焊接工裝在挖斗支耳板制造中的應(yīng)用

郭國林，吳永祥，郭蘭中，楊 莉，顧玥琦

（常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

焊接工裝是指在焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的裝配與焊接過程中起配合及輔助作用的夾具、機械裝置或設(shè)備.大多數(shù)焊接工裝是為某種焊接組合件的裝配焊接工藝而專門設(shè)計的，屬于非標(biāo)準(zhǔn)裝置，往往需要各制造廠根據(jù)焊接件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、生產(chǎn)條件和實際需要自行設(shè)計制造.工程機械專用焊接設(shè)備的落后和缺乏，嚴(yán)重制約著焊接質(zhì)量和焊接效率，使工程機械的產(chǎn)量難以滿足國家工程建設(shè)的需求.在此背景下，本文設(shè)計了一套挖掘機挖斗支耳板專用焊接工裝.

圖1 挖斗支耳板結(jié)構(gòu)

1 焊接件結(jié)構(gòu)分析

挖斗支耳板結(jié)構(gòu)如圖1所示.挖斗支耳板是由一塊帶孔的駝峰狀鋼板和兩個軸套組成，材料為Q345，焊接速度要求3轉(zhuǎn)/分.根據(jù)焊接件的結(jié)構(gòu)特點，焊縫為環(huán)焊縫，在結(jié)構(gòu)上對稱布置.這就要求所設(shè)計的焊接工裝能夠?qū)崿F(xiàn)翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)運動，其中回轉(zhuǎn)運動完成同一平面兩端環(huán)焊縫的焊接；翻轉(zhuǎn)運動則可以使另外一面焊縫置于平焊位置，再通過電機帶動完成環(huán)焊任務(wù).這兩個運動通過采用翻轉(zhuǎn)內(nèi)框和外框來實現(xiàn).外框和內(nèi)框都為框架式結(jié)構(gòu)，采用型材焊接而成.

2 焊接工裝對焊接件定位要求分析

焊接件在工裝中的定位分析是工裝設(shè)計的重要技術(shù)要求.支耳板在焊接過程中保持一個正確的位置，才能確保焊接質(zhì)量，提高焊接效率.

2.1 焊接件定位基準(zhǔn)的選取

根據(jù)圖1所示的焊接件結(jié)構(gòu)特點和焊接位置分布情況，焊接件水平定位的目的是保證兩端軸孔中心與減速器輸出軸線同軸，工作時由電動機——減速器——拖板——外框——內(nèi)框帶動焊接件轉(zhuǎn)動，完成環(huán)焊縫的焊接.其水平方向的定位基準(zhǔn)主要有兩種方式：選取焊接件兩端孔或選取焊接件對稱中心.比較兩種定位方式：若選取兩端孔定位，雖然通過加工定位軸與孔配合即可，裝卸也方便，但是支耳板兩面均有焊縫，翻轉(zhuǎn)比較困難，工裝設(shè)計繁瑣復(fù)雜，會增加設(shè)計成本，影響焊接效率；而選取焊接件對稱中心作為水平方向基準(zhǔn).只需在裝夾支耳板的內(nèi)框橫梁上加工內(nèi)槽放置焊接件，橫梁中心安裝定位銷與焊接件中心預(yù)先開好的中心孔配合，就可以保證焊接件兩端軸孔中心與減速器輸出軸線重合，焊接時繞軸孔中心轉(zhuǎn)動進行焊接.定位中心（焊接件對稱中心）與焊接回轉(zhuǎn)中心存在偏心，偏心距等于焊接件軸孔中心與定位中心距離，通過外框回轉(zhuǎn)實現(xiàn)另一端焊縫的焊接.

2.2 焊接件夾具設(shè)計

設(shè)計和選用合理的焊接夾具，可以防止支耳板焊接時移動和變形.典型的焊接夾緊裝置可以分為三個部分：力源裝置、中間傳力機構(gòu)和夾緊元件[1].由于支耳板安裝在內(nèi)框上，根據(jù)這一特點采用手動夾緊裝置，手動夾緊的力源是人力.由于支耳板焊接的特殊性，夾具夾緊的作用點要考慮幾點：首先夾緊力的作用點的選擇應(yīng)不破壞工件定位已確定的位置；其次是夾緊力作用點數(shù)目增多，能使工件夾緊均勻，提高夾緊的穩(wěn)定性，尤其是對于支耳板這種薄板類的零件.根據(jù)以上焊接夾緊裝置的特點，采用由簡單夾緊件和傳力件利用杠桿原理和自鎖原理組成的復(fù)合夾緊機構(gòu).它的特點是可以擴大夾緊力、有自鎖作用和夾緊可靠.具體選用的夾緊裝置是能夠快速夾緊工件，夾頭開度大且適應(yīng)性好，在薄板裝焊作業(yè)中應(yīng)用廣泛的鉸鏈-杠桿機構(gòu).這類夾緊機構(gòu)由兩組杠桿（手柄杠桿和夾緊杠桿）通過與一組連接板的鉸鏈組合而成，連接板位于手柄杠桿和夾緊杠桿中間，手柄杠桿的施力點與夾緊杠桿的受力點通過連接板的鉸接連接在一起，而兩組杠桿的支點都與支座鉸接，支點的位置是固定的，手柄杠桿為垂直式[2].夾頭采用橡膠，手柄熱壓一層隔熱絕緣材料.夾頭可以上下、左右調(diào)整，以適應(yīng)不同厚度工件夾緊的要求.

