 3 мм по центру пролета, то при принятии k = 1,2:

f_обр = 1,2 ⋅ 3 мм = 3,6 мм

Это означает, что при сборке приспособление должно обеспечить прогиб балки вверх на 3,6 мм. ССП должно быть оснащено регулируемыми упорами, позволяющими задавать этот выгиб. Этот метод позволяет значительно сократить объем последующих правочных работ.

Охрана труда и безопасность при работе со ССП

Требования к охране труда при выполнении сварочных работ регламентируются Приказом Минтруда России от 11.12.2020 N 884н ("Правила по охране труда при выполнении электросварочных и газосварочных работ").

Организация рабочего места и требования к персоналу

1. Квалификация персонала: К работе на электросварочных установках допускаются лица, достигшие 18 лет, прошедшие с��ответствующее обучение, проверку знаний по охране труда и имеющие квалификационную группу по электробезопасности не ниже второй.
2. Организация рабочего места: Рабочее место должно быть оборудовано негорючими материалами. Площадки возле электросварочных агрегатов и ССП должны быть выполнены из диэлектрических материалов (например, резиновые коврики), чтобы исключить поражение электрическим током.
3. Электробезопасность ССП: Все металлические части ССП, находящиеся под напряжением (в случае использования электрических или электромеханических приводов) или потенциально подверженные пробою, должны быть надежно заземлены в соответствии с ПУЭ.

Требования к вентиляции и СИЗ

Сварочные аэрозоли и газы являются одними из главных источников профессиональных заболеваний. Поэтому система вентиляции является ключевым элементом безопасности.

1. Вентиляция: В сварочных цехах обязательно наличие общеобменной вентиляции. На стационарных рабочих местах, где эксплуатируется ССП, должна быть установлена местная вытяжная вентиляция (МВВ).
2. Количественные требования к МВВ: Эффективность местной вытяжной вентиляции на стационарных постах регламентируется скоростью отсоса воздуха в зоне сварки (в плоскости среза сварочной ванны):
   • Для ручной дуговой сварки (РДС): скорость отсоса должна быть не менее 0,5 м/с.
   • Для полуавтоматической сварки в среде защитных газов (MAG/MIG): скорость отсоса должна быть не более 0,5 м/с (избыточная скорость может нарушить газовую защиту).
3. Средства индивидуальной защиты (СИЗ): Сварщик и оператор ССП должны быть обеспечены:
   • Спецодеждой из брезента или огнестойкой ткани.
   • Спецобувью с токонепроводящей подошвой.
   • Защитным щитком или маской с соответствующим светофильтром.
   • Брезентовыми рукавицами или перчатками-крагами.
   • При необходимости — диэлектрическими перчатками и галошами.

Необходимо строго соблюдать требование о тщательной очистке свариваемых поверхностей. Сварка по загрязненным, окрашенным или покрытым маслом поверхностям категорически запрещена, так как это приводит к выделению высокотоксичных веществ.

Заключение

В рамках данной курсовой работы разработан детальный технический проект сборочно-сварочного приспособления для балки коробчатого сечения. Проведены все необходимые инженерные расчеты и обоснования, подтверждающие технологическую и конструктивную корректность предложенной схемы.

Ключевые результаты работы включают:

1. Обоснование выбора схемы базирования (3-2-1 по принципу ПНО) с четким определением Установочной, Направляющей и Опорной баз в строгом соответствии с ГОСТ 21495-76.
2. Проведение двухэтапного расчета усилий закрепления: определено минимальное погонное усилие P_min, необходимое для противодействия сварочным деформациям, и выполнена проверка на максимальное усилие P_max, предотвращающая смятие металла.
3. Выбор в качестве зажимного элемента рычажно-пневматического привода, обеспечивающего требуемое усилие (21 кН на точку) и высокое быстродействие.
4. Включение технологических мер по снижению деформаций, включая расчет величины предварительного обратного выгиба (f_обр ≈ k ⋅ f_ост), что позволяет получить сварную конструкцию с минимальными остаточными отклонениями.
5. Разработка исчерпывающего раздела по охране труда, опирающегося на актуальный Приказ Минтруда России N 884н, с указанием количественных требований к вентиляции и квалификации персонала.

