一種渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸焊接移動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

牛金霞 　白連杰　李　戩

(①青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；②江蘇銳成機(jī)械有限公司，江蘇 宜興 214200)

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一種渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸焊接移動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

牛金霞①白連杰②李戩①

(①青海大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧 810016；②江蘇銳成機(jī)械有限公司，江蘇 宜興 214200)

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸是由葉輪和連接軸經(jīng)過摩擦焊接而成的，焊接質(zhì)量至關(guān)重要，摩擦焊機(jī)的裝夾方式和定位精度決定了工件的焊接精度。通過對(duì)移動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了移動(dòng)夾具的定位精度，并且提高了夾具的剛性和強(qiáng)度，解決了渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸的焊接精度超差問題。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化；移動(dòng)夾具；摩擦焊機(jī)；渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸

RC-MCH-20型連續(xù)驅(qū)動(dòng)式旋轉(zhuǎn)摩擦焊機(jī)床是專門用于渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸的摩擦焊接設(shè)備，該機(jī)床的專用移動(dòng)夾具是渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸的焊接工序中不可缺少的重要環(huán)節(jié)之一。該機(jī)床在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)了焊接完成后的轉(zhuǎn)子軸兩端的中心孔加工位置偏差較大，影響后面的以兩端中心孔定位的精加工工序。本文通過加工工藝流程和夾具結(jié)構(gòu)工藝性分析，確定對(duì)移動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以中心孔定位代替內(nèi)六方孔定位結(jié)構(gòu)，單氣缸代替雙油缸結(jié)構(gòu)，提高了夾具的剛性和強(qiáng)度，使結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，操作方便，使用安全，同時(shí)降低經(jīng)濟(jì)成本。

1　渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸的加工工藝流程分析

如圖1所示，渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸加工工藝流程：第一步，首先在焊接前將葉輪的左端面a、右端面b進(jìn)行磨削加工，保證兩端面的平行度，然后在葉輪的端面a處加工2.5 GB145中心孔，同時(shí)將連接軸的左端面c、右端面d進(jìn)行加工，其右端面d處的中心孔不要進(jìn)行加工；第二步，再將葉輪安裝在摩擦焊機(jī)床的移動(dòng)夾具上夾緊定位，同時(shí)將連接軸安裝在主軸箱上的旋轉(zhuǎn)夾具上并夾緊定位；第三步，移動(dòng)夾具裝置前進(jìn)，相互焊接面接觸并預(yù)頂緊，移動(dòng)夾具后退至設(shè)定位置；第四步，主軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)移動(dòng)夾具工進(jìn)，在摩擦壓力作用下，焊件被焊表面相互摩擦，產(chǎn)生熱能，使被焊表面達(dá)到塑性狀態(tài)，摩擦?xí)r間結(jié)束，主軸制動(dòng)，頂鍛，頂鍛時(shí)間結(jié)束，旋轉(zhuǎn)夾具松開，移動(dòng)夾具后退到起始點(diǎn)，移動(dòng)夾具松開，取出轉(zhuǎn)子軸，焊接工序完成。第五步，以轉(zhuǎn)子軸的葉輪端面a處的中心孔和端面e定位，在專用打孔機(jī)上加工轉(zhuǎn)子軸d端面處的中心孔，最后以工件兩端中心孔定位在其它機(jī)床上進(jìn)行精加工處理，轉(zhuǎn)子軸加工完成后包裝入庫，工作結(jié)束。

在轉(zhuǎn)子軸的整個(gè)生產(chǎn)過程中，摩擦焊機(jī)的焊接工序是重要的一環(huán)節(jié)，相應(yīng)的摩擦焊機(jī)的專用夾具也是整機(jī)的重要組成部分，它的好壞直接決定了焊接部位的質(zhì)量和整件的精度。如果轉(zhuǎn)子軸焊接完成后的端面d處的中心孔加工位置偏差較大，將很大程度上影響后面的以兩端中心孔定位的精加工工序，通過反復(fù)驗(yàn)證的分析，主要問題出現(xiàn)在移動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)上，所以確定對(duì)移動(dòng)夾具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2　優(yōu)化前的移動(dòng)夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖2是優(yōu)化前的移動(dòng)夾具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，它的工作原理是首先將葉輪4的六方頭端放置在夾緊套6的內(nèi)六方孔內(nèi)，然后通過兩個(gè)油缸10帶動(dòng)壓板2后退，壓板2的端面與葉輪4的e端面(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖)接觸，葉輪(工件)的a端面與頂桿11前端面接觸，(頂桿11的后端面是由一個(gè)頂緊螺桿機(jī)構(gòu)承受軸向力的)，這樣達(dá)到夾緊工件的目的。其中保持內(nèi)套3和保持外套5的作用是保證葉輪在自然狀態(tài)不會(huì)因下垂而掉下來。

