導(dǎo)電桿焊縫加工裝置的設(shè)計

劉擁軍，張全民，陳思遠(yuǎn)，丁森

河南平高電氣股份有限公司 河南平頂山 467001

1 序言

隨著輸配電技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉式組合電器（GIS）生產(chǎn)規(guī)模越來越大，導(dǎo)電桿作為GIS筒體內(nèi)部傳輸電流的主要原件，其需求量也隨之增加。為了減輕導(dǎo)電桿的質(zhì)量并降低制造成本，一般設(shè)計為焊接結(jié)構(gòu)，最為典型的結(jié)構(gòu)形式為在鋁管的兩端焊接上鋁材的鍍銀接頭。通常情況下，焊接焊縫會高出母材2～4mm，需要將焊縫凸出部位打磨平滑，以前采用的工具是風(fēng)動砂輪，工作效率低，勞動強度大，噪聲大，且打磨質(zhì)量受操作人員的熟練程度、操作技能水平等因素限制，穩(wěn)定性差。為解決這些問題，根據(jù)導(dǎo)電桿的結(jié)構(gòu)特點，我們查閱了機械設(shè)計的相關(guān)資料，設(shè)計制造出一種簡易實用的加工裝置，先用切削加工的方法將焊縫凸出部分去除，再用風(fēng)動砂輪打磨圓滑，實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、降低勞動強度的目的。

2 存在的問題

氣體絕緣金屬封閉式組合電器產(chǎn)品上使用的導(dǎo)電桿（焊縫打磨前后狀態(tài)對比見圖1），其原材料為鋁合金6063，固溶處理后硬度達到75～90HBW，其結(jié)構(gòu)形式基本都是在鋁管的兩端焊接上鍍銀接頭，焊接后的焊縫會高出母材2～4mm，焊縫區(qū)域的硬度一般和母材相當(dāng)或略低一些。導(dǎo)電桿的規(guī)格型號較多，一般長度在2000～5000mm，成品的質(zhì)量大部分為20～50kg。由于開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品內(nèi)部對電場的要求比較高，需要將焊接后產(chǎn)生的焊縫打磨平滑才能裝配到產(chǎn)品上，傳統(tǒng)的方法是采用風(fēng)動砂輪進行打磨處理，其他制造業(yè)的方法也都大同小異，這種手段雖然能夠滿足導(dǎo)電桿加工的需要，但是在長期的生產(chǎn)實踐中，這種操作方法存在以下幾方面的問題。

1）操作人員手持砂輪作業(yè)長時間保持同一姿勢，身體容易疲勞，勞動強度大。

2）焊縫凸出部分打磨后全部轉(zhuǎn)化為粉塵，對環(huán)境的影響較大。

3）操作人員作業(yè)長期近距離接觸粉塵和噪聲，對身體健康危害較大。

4）由于打磨的磨削量很小，需要反復(fù)多次打磨，其生產(chǎn)效率低。

圖1 導(dǎo)電桿焊縫打磨前后狀態(tài)對比

5）操作人員手持砂輪不夠平穩(wěn)，焊縫外觀質(zhì)量難以保證。6）焊縫的打磨量較大，砂輪的損耗快，消耗量大，生產(chǎn)成本居高不下。

3 改進措施

為解決上述導(dǎo)電桿焊縫加工存在的問題，我們設(shè)計制造出一種簡易實用的焊縫加工裝置（見圖2），并進行了運動學(xué)分析與仿真，用銑削加工的方法替代砂輪打磨，降低勞動強度，提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，降低對環(huán)境的污染和人體的傷害。

圖2 導(dǎo)電桿焊縫加工裝置結(jié)構(gòu)

圖3 限位裝置結(jié)構(gòu)

該裝置主要包含支撐部分、動力及刀具部分、機械傳動及調(diào)整部分、輔助及防護部分和電氣控制部分。支撐部分的底部設(shè)有4個萬向輪，便于人力推動該裝置在車間自由移動，方便不同的加工工位，到達預(yù)定位置后進行鎖緊。

加工時導(dǎo)電桿的兩端放置到滾輪架上，無需固定及定位，滾輪架由電動機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，通過摩擦力帶動導(dǎo)電桿同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可根據(jù)加工需要進行調(diào)整。加工導(dǎo)電桿時需要的小幅度位置調(diào)整通過可折疊的懸臂來實現(xiàn)，與導(dǎo)軌配合能夠?qū)崿F(xiàn)電主軸及銑刀位置上下、前后、左右的自由調(diào)整，從而對導(dǎo)電桿焊縫位置進行精確定位、加工。

電主軸下端設(shè)有刀具隨動限位裝置（見圖3），用來調(diào)整銑削焊縫時的吃刀量，避免損壞刀具或者傷及導(dǎo)電桿。

為減輕操作力量，該裝置設(shè)計有配重塊，可以根據(jù)電主軸運動需要施加力量的大小來調(diào)節(jié)配重塊的質(zhì)量，直至電主軸能夠靈活地上下運動。

動力及刀具的選擇是焊縫加工裝置的核心，電主軸帶動并控制銑刀對焊縫進行加工，電主軸可實現(xiàn)0～6000r/min范圍內(nèi)的無級調(diào)速，恒定銑削速度時，電主軸功率按照下式進行計算：

式中，MRM是每千瓦功率的切削能力[cm3/（min·kW）]，通常取20cm3/（min·kW）；d是銑削深度（m m）；W是銑削寬度（m m）；Ft是每轉(zhuǎn)進給量（m m/r）；N是銑刀的齒數(shù)；ns是主軸轉(zhuǎn)速（r/min）。

