動(dòng)臂焊后尺寸質(zhì)量分析與控制方法研究

成二強(qiáng)，徐武彬，李 冰

（廣西科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州545006）

0 引言

動(dòng)臂作為裝載機(jī)工作裝置中的關(guān)鍵支撐和主要受力構(gòu)件，在工作中除承受較大的靜工作載荷還要承受一定的沖擊載荷，其制造質(zhì)量將直接影響整機(jī)的性能和可靠性。

動(dòng)臂制造中的焊接變形一直困擾著裝載機(jī)的生產(chǎn)廠家，國內(nèi)大部分機(jī)械生產(chǎn)廠家以及科研人員的研究主要集中在焊接工藝參數(shù)優(yōu)化與焊后矯正處理兩方面[1-3]。然而，單純的依靠工藝參數(shù)優(yōu)化無法完全消除焊接變形，且矯正程序嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。本文介紹一種動(dòng)臂焊后尺寸質(zhì)量控制方法，以開檔尺寸為例，從焊接前后尺寸波動(dòng)的關(guān)系入手，并結(jié)合工裝設(shè)計(jì)，以達(dá)到同時(shí)控制焊后尺寸波動(dòng)與焊接變形的目的。

1 動(dòng)臂焊后開檔尺寸問題現(xiàn)狀分析

動(dòng)臂焊接結(jié)構(gòu)件如圖1所示，橫梁與動(dòng)臂板之間的焊縫采用較大的坡口焊，焊接時(shí)動(dòng)臂板只有內(nèi)側(cè)受熱，由于受熱不均，焊后勢(shì)必造成動(dòng)臂板彎曲變形導(dǎo)致開檔尺寸減小，兩端的圓搭面對(duì)稱度不達(dá)標(biāo)。如圖2為某型動(dòng)臂焊后車架端開檔尺寸數(shù)據(jù)，其尺寸設(shè)計(jì)值為1 065 mm.

圖1 裝載機(jī)動(dòng)臂結(jié)構(gòu)

圖2 某型號(hào)動(dòng)臂焊后間距尺寸

由圖可知，動(dòng)臂焊后間距尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)表現(xiàn)以下兩種形式：均值漂移與尺寸波動(dòng)。均值漂移由焊接變形引起，而尺寸波動(dòng)是由于在生產(chǎn)過程中零部件的制造誤差，裝配因素，焊接穩(wěn)定性能以及人為等多種因素累計(jì)而成。本文針對(duì)這兩種不同的尺寸質(zhì)量問題分別進(jìn)行分析控制，制定如圖3技術(shù)路線。

圖3 尺寸質(zhì)量控制技術(shù)路線

2 焊接前后尺寸偏差相關(guān)性分析

本文采用一一對(duì)應(yīng)的取樣原則，對(duì)焊接前后開檔尺寸偏差值進(jìn)行了相關(guān)性分析。即在總拼工序取樣測(cè)量后放回生產(chǎn)線，并在矯正工序?qū)ν还ぜM(jìn)行取樣測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示，偏差計(jì)算式見式1：

其中，δ車架，△車架分別為車架端焊接前與焊接后偏差；δ鏟斗，△鏟斗分別為鏟斗端焊接前與焊接后偏差；D1，d1為動(dòng)臂焊接前后鏟斗端寬度；D3為動(dòng)臂焊接前橫梁部位寬度；D4，d4為動(dòng)臂焊接前后車架端寬度。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意

由于前后工序檢測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性系數(shù)受取樣方法、抽樣頻次、樣本容量、測(cè)量精度等多方面因素影響較大，在所采集數(shù)據(jù)中重點(diǎn)針對(duì)每一天批次中編號(hào)集中且數(shù)據(jù)量較多的樣本進(jìn)行分析。以型號(hào)4為例，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖5 型號(hào)4開檔尺寸焊接前后偏差相關(guān)性

δ車架與 △車架相關(guān)性分析結(jié)果：ρ車架＝ 0.9312；δ鏟斗與△鏟斗相關(guān)性：ρ鏟斗=0.8453，由此可知，動(dòng)臂焊接前后開檔尺寸波動(dòng)相關(guān)性較強(qiáng)。

3 總拼工序結(jié)構(gòu)尺寸鏈近似模型

在建立尺寸鏈模型之前，首先要分析動(dòng)臂的定位方式及裝配順序。動(dòng)臂零部件均為剛體，采用六點(diǎn)定位原理，圖6為定位布局實(shí)物圖，裝配順序按照?qǐng)D7中1-2-3順序進(jìn)行。

