攪拌摩擦焊環(huán)縫焊接的并縫伸縮內(nèi)撐夾具設(shè)計(jì)

楊中寶 張 杰 張艷豐 王衛(wèi)鑫 房浩弟 孝本康

（天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462）

攪拌摩擦焊作為一種新型固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔焊相比，具有消除裂紋、氣孔和提高接頭力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于航天高強(qiáng)鋁合金的焊接[1]。對(duì)接環(huán)焊縫作為攪拌摩擦焊的一種典型焊縫形式，影響其焊后產(chǎn)品尺寸精度和形位公差的因素主要有工件的焊前狀態(tài)、工件定位夾緊情況和焊接工藝[2]。針對(duì)穩(wěn)定的焊接工藝和可控的焊前狀態(tài)而言，裝夾狀態(tài)成為最重要的影響因素。為適應(yīng)自動(dòng)化焊接需求，目前環(huán)縫焊接定位夾具多采用產(chǎn)品內(nèi)壁作為定位基準(zhǔn)，其定位可靠、焊縫質(zhì)量高[3]，可有效保證裝配同軸度和焊縫對(duì)接處的定徑圓度。但采用內(nèi)撐定位方式，內(nèi)撐元件間時(shí)常存在到位時(shí)差、碰撞沖擊、共圓性差及拼接縫隙大等問(wèn)題，不僅影響產(chǎn)品焊接質(zhì)量，也給夾具自身精度造成影響。特別對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程，更需保證產(chǎn)品裝夾的剛性、工藝性和裝配性，以提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量。因此，定位精度高、剛性和工藝性強(qiáng)及結(jié)構(gòu)合理的內(nèi)撐裝置的設(shè)計(jì)成為必要。

圖1為法蘭盤和短筒段產(chǎn)品對(duì)接環(huán)縫的組焊示意圖。兩者材料均為2219高強(qiáng)鋁合金，焊縫焊接區(qū)產(chǎn)品壁厚5 mm，內(nèi)徑360 mm，軸向高度89 mm。針對(duì)該環(huán)縫攪拌摩擦焊接工況，設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)定直徑并縫伸縮的內(nèi)撐式夾具。

圖1 產(chǎn)品組焊示意圖

1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本夾具采用內(nèi)撐式定位方式，同時(shí)對(duì)組焊筒段前后端面進(jìn)行限位夾緊，夾具組成如圖2所示。圖2a為內(nèi)撐夾具的總裝圖，圖2b為局部剖切后的三維軸測(cè)圖。內(nèi)撐夾具的一端通過(guò)轉(zhuǎn)接盤與外部自動(dòng)化設(shè)備連接，另一端通過(guò)絲桿軸與外部裝置的頂尖軸進(jìn)行定位頂緊，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)縫的攪拌摩擦焊接。

圖2 定直徑并縫伸縮內(nèi)撐夾具

轉(zhuǎn)接盤1通過(guò)定位孔和螺栓孔與外部自動(dòng)化設(shè)備連接。將絲桿軸2的光軸一端插入轉(zhuǎn)接盤1的配合孔內(nèi)，并將T型螺母5與轉(zhuǎn)接盤1螺接。將定向軸6穿過(guò)T型螺母5和轉(zhuǎn)接盤1插入到絲桿軸2的銷孔內(nèi)，并將頂絲4和長(zhǎng)手柄3安裝到T型螺母5上。通過(guò)長(zhǎng)螺釘8將連接盤7與轉(zhuǎn)接盤1固定，并利用粗螺釘19將導(dǎo)向盤18與連接盤7連接。利用銷軸15將滾針軸承14和導(dǎo)向軸16連接，并通過(guò)短螺釘17將導(dǎo)向軸16分別與小撐塊22和大撐塊23連接構(gòu)成小撐塊組件和大撐塊組件各4組。將4組小撐塊組件和4組大撐塊組件依次間隔交替裝入導(dǎo)向盤18的導(dǎo)向孔中。將楔盤20通過(guò)平鍵21連接到絲桿軸2上，并將8組撐塊組件的銷軸15裝入楔盤20的導(dǎo)向滑槽內(nèi)，最后利用小圓螺母12將楔盤20鎖緊。通過(guò)細(xì)螺釘9將壓環(huán)13與壓盤11連接，并將短手柄10安裝到壓盤11上。待裝入組焊筒段產(chǎn)品后，將壓盤11安裝到絲桿軸2上壓緊產(chǎn)品端面。

2 夾具功能及原理

在8組撐塊組件處于收縮狀態(tài)下，裝入待組焊的筒段產(chǎn)品。通過(guò)向不同方向旋轉(zhuǎn)長(zhǎng)手柄3，利用T型螺母5和定向軸6可控制絲桿軸2沿軸心線方向向上或向下平移，進(jìn)而帶動(dòng)楔盤20實(shí)現(xiàn)沿軸向的上下平移運(yùn)動(dòng)。

如圖3所示，隨著楔盤20沿軸向向下或向上平移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)8組撐塊組件沿徑向向外撐開或向內(nèi)收縮，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)縫處組焊產(chǎn)品內(nèi)壁的定心撐緊或松開。由于小撐塊22和大撐塊23對(duì)應(yīng)的楔盤20上的導(dǎo)向滑槽角度不同，故兩者沿徑向收放速度存在差異。通過(guò)合理設(shè)計(jì)大小撐塊和兩者對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向滑槽角度，可實(shí)現(xiàn)在外撐和內(nèi)收運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相鄰撐塊間保持并縫貼合，且可同時(shí)到達(dá)理論內(nèi)撐位置實(shí)現(xiàn)對(duì)組焊產(chǎn)品的共圓定位撐緊。

