焊模中薄壁軸套的定位與夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

曹鋅明

開(kāi)普特健身器材有限公司（廣東東莞 510440）

1 問(wèn)題的提出

在有薄壁軸套（軸承套）類的重要零件組成的焊接件的焊接模具的設(shè)計(jì)中，薄壁軸套（以下簡(jiǎn)稱軸套）有可靠的、合適的定位與夾緊，非常重要。在焊接過(guò)程中，特別是那些焊縫設(shè)立在軸套的軸承安裝孔的外圓或者離軸承安裝孔很近的外圓上，或者焊縫非對(duì)稱地分布等焊接結(jié)構(gòu)，如何減小其焊變形，以及焊件焊好后的脫模取出等，這些都是焊模具的設(shè)計(jì)要考慮的重要問(wèn)題。當(dāng)然，這些問(wèn)題之間是有相互關(guān)聯(lián)和相互影響的。如果軸套定位與夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得不合理，焊件會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的焊變形現(xiàn)象，使得軸套產(chǎn)生較大的形狀和位置誤差，影響了焊件質(zhì)量，且這較大的形狀變形，還會(huì)影響到焊件在焊后從模具中取出，嚴(yán)重的要用鋼桿撬，才能把焊件取出來(lái)，這不但影響了生產(chǎn)效率，而且在撬取出的過(guò)程中容易把焊件撬變形，更進(jìn)一步影響了焊件的質(zhì)量。

筆者在此類焊接件的焊接模具的設(shè)計(jì)時(shí)，遇到了許多這樣的情況，由于軸套的壁厚較薄，焊模具中它的定位和夾緊結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)受到了許多限制。所以，現(xiàn)實(shí)提出了如何選擇合適的定位與夾緊結(jié)構(gòu)，來(lái)解決這一類焊件能夠保質(zhì)保量地焊接加工的問(wèn)題。

2 定位與夾緊結(jié)構(gòu)的分析與選用

如圖1所示的焊接件，其組成零件的材料是Q195，而且都是薄壁鋼管，軸套兩端的內(nèi)孔是軸承安裝孔，直徑是φ34mm，壁厚是2mm，長(zhǎng)38mm，焊縫在軸套上的一邊而且在軸承孔的外圓上，這樣的結(jié)構(gòu)，因焊縫分布不對(duì)稱，焊接應(yīng)力不平衡，又是薄壁鋼管，使得軸套很容易產(chǎn)生比較嚴(yán)重的焊接變形，此外，對(duì)軸套的定位和夾緊空間比較小，這使得定位和夾緊的結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)受到了限制。

該焊模具原來(lái)設(shè)計(jì)是采用常用的“定位柱定位，軸向夾（壓）緊”的定位與夾緊方式，由于要考慮到定位柱和軸套之間的焊前的安裝和焊后取出，所以它們之間采用了間隙配合，這間隙配合一方面會(huì)影響軸套的定位精度，另一方面，由于這兩個(gè)零件間有間隙，而且是薄壁，所以在焊接過(guò)程中軸套會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的變形，即使對(duì)軸套采用較大的夾緊力，對(duì)其變形量也不會(huì)有明顯的減小，最嚴(yán)重的，其內(nèi)孔的橢圓量達(dá)0.15mm。這樣，不但會(huì)影響到焊件的質(zhì)量（軸套變形成橢圓形），也會(huì)影響到焊件在焊后的脫模取出，影響了生產(chǎn)效率，也使焊件在脫模取出時(shí)容易發(fā)生進(jìn)一步的變形。