但是該夾具結(jié)構(gòu)存在不足之處：①兩件油缸10達(dá)不到同步，不同步時(shí)容易將工件壓偏；②頂桿11和它后端的螺桿頂緊裝置均為細(xì)長(zhǎng)桿，在承受頂鍛軸向力時(shí)容易彎曲，造成工件軸線傾斜，其剛性最好的夾具座1沒有承受多少軸向力； ③設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的前端蓋7和后端蓋9組合結(jié)構(gòu)，多了一層組合，增加了一定的裝配誤差和零件的制造誤差，并且軸向力最后均被螺釘分擔(dān)；④利用葉輪(工件)4的外六方和夾緊套6的內(nèi)六方孔作為定位基準(zhǔn)，其組合后的制造間隙誤差增大了移動(dòng)夾具與主軸的同軸度誤差；⑤保持內(nèi)套3和保持外套5的設(shè)計(jì)是多余的，可以不用，葉輪4只要安裝在夾緊套6的孔內(nèi)也不會(huì)掉落的。⑥如果調(diào)整墊12取消，結(jié)合面通過刮研來保證的接觸，其效果會(huì)更好些。

3　優(yōu)化后的移動(dòng)夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖3是改進(jìn)后的移動(dòng)夾具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，它的工作原理是首先將葉輪4(工件)的六方頭端放置在定位套3的內(nèi)六方孔內(nèi)，其中心位置是由葉輪4(工件)的中心孔與小頂尖9的前端錐面相結(jié)合確定；然后通過一個(gè)氣缸8帶動(dòng)壓板5后退，壓板5的端面與葉輪4(工件)的e面(轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖)接觸，葉輪4(工件)的a面與定位座的前端面拉觸，這樣達(dá)到夾緊工件的目的。

在改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為提高夾具座剛性和強(qiáng)度，增加了加強(qiáng)筋，同時(shí)夾具座上的三孔位置結(jié)構(gòu)緊湊，整體外形尺寸有所減小，零件重量減少了；因?yàn)閴喊宓淖饔弥皇菍⒐ぜA持，力量不會(huì)太大，所以選用氣缸；因?yàn)橹皇褂靡粋€(gè)氣缸，所以壓板的尺寸大大減小，為保證壓板5的受力均衡和定位可靠，增加了氣缸的起導(dǎo)同作用的導(dǎo)向桿7和起分擔(dān)壓板分力的導(dǎo)向套6，葉輪4(工件)在壓緊的同時(shí)，壓板也與導(dǎo)向套6的端面接觸承擔(dān)來自壓板的壓力，以保證葉輪在夾緊狀態(tài)時(shí)壓板和氣缸活塞桿不傾斜，導(dǎo)向套6的具體位置是根據(jù)工件的型號(hào)尺寸來確定的；為保證中心孔的完好無損，增設(shè)了彈簧11彈性保護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)以中心孔定位時(shí)，小頂尖9不會(huì)承擔(dān)頂鍛力；這樣，所有的頂鍛力是由夾具體1來承擔(dān)的(夾具體1的后端的一個(gè)螺桿頂緊裝置作用在夾具體上，由它來分擔(dān)頂鍛力，取消原夾具的頂桿)。優(yōu)化設(shè)計(jì)將定位裝置設(shè)計(jì)成由定位座2和定位套3組成，是出于零件自身加工工藝性和定位套的多規(guī)格互換性方面考慮而分開設(shè)計(jì)的。原夾具座下面的調(diào)整墊取消以提高夾具體的裝配強(qiáng)度。

4　結(jié)語

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸焊接移動(dòng)夾具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，操作方便，使用安全，保證了加工精度，提高了夾具的強(qiáng)度和剛性，保證了機(jī)床工作可靠性，同時(shí)也降低了經(jīng)濟(jì)成本，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

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Structure optimization design of moving welding fixture of turbocharger rotor shaft

NIU Jinxia①, BAI Lianjie②, LI Jian①

(①School of Mechanical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, CHN;②Jiangsu Rui Cheng Machinery Co., Ltd., Yixing 214200, CHN)

The rotor shaft of turbocharger is composed of impeller and the connecting shaft through the friction welding, the welding quality is very important, the welding precision of the workpiece is determined by the way of clamping and positioning precision of the friction welding machine. Through the optimization design of the structure of moving fixture, the positioning accuracy of mobile fixture is improved, and the rigidity and strength of fixture are improved. As a result, overproof of the welding precision is solved.

optimization of structure; moving fixture; friction welding machine; rotor shaft for turbocharger

TH122

B

牛金霞，女，1978年生，副教授。主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的教學(xué)與科研工作。

(編輯李靜)(2015-05-05)

160124

*青海大學(xué)2015年中青年基金項(xiàng)目“渦輪增壓器轉(zhuǎn)子軸磨擦焊機(jī)床的移動(dòng)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”(2015-QGY-14)