圖3 撐塊組件運(yùn)動(dòng)原理圖

由于T型螺母5和轉(zhuǎn)接盤1間的螺紋副可實(shí)現(xiàn)自鎖，故對(duì)組焊產(chǎn)品定位撐緊后撐塊組件可自動(dòng)鎖緊。隨后通過(guò)向不同方向旋轉(zhuǎn)短手柄10，實(shí)現(xiàn)對(duì)組焊筒段的壓緊或焊后拆卸。

3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

撐塊組件運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖4a所示，其中導(dǎo)向盤固定不動(dòng)，楔盤沿X軸前后平移實(shí)現(xiàn)撐塊組件的外撐和內(nèi)收運(yùn)動(dòng)。圖4b和圖4c所示分別為小撐塊和大撐塊運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖。

圖4 撐塊運(yùn)動(dòng)分析圖

由圖4b可得

由圖4c可得

因每組大小撐塊組件各自結(jié)構(gòu)相同且間隔分布，故任取相鄰的一對(duì)撐塊作為研究對(duì)象，如圖5所示以分別沿Y向和S向運(yùn)動(dòng)的撐塊為例。在兩者貼合面上任取一點(diǎn)a，以小撐塊為研究對(duì)象，經(jīng)分析可知點(diǎn)a沿S向位移分量為

圖5 并縫運(yùn)動(dòng)分析圖

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為保持相鄰的大小撐塊時(shí)刻貼合，只需使得小撐塊貼合面上任意一點(diǎn)a與大撐塊貼合面上任意一點(diǎn)b沿S向位移量相等，即滿足

由式（1）～（4）可得，滿足撐塊組件并縫伸縮的條件為

考慮到夾具設(shè)計(jì)和制造需求，在此對(duì)大小撐塊組件的有效長(zhǎng)度作進(jìn)一步研究。如圖4a所示，假設(shè)各組撐塊運(yùn)動(dòng)至理論內(nèi)撐位置時(shí)，沿X軸相對(duì)收縮狀態(tài)的位移量為 ΔX′。結(jié)合上述分析可知，小撐塊組件有效長(zhǎng)度滿足如下關(guān)系

大撐塊組件有效長(zhǎng)度需滿足的關(guān)系為

在合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)后，即可計(jì)算出大小撐塊的有效長(zhǎng)度。所有撐塊組件可選用相同的導(dǎo)向軸、滾針軸承及銷軸等連接件，只需調(diào)整對(duì)應(yīng)撐塊尺寸即可滿足使用需求，很大程度上增強(qiáng)了夾具的互換性功能[4]。

4 制造要求及研制效果

夾具制造時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）為保證撐塊組件的內(nèi)撐直徑尺寸及形位公差要求，需將大小撐塊組件在組合狀態(tài)下進(jìn)行外圓的精加工。

（2）為保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相鄰撐塊間的并縫貼合效果，在公差允許范圍內(nèi)可對(duì)小撐塊安裝槽和并縫貼合面按需修配。

在產(chǎn)品撐緊狀態(tài)下，本夾具相關(guān)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 夾具技術(shù)指標(biāo)參數(shù)表 mm

由表1可見，大小撐塊外圓圓柱度公差0.012 mm，滿足產(chǎn)品裝夾定位精度要求。并縫間隙控制在0.02～0.077 mm，滿足攪拌摩擦焊接的生產(chǎn)工藝需求。

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，夾具采用撐塊組件同步運(yùn)動(dòng)形式，消除了大小撐塊的到位時(shí)差和碰撞沖擊問(wèn)題，且夾緊效果良好。對(duì)產(chǎn)品采用內(nèi)撐定位及端面壓緊方式，有效控制了焊接變形。產(chǎn)品焊后技術(shù)指標(biāo)滿足產(chǎn)品及工藝要求，裝配性及焊接工藝性得到了顯著提升。

5 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)及功能特點(diǎn)

（1）通過(guò)對(duì)撐塊間運(yùn)動(dòng)關(guān)系的分析，實(shí)現(xiàn)了夾具的并縫伸縮式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效解決了碰撞沖擊、到位時(shí)差等問(wèn)題。

（2）對(duì)夾具內(nèi)撐定位組件采用組合加工方式，有效保證了定位元件間的共圓性。

（3）先前多采用斜楔機(jī)構(gòu)通過(guò)元件間滑動(dòng)摩擦方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)撐。該夾具采用滾動(dòng)代替滑動(dòng)摩擦的設(shè)計(jì)形式，既降低了摩擦阻力又減少了元件間的磨損。

（4）在一定內(nèi)徑范圍內(nèi)，僅需更換外側(cè)撐塊即可滿足不同內(nèi)徑產(chǎn)品的裝夾需求，提高了工裝的通用性。

（5）采用內(nèi)置環(huán)槽式T型螺母設(shè)計(jì)，利用銷槽結(jié)合方式實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變直線運(yùn)動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)緊湊且操作便捷。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）本夾具所采用的并縫伸縮結(jié)構(gòu)可解決內(nèi)撐元件間到位時(shí)差和碰撞沖擊問(wèn)題，保證了部件運(yùn)動(dòng)的時(shí)序性和平穩(wěn)性，有效改善了產(chǎn)品焊接的工藝性。

（2）采用整體組合加工和局部修配方式，可有效控制內(nèi)撐元件共圓性和并縫間隙，提高了夾具制造精度。

（3）通過(guò)預(yù)置互換性接口，采用撐塊快換形式，增強(qiáng)了夾具的適用性。

（4）該夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路為同類型焊接夾具的設(shè)計(jì)提供了新方法，其設(shè)計(jì)原理在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也可進(jìn)行借鑒和參考。