針對(duì)此情況，進(jìn)行了分析，對(duì)于圖1所示的薄壁零件，選用自定心夾緊機(jī)構(gòu)這種類型的結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)軸套進(jìn)行定位與夾緊，當(dāng)軸套被定位和夾緊后，軸套和定位件之間是沒(méi)有間隙的，其定位精度較高，焊件在焊后，松開(kāi)脹套（卡爪），軸套與定位元件之間有較大的間隙，不會(huì)影響到焊件的取出。此外，軸套在定位夾緊后，軸套被脹套（卡爪）脹緊，使之在焊接過(guò)程中產(chǎn)生剛性的抵抗力，能較有效地減小焊接變形，提高焊接質(zhì)量。所以選用這種類型的結(jié)構(gòu)是較合適的。

自定心夾緊機(jī)構(gòu)有彈性內(nèi)夾套和楔式自定心夾緊等兩種類型：①?gòu)椥詢?nèi)夾套機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，操作較方便，在工作時(shí)是在整個(gè)內(nèi)孔對(duì)軸套脹緊，其產(chǎn)生剛性的抵抗力在整個(gè)軸套內(nèi)孔分布，但是，彈性內(nèi)夾套機(jī)構(gòu)中的重要零件脹套（薄壁彈性元件），其材料和熱處理的要求很高，特別是熱處理，不容易達(dá)到所要求的機(jī)械性能，容易產(chǎn)生下述的現(xiàn)象：硬度太高，脹套的膨脹量不夠，使之不能夠把軸套脹緊固定?。粍傂圆桓?，彈性太差，脹套易發(fā)生塑性變形，在脹套被松開(kāi)后，會(huì)使之不能恢復(fù)（縮?。┗卦瓲?，不能有效地松開(kāi)軸套，影響了焊件的取出，也使得焊模具因此而不能正常地使用，頻繁地更換脹套加大了模具的費(fèi)用；②楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)，其除了具有上述的特點(diǎn)外，與彈性內(nèi)夾套機(jī)構(gòu)相比，其突出的特點(diǎn)是不用熱處理很難達(dá)到要求的脹套，而是用材料和熱處理的要求沒(méi)那么高，而且較容易達(dá)到要求的卡爪，使焊模具的制造工藝性大為改善，制造的性價(jià)比比較高，可靠性又高。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，選用楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)。

楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 水平推拉楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

夾緊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程：推動(dòng)頂錐推拉桿（以下簡(jiǎn)稱頂錐）作軸向左、右移動(dòng)，使其圓錐體推動(dòng)卡爪同時(shí)徑向伸出或收攏，實(shí)施對(duì)軸套內(nèi)孔的脹緊或收攏放松，定位柱不讓頂錐轉(zhuǎn)動(dòng)及對(duì)其左、右移動(dòng)的限位，彈簧復(fù)位。

3 楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

以圖1的焊接件焊模具設(shè)計(jì)為例，講述如何進(jìn)行楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱定心夾緊機(jī)構(gòu)）的設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞如何保證軸套以及整個(gè)焊件的質(zhì)量（軸套孔的尺寸與形狀精度和位置精度、焊件的尺寸精度等）以及提高楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和壽命，操作方便等問(wèn)題，把整副模具作為一個(gè)系統(tǒng)來(lái)考慮。

3.1 安裝和操作型式的選擇

定心夾緊機(jī)構(gòu)的安裝和操作型式有多種，其選擇，要根據(jù)軸套在焊接件中的位置，所使用的焊接類型及其設(shè)備，焊接工藝，以及焊接件的焊模具的總體方案布置，定心夾緊機(jī)構(gòu)移動(dòng)的動(dòng)力型式等，同時(shí)也要十分注意考慮定心夾緊機(jī)構(gòu)的操作簡(jiǎn)便，要有焊件的裝、卸所需要的空間，特別是焊后，焊模具不能阻礙焊件的脫模取出。

