連續(xù)式感應(yīng)自動(dòng)化釬焊機(jī)設(shè)計(jì)及釬焊性能

楊雷，于忠婷，陳睿博，王琿，呂紅英

(中國機(jī)械總院集團(tuán)寧波智能機(jī)床研究院有限公司，浙江 象山 315700)

0 前言

在超硬工具的制造過程中，焊接是最主要的環(huán)節(jié)之一，其選用的焊接方法和焊接工藝直接影響到超硬工具的質(zhì)量[1-2]。然而，國內(nèi)許多超硬工具釬焊過程通常還是停留在手工焊接，例如PCD 刀具、建工鉆頭、合金鉆頭、合金磨頭、牙科合金刀具、合金鋸片等，焊接溫度及升溫過程難以精確控制，焊接質(zhì)量依靠工人的技術(shù)等級(jí)，因此存在焊接質(zhì)量很不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低等問題[3-4]。生產(chǎn)中為提高建工鉆頭的鉆削硬度和鉆削效率，現(xiàn)有建工鉆頭一般都會(huì)在鉆頭基體的頭部鑲嵌一個(gè)硬質(zhì)合金片，以硬質(zhì)合金片作為刀頭進(jìn)行鉆削加工，由于硬質(zhì)合金片與鉆頭基體為分體結(jié)構(gòu)，在加工過程中需通過釬焊的方式將兩者固連在一起。在中國超硬工具等制造業(yè)中釬焊運(yùn)用廣泛，相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值巨大[5-6]。釬焊工藝性能關(guān)系到釬焊產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性及使用壽命[7]。

建工鉆頭生產(chǎn)地樂清市芙蓉鎮(zhèn)被稱為全國“鉆頭之鄉(xiāng)”，建工鉆頭產(chǎn)品占國內(nèi)份額的70%以上，然而該地建工鉆焊接主要還是以手工進(jìn)行，生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品一致性較、差勞動(dòng)強(qiáng)度高。當(dāng)?shù)卣罅y(tǒng)籌推進(jìn)鉆頭行業(yè)數(shù)字化、智能化、低碳化轉(zhuǎn)型，市場上急需能夠進(jìn)行自動(dòng)化焊接建工鉆頭的設(shè)備。因此，開發(fā)出性能滿足產(chǎn)品要求、釬焊質(zhì)量要、高效、綠色、質(zhì)量穩(wěn)定的自動(dòng)化釬焊設(shè)備是市場的必然趨勢，建工鉆頭自動(dòng)化釬焊機(jī)就是在這種背景下進(jìn)行研制的。

1 建工鉆頭自動(dòng)化釬焊機(jī)的機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該自動(dòng)化釬焊機(jī)主要由機(jī)械系統(tǒng)、釬焊系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，其機(jī)構(gòu)示意圖如圖1 所示。其中機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)架、上料找正裝置、裝片裝置、點(diǎn)膏裝置及機(jī)架等組成，釬焊系統(tǒng)包括感應(yīng)電源、感應(yīng)線圈及焊接輸送鏈板等組成。在控制系統(tǒng)上由觸摸屏、