Разработанное ССП обеспечивает технологичность, высокую точность сборки и контроль сварочных деформаций, что подтверждает практическую значимость данной работы для повышения эффективности сварочного производства.

Список использованной литературы

1. Гривняк И. Свариваемость сталей. — М.: Машиностроение, 1984. — 206 с.
2. Кузнецов B. С., Понамарев В. А. Система универсально сборных приспособлений в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1964. — 269 с.
3. Куркин С. А., Николаев Г. А. Сварные конструкции, технология изготовления. — М.: Высшая школа, 1991. — 400 с.
4. Куркин С. А., Ховов Е. М., Рыбочук A. М. Технология, механизация и автоматизация сварных конструкций. Атлас. — М.: Машиностроение, [Б.г.].
5. Орлов П. И. Основы конструирования. Справочное-методическое пособие: в 2 т. — М.: Машиностроение, 1988. — Т. 1 — 560 с., Т. 2 — 544 с.
6. Сварка в машиностроении: Справочник: в 4 т. / под ред. Н. А. Ольшанского. — М.: Машиностроение, 1984. — Т. 1. — 216 с.
7. Севбо П. И. Конструирование и расчет механического сварочного оборудования. — Киев: Наукова думка, 1978.
8. Станочные приспособления: Справочник: в 2 т. / под ред. Ь. Н. Вардашкина, А. А. Шатилова. — М.: Машиностроение, 1984. — Т. 1 — 592 с., Т. 2 — 656 с.
9. Тюрин В. Ф. Конструирование сборочно-сварочных приспособлений. — М.: НТО МАШПРОМ, 1964. — 58 с.
10. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения (с Изменением N 1).
11. ГОСТ 3.1107-81. Опоры, зажимы и установочные устройства. Графические обозначения. — М., 1981.
12. ГОСТ 31.211.41-83. Детали и сборочные единицы сборно-разборных приспособлений для сборочно-сварочных работ. Основные конструктивные элементы и параметры. Нормы точности. — М., 1983.
13. ГОСТ 31.2031.01-91. Приспособления сборно-разборные, переналаживаемые для сборки деталей под сварку. Типы, параметры и размеры. — М., 1991.
14. Инструкция по охране труда при выполнении электросварочных работ [Электронный ресурс]. — URL: https://ohranatruda.ru/instruktsii/instruktsiya-po-ohrane-truda-pri-vypolnenii-elektrosvarochnyh-rabot (дата обращения: 30.10.2025).
15. Изучение конструкций и расчет зажимных элементов приспособлений / КузГТУ [Электронный ресурс]. — URL: https://kuzstu.ru/upload/iblock/1e4/izuchenie-konstrukciy-i-raschet-zazhimnykh-elementov-prisposobleniy.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
16. Основные мероприятия по уменьшению деформаций и напряжений при сварке [Электронный ресурс]. — URL: https://pereosnastka.ru/articles/osnovnye-meropriyatiya-po-umensheniyu-deformatsiy-i-napryazheniy-pri-svarke (дата обращения: 30.10.2025).
17. Основные требования охраны труда [Электронный ресурс]. — URL: https://vitebsk-region.gov.by/ru/glavnoe-upravlenie-po-trudu-zanyatosti-i-sotsialnoy-zashchite/osnovnye-trebovaniya-okhrany-truda (дата обращения: 30.10.2025).
18. Правила по охране труда при выполнении электросварочных и газосварочных работ [Электронный ресурс]. — URL: https://www.coko1.ru/uploads/files/pravila-po-ot-pri-vypolnenii-elektrosvarochnyx-i-gazosvarochnyx-rabot.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
19. Проектирование и расчет сборочно-сварочной оснастки и конструкций / ВГТУ [Электронный ресурс]. — URL: https://vstu.ru/files/izdat/Uchebniki-posobiya-i-monografii/3444102.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
20. Сборочно-сварочные приспособления. Этапы конструирования / Томский политехнический университет [Электронный ресурс]. — URL: https://www.tpu.ru/files/2013/05/17/Haidarova_AA_SSO_etapy_konstruirovaniya_posobie.pdf (дата обращения: 30.10.2025).
21. Сварочные приспособления / Энгельсский Технологический Институт [Электронный ресурс]. — URL: https://sstu.ru/upload/iblock/c32/c3298c764e03b6d05f32b88133379268.pdf (дата обращения: 30.10.2025).