該焊件是采用機(jī)器人自動(dòng)焊機(jī)來(lái)焊接，焊模裝在雙座式焊接變位機(jī)上，在焊模具的正、反兩面施焊來(lái)完成焊接（焊模底板上開(kāi)有焊接避空孔，變位機(jī)配合焊接做180°轉(zhuǎn)位）；焊接工藝是采用CO2氣體保護(hù)焊，焊絲直徑φ0.8mm，連續(xù)的環(huán)形焊縫；焊模具的總體布置，是把焊件水平放置，采用水平式快夾推動(dòng)定心夾緊機(jī)構(gòu)工作。所以，選擇了水平推拉式的定心夾緊機(jī)構(gòu)，水平安裝，其焊模具簡(jiǎn)圖如圖3所示。其中，當(dāng)推動(dòng)定心夾緊機(jī)構(gòu)脹緊軸套的水平式快夾后退松開(kāi)后，有足夠的位置讓軸套脫模取出，定心夾緊機(jī)構(gòu)的前部（裝彈簧處）的外徑和長(zhǎng)度有控制的，也不會(huì)妨礙軸套的取出的。

圖3 焊模具簡(jiǎn)圖

如圖4所示的車架焊接件，軸套的軸承孔徑為φ51mm，長(zhǎng)65mm，壁厚3mm，其它組成件都是薄壁零件。按上述分析后選擇螺旋楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)，豎直安裝。蓋在定心夾緊機(jī)構(gòu)上面的防塵罩是在焊接時(shí)防止焊渣等飛濺物進(jìn)入軸套內(nèi)，影響其正常使用及劃傷軸承面，焊接時(shí)蓋上去，焊后取下來(lái)。

圖4 車架焊模具簡(jiǎn)圖

3.2 錐體錐度α的選擇

定心夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)軸套的脹緊和松縮功能是通過(guò)頂錐和卡爪這兩個(gè)零件的配合錐度來(lái)實(shí)施的，這配合錐度是影響其性能的重大因素。錐度的選擇，要考慮：①所需要的脹緊力的大小，由此算出平均每個(gè)卡爪分擔(dān)的脹緊力；②根據(jù)卡爪的伸縮移動(dòng)距離，換算成焊模具的結(jié)構(gòu)允許頂錐所移動(dòng)的距離來(lái)確定頂錐的移動(dòng)量。錐度α在30°左右，本例選擇α=24°。此外，當(dāng)頂錐和卡爪的配合錐度確定后，還要根據(jù)卡爪對(duì)軸套實(shí)施脹緊的工作情況，頂錐零件的強(qiáng)度和剛度的情況，零件錐度的加工誤差影響等，對(duì)兩個(gè)零件的錐度α進(jìn)行≤1°的微調(diào)。本例，頂錐最大徑比較小，剛度不是很高，再考慮受力的情況，可得出保證零件在錐度的大頭相接觸是有利的結(jié)論，據(jù)此，選擇頂錐的錐度α1=24°，卡爪相配合的斜度為α2=11.7°。頂錐結(jié)構(gòu)和尺寸如圖5所示。

圖5 頂錐推拉桿零件圖

3.3 卡爪設(shè)計(jì)

卡爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要考慮其受力、運(yùn)動(dòng)及其摩擦的情況，軸套的形狀和大小，與頂錐的配合在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的相協(xié)調(diào)等因素。卡爪結(jié)構(gòu)和尺寸如圖6所示。

（1）卡爪與對(duì)應(yīng)元件的滑動(dòng)表面的接觸型式的選擇。這接觸型式有線接觸和面接觸兩種，有其各自的特點(diǎn)。因?yàn)檩S套是薄壁零件，焊接的應(yīng)力比較大；焊件的生產(chǎn)效率較高使得定心夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻繁，相應(yīng)地，其組件之間的相互運(yùn)動(dòng)的摩擦動(dòng)作也比較頻繁。所以，卡爪與頂錐及軸套的接觸選擇支承剛度好、能減小壓強(qiáng)、有利于夾緊的面接觸。圖6中的R1和R2曲面。