圖6 動(dòng)臂工裝實(shí)物

圖7 動(dòng)臂裝配與定位二維簡(jiǎn)化模型

實(shí)際生產(chǎn)中研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)臂板銷軸與對(duì)應(yīng)定位座接觸較好，在高度方向定位良好，但寬度方向（y向）上動(dòng)臂板在拼裝過程中與定位塊會(huì)產(chǎn)生一定的間隙，存在定位誤差。因此，本文對(duì)三維尺寸模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，重點(diǎn)分析xoy平面內(nèi)的定位誤差，如圖7所示。

為簡(jiǎn)化分析，平面度誤差中，暫先考慮動(dòng)臂板1的平面度誤差影響。由于橫梁與動(dòng)臂板接觸面相對(duì)臂長較小，將橫梁與動(dòng)臂板接觸簡(jiǎn)化為點(diǎn)接觸。忽略板材厚度的制造誤差，建立鏟斗端尺寸鏈模型如圖8所示。

圖8 考慮尺寸偏差與平面度尺寸鏈模型

其中，x1為動(dòng)臂板定位點(diǎn)1，3的y向距離；x2為橫梁兩端中心距離；x3為鏟斗孔軸線到與動(dòng)臂板定位點(diǎn)1間距；x4為橫梁圓筒軸線到鏟斗孔軸線距離；p1，p2為輔助尺寸；θ為動(dòng)臂板1與水平方向夾角，裝配控制目標(biāo)為動(dòng)臂鏟斗端間距尺寸，記為y.建立矢量方程：

成分別在 x、y 軸上的投影[5]，分別記為 Di，di，i=0，1，2；當(dāng)θ=0時(shí)，由方程2可得到4個(gè)方程：

方程3為隱式方程，運(yùn)用直接線性法（DLM）[6]對(duì)方程（3）進(jìn)行線性化處理：

進(jìn)行矩陣計(jì)算，各參數(shù)取其名義值，計(jì)算結(jié)果{△U}中 △Y 為：

式（4）中各系數(shù)即為各尺寸敏感度系數(shù)，可知，x1以及d1影響系數(shù)大于1.其中x1偏差可認(rèn)為動(dòng)臂板定位偏差，因此，動(dòng)臂板定位偏差、動(dòng)臂平面度以及橫梁尺寸被確定為影響開檔尺寸的關(guān)鍵因素。此外，對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析之后得知，動(dòng)臂板平面度存在一定的偏差。

4 工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸鏈分析

從經(jīng)濟(jì)角度而言，單純通過提高零件質(zhì)量來優(yōu)化裝配尺寸的辦法并不合適[7]。本文采用減小尺寸鏈上影響環(huán)節(jié)的方法來解決動(dòng)臂的裝配問題，并將零部件定位布局作為尺寸鏈優(yōu)化的首選途徑。動(dòng)臂板高度方向上的定位良好，保持原方案不變；由于橫梁圓筒端面為精加工后的成品，精度較高，故改用圓筒端面與固定座2上定位塊為兩動(dòng)臂板定位面（圖9）。并取消原動(dòng)臂板兩端定位塊。改進(jìn)后的工裝模型如圖10所示。

圖9 動(dòng)臂板定位面

圖10 改進(jìn)后的工裝模型

動(dòng)臂兩側(cè)開檔尺寸y直接通過激光位移傳感器檢測(cè)來保證，構(gòu)成的尺寸鏈為：

L為激光位移傳感器檢測(cè)數(shù)值，改進(jìn)后縮短了尺寸鏈長，消除了板面平面度帶來的誤差，并提高了工裝自動(dòng)化水平。

5 結(jié)論

本文提出了一種動(dòng)臂焊后尺寸質(zhì)量控制方法，針對(duì)動(dòng)臂焊后開襠尺寸存在的兩種質(zhì)量問題進(jìn)行了研究，動(dòng)臂焊接前后尺寸偏差存在波動(dòng)相關(guān)性較強(qiáng)，進(jìn)一步通過簡(jiǎn)化的尺寸鏈模型分析，確定對(duì)焊后尺寸影響較大的因素有3個(gè)，即動(dòng)臂板平面度、動(dòng)臂定位偏差以及橫梁寬度。并從縮短尺寸鏈的角度，對(duì)原工裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了尺寸鏈影響環(huán)節(jié)，消除了板面平面度誤差帶來的影響。