設(shè)計的焊接夾具結(jié)構(gòu)如圖2所示，夾緊杠桿轉(zhuǎn)角90度，手柄杠桿轉(zhuǎn)角170度.夾具通過螺栓安裝在焊接工裝的內(nèi)框橫梁上，兩端各裝一個，以定位中心為基準(zhǔn)對稱分布，焊接件拆裝迅速、方便.CO2氣體保護焊是非接觸加工，對焊接件力度要求不高，只要定位準(zhǔn)確，能固定住焊件即可完成焊接.

圖2 焊接夾具

3 焊接工裝設(shè)計

為了實現(xiàn)對支耳板雙面環(huán)焊縫的焊接，所設(shè)計的焊接工裝應(yīng)該考慮翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)兩種運動方式[3-5].通過電動機和二級齒輪減速器使焊接速度降到要求的3轉(zhuǎn)/分，勻速焊接支耳板上的每條焊縫，如圖3所示.焊接工裝主要由電動機、減速器、內(nèi)框、外框、拖板、轉(zhuǎn)座、底座、立柱和焊接裝置等組成.焊接工裝的工作原理：支耳板通過焊接夾具固定在內(nèi)框橫梁上，內(nèi)框兩端的軸連接在外框中，由電動機帶動焊接件轉(zhuǎn)動，再通過翻轉(zhuǎn)內(nèi)框，焊接工件的兩面焊縫.當(dāng)一端的上下兩條焊縫焊好后，轉(zhuǎn)動外框，焊接工件另一端焊縫.另外，不同型號的挖掘機支耳板尺寸不同，即兩孔中心距不同.在設(shè)計時考慮采用絲桿螺母機構(gòu)帶動拖板左右直線運動，移動轉(zhuǎn)座的位置，從而可以調(diào)節(jié)支耳板兩端孔中心距，再通過焊槍位置調(diào)節(jié)，適用不同尺寸支耳板的焊接.

3.1 翻轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

焊接件結(jié)構(gòu)特點要求翻轉(zhuǎn)機構(gòu)操作方便，省力，安全.因此在設(shè)計中，采用了框架式的結(jié)構(gòu)形式.根據(jù)支耳板重量，選用100 mm×60 mm和140 mm×60 mm的兩種矩形型材管，框架的兩端采用直徑為40 mm的軸安裝在外框上.

內(nèi)框結(jié)構(gòu)如圖4所示，這種設(shè)計既滿足了支耳板焊接的要求，同時也降低了工裝制造的成本.支耳板在內(nèi)框兩端還設(shè)計有定位孔，通過定位銷與外框連接，使內(nèi)框上的支耳板處于水平位置，便于施焊，還能確保焊槍和焊接件保持恒定的距離.當(dāng)支耳板的一面焊好后，只需取出定位銷，翻轉(zhuǎn)180度即可焊接支耳板的另一面.

圖3 支耳板焊接工裝

3.2 回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計

由于內(nèi)外框加上支耳板的重量小，采用手動轉(zhuǎn)動外框.當(dāng)支耳板的一側(cè)完成焊接后，操作者將焊接件水平轉(zhuǎn)動180度即可以進行另一側(cè)焊接.關(guān)于外框的定位，采取的方法是在轉(zhuǎn)座軸線和外框軸孔的左右兩側(cè)對應(yīng)位置加工定位孔，當(dāng)外框轉(zhuǎn)動到所需角度時，用定位銷完成對外框回轉(zhuǎn)角度的精確定位.這種設(shè)計降低了制造成本，同時也提高了焊接效率.焊接回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖4 內(nèi)框翻轉(zhuǎn)機構(gòu)

圖5 外框回轉(zhuǎn)機構(gòu)

4結(jié) 論

挖斗支耳板專用焊接工裝選用鉸鏈-杠桿夾緊機構(gòu)，安裝和拆卸支耳板簡便、夾緊迅速，提高了工作效率，焊接過程中有效保證了焊件的位置精度和形狀精度；焊接工裝設(shè)計了翻轉(zhuǎn)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)，實現(xiàn)了支耳板雙面環(huán)焊縫的焊接；通過傳動機構(gòu)設(shè)計，焊接速度達到了3轉(zhuǎn)/分的要求，改善了手工焊接時出現(xiàn)咬邊、未融合和未焊透等焊接缺陷.

[1]王政.焊接工裝夾具及變位機械[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]陳煥明.焊接工裝設(shè)計[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006.

[3]鄭永強.BZ2-800雙回轉(zhuǎn)式焊接變位機[J].工程機械，1995（1）：2-3.

[4]王政.焊接機械裝備[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

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