圖6 卡爪零件圖

（2）卡爪的厚度b和卡爪數(shù)Z的確定。卡爪受力較大（主要是焊接變形所產(chǎn)生的抗力），與對(duì)應(yīng)元件的滑動(dòng)表面摩擦比較嚴(yán)重，軸套內(nèi)徑較大，其厚度取較大，反之取較小，例子取b=4mm?？ㄗ?shù)一般按3、6、8等數(shù)目來(lái)選取，對(duì)稱布置，軸套的剛度較高的，強(qiáng)度較強(qiáng)的（這主要與軸套的材料、形狀有關(guān)），卡爪數(shù)可取小一點(diǎn)，軸套的內(nèi)徑較大的，卡爪數(shù)可取多點(diǎn)，例子取Z=3個(gè)，圖4中的車架焊件的軸套內(nèi)徑比圖1中的軸套內(nèi)徑大，卡爪數(shù)取Z=6個(gè)。當(dāng)然，卡爪的厚度要與卡爪數(shù)相協(xié)調(diào)。另外要注意，焊模具的主體卡爪槽加工工藝，如果是用線切割加工，卡爪槽只能是4、6等對(duì)稱分布的偶數(shù)，例如卡爪數(shù)是3個(gè)，此時(shí)主體的卡爪槽要割出6條，其中不用的3條要堵上（這一點(diǎn)很重要，實(shí)際中要注意），不要讓臟物、雜物掉入定心夾緊機(jī)構(gòu)的內(nèi)部。

3.4 定心夾緊機(jī)構(gòu)的潤(rùn)滑

定心夾緊機(jī)構(gòu)的動(dòng)作較頻繁，要做好其潤(rùn)滑。因是焊模具，適合選用潤(rùn)滑脂來(lái)潤(rùn)滑；另一方面，要注意模具熱平衡后的溫度，來(lái)選用合適的潤(rùn)滑脂，溫度高于80℃時(shí)，要選用合適的高溫潤(rùn)滑脂。此外，把定心夾緊機(jī)構(gòu)的內(nèi)空間加滿潤(rùn)滑脂是有利的，因這空間很小，加滿所用的量也是很小的。

3.5 設(shè)置可靠的卡爪復(fù)位機(jī)構(gòu)

定心夾緊機(jī)構(gòu)的頂錐和卡爪，要保持在錐體上的相互接觸，這就要有可靠的卡爪復(fù)位機(jī)構(gòu)，在圖1的焊模具中，是通過(guò)設(shè)在卡爪的卡槽結(jié)構(gòu)和與之相配套的卡環(huán)所組成的結(jié)構(gòu)，再加上彈簧一起組成的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4中的焊模具，是通過(guò)兩個(gè)盤(pán)簧所組成的機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.6 定心夾緊機(jī)構(gòu)的操作動(dòng)力選擇

推動(dòng)頂錐移動(dòng)的動(dòng)力型式，有手動(dòng)的，例如本例子的焊模具是用快夾，圖4車架的焊模具是用螺旋。此外，還可以按條件和需要，用氣動(dòng)或液壓傳動(dòng)的。選用不同的動(dòng)力型式，定心夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要作相應(yīng)的調(diào)整。如圖7所示，是圖1的另一副焊模具，是氣動(dòng)的，其結(jié)構(gòu)作了相應(yīng)的調(diào)整：取消了彈簧，使用了連接桿。除此之外，模具的其它結(jié)構(gòu)，特別是主要結(jié)構(gòu)都是一樣的。

圖7 氣動(dòng)例子焊模簡(jiǎn)圖（局部）

3.7 軸套在定心夾緊機(jī)構(gòu)裝配的防差錯(cuò)設(shè)計(jì)