聯(lián)接塊上端與電主軸聯(lián)接，下端通過螺栓與固定端蓋固接，固定端蓋外圓設(shè)有一段螺紋與過渡螺母螺紋配合，過渡螺母兩側(cè)鉆有螺紋孔，通過調(diào)節(jié)定位螺釘控制過渡螺母在固定端蓋上的上下位移，進而限制限位件在軸向的最高點；限位件兩側(cè)設(shè)有長圓孔，通過聯(lián)接螺栓將限位件掛接在固定端蓋上，因固定端蓋與限位件為間隙配合，所以過渡螺母位置固定后，限位件可沿長圓孔上下移動，依靠重力作用可自由滑落到軸向最低點；定位輪與限位件的軸銷為間隙配合，可隨導(dǎo)電桿自由旋轉(zhuǎn)。

3.1 功能介紹

支撐部分：包含件1、件4、件16（見圖2，下同），該部分是焊縫加工裝置的基礎(chǔ)框架，件1是為方便移動該裝置設(shè)計的滾輪。

動力及刀具部分：包含件10、件12。該部分是焊縫加工裝置的核心，分別是電主軸和銑刀。電主軸帶動并控制銑刀對焊縫進行加工，電主軸可實現(xiàn)0～6000r/min范圍內(nèi)的無級調(diào)速，銑刀采用DLC涂層鎢鋼銑刀。

機械傳動及調(diào)整部分：包含件2、件3、件5、件7、件8、件9、件11、件13、件14、件15及件22。其中，件2是配重塊，用于調(diào)節(jié)電主軸及銑刀運動的靈活性；件5是鋼絲繩，連接配重塊；件3是滑輪，作為鋼絲繩運動的支撐滑輪，左右兩端各設(shè)置1個；件7是鋼絲繩的連接接頭；件8是折臂焊裝，具有折疊功能，中間由4節(jié)合頁裝配后組合而成，可以對電主軸及銑刀進行前后左右的位置調(diào)節(jié)；件9是固定電主軸的固定板；件11是刀具限位裝置，一是調(diào)節(jié)吃刀量，二是通過設(shè)置的滾輪支撐到導(dǎo)電桿的外圓實現(xiàn)對焊縫的精準(zhǔn)控制，保護導(dǎo)電桿和銑刀不受損傷；件13是裝配折臂焊裝的軸銷；件14是上下方向的導(dǎo)軌，用于調(diào)節(jié)電主軸和銑刀的上下位置；件15是導(dǎo)軌的限位板，最上端和最下端各設(shè)置1個；件22是用于對電主軸和銑刀施力的手柄，以手工施力升降電主軸，將銑刀精準(zhǔn)放置到被加工焊縫上，加工過程中需要人力按壓住手柄以保持銑刀的正常切削。

輔助及防護部分：包含件17、件18、件19、件20、件21。其中，件17是推動該裝置移動的把手，其余為防護擋板。

電氣控制部分：包含件6、件23。件6是控制電主軸運動的變頻器和調(diào)節(jié)按鈕，并帶有電源開關(guān)；件23是電主軸的起動和停止開關(guān)，安裝在手柄上非常方便操作。

3.2 使用說明

安裝調(diào)試：該裝置安裝過程不再介紹。安裝后需要進行調(diào)試測試，一是調(diào)試電氣開關(guān)的穩(wěn)定性及電主軸的轉(zhuǎn)速，通過件6上的調(diào)節(jié)旋鈕來實現(xiàn)；二是調(diào)試機械結(jié)構(gòu)傳動的靈活性，手握件22進行推拉及升降操作，如有卡滯，可通過增加或減少件2的數(shù)量來調(diào)節(jié)操作力量，直至運動靈活。

設(shè)備就位：打開件1上的自鎖機構(gòu)，緊握件17將該裝置推到待加工導(dǎo)電桿工位后，鎖緊滾輪，防止加工時滑移。

加工前準(zhǔn)備：雙手握緊件22將電主軸及銑刀置于待加工導(dǎo)電桿的上方，根據(jù)焊縫狀況調(diào)節(jié)刀具限位裝置，將銑刀伸出長度調(diào)至合理位置。

加工過程：開啟滾輪架電源，使其帶動導(dǎo)電桿開始轉(zhuǎn)動，然后下壓件22，使電主軸及銑刀將刀具限位裝置上的滾輪與導(dǎo)電桿的外圓靠緊，左手按下件23起停按鈕開始加工，加工過程雙手應(yīng)保持對件22手柄施力，確保滾輪與導(dǎo)電桿外圓的緊密接觸，以保證加工的切削深度均勻恒定。導(dǎo)電桿轉(zhuǎn)動一周后完成加工，抬起件22并再次按下件23起停按鈕關(guān)閉電主軸，切斷電源。

圖4 使用焊縫加工裝置加工情況

圖5 風(fēng)砂輪打磨情況

4 試驗驗證

通過開發(fā)導(dǎo)電桿焊縫加工裝置，使用切削加工（見圖4）的方法替代了手持風(fēng)砂輪對焊縫凸出部分的打磨（見圖5），提高了作業(yè)的自動化水平，降低了勞動強度，減少了粉塵和噪聲的產(chǎn)生，提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量，改善了操作人員的工作環(huán)境。由于導(dǎo)電桿要求非常平滑，使用該裝置加工后存在局部尖角、毛刺，仍需要打磨處理，但是打磨量極其微小。

5. 結(jié)束語

生產(chǎn)實踐證明，導(dǎo)電桿焊縫加工裝置工作時穩(wěn)定可靠，加工效果非常好，焊縫加工效率提高40%，大幅降低了勞動強度，達到了預(yù)期的目標(biāo)。