定心夾緊機(jī)構(gòu)的安裝和操作型式對(duì)軸套裝配發(fā)生的差錯(cuò)概率是不同的，所以其防差錯(cuò)設(shè)計(jì)要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)做。圖3所示的焊模具，軸套的焊前裝配出差錯(cuò)的概率很小，可以不專門(mén)做防差錯(cuò)設(shè)計(jì)；圖4所示的車架焊具，因?yàn)槎ㄐ膴A緊機(jī)構(gòu)是豎直安裝，臟、雜物易于掉在軸套的安裝定位面上，使軸套裝配不到位，造成其焊接后的位置尺寸誤差，所以就要做防差錯(cuò)設(shè)計(jì)：在焊具的主體根據(jù)軸套的長(zhǎng)度及其公差設(shè)立測(cè)高槽，設(shè)計(jì)一個(gè)開(kāi)口測(cè)高環(huán)（見(jiàn)圖8），測(cè)高環(huán)的厚度尺寸與測(cè)高槽的寬度尺寸相適配，它們配合使用，測(cè)高環(huán)能放進(jìn)測(cè)高槽的，軸套的安裝位置是正確的，反之，則是錯(cuò)誤的，不能施焊。再在工位上設(shè)立壓力氣槍，在每次軸套裝配前，吹凈安裝定位面。除此之外，把相應(yīng)的操作動(dòng)作在工藝規(guī)程上規(guī)定下來(lái)，供操作工執(zhí)行，防止出差錯(cuò)。

圖8 車架定心夾緊機(jī)構(gòu)局部

4 焊接工藝

采用定心夾緊機(jī)構(gòu)的焊模具，其焊接件的工藝設(shè)計(jì)要注意焊接后焊件的溫度和焊接熱影響區(qū)溫度，其在高溫下把焊件脫模取出對(duì)焊接變形的影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知：在軸套剛焊好就脫模取出來(lái)，其結(jié)果是，這樣做對(duì)減小軸套的焊變形的作用是不明顯的。所以在焊接順序的安排上，特別是采用自動(dòng)焊如焊接機(jī)器人的時(shí)候，盡量安排軸套先焊好，再焊其它，這樣，等焊件全焊好后，軸套的溫度已經(jīng)降低了（這溫度降得越低對(duì)減小焊變形越有利），減小軸套變形的效果就好。

在整個(gè)焊接件中，軸套及其以外的結(jié)構(gòu)的位置精度、焊接變形是有相互相連和影響的，所以，在焊模具的設(shè)計(jì)中，整個(gè)焊件的定位和夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)立和布置，要圍繞保證焊件的位置精度，減小焊接變形等作全盤(pán)的考慮。

5 定心夾緊機(jī)構(gòu)的單獨(dú)使用

根據(jù)實(shí)際的工藝需要，可以做成一套獨(dú)立的定心夾緊機(jī)構(gòu)。對(duì)于采用“夾具定位焊——夾具外焊接”的工藝路線的焊接件，在夾（焊）具外焊接時(shí)，把該機(jī)構(gòu)裝入軸套并脹緊，然后再焊接，軸套減小變形的效果也比較好（此時(shí)焊接工藝安排上也要盡量先焊軸套）。

6 選用楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)的焊模具使用效果

對(duì)于圖1所示的焊接件，設(shè)計(jì)了選用楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)軸套進(jìn)行定位和夾緊的焊模具，再加上制定了與這焊模具使用相適配的焊接工藝。經(jīng)實(shí)踐使用，焊后軸套的焊變形明顯地減小，達(dá)到了焊件的質(zhì)量要求，卡爪徑向收攏后，軸套與卡爪之間有較大的間隙，不影響軸套脫模取出，生產(chǎn)效率比較高，而且，焊模具的操作簡(jiǎn)便，使用壽命也較好。

7 結(jié)束語(yǔ)

該夾緊機(jī)構(gòu)的焊模具試驗(yàn)成功以后，幾年來(lái)，再遇到類似有薄壁軸套組成的焊件，按照“楔式自定心夾緊機(jī)構(gòu)”的理念來(lái)設(shè)計(jì)焊模具，都能正常地使用，效果良好，使這問(wèn)題得到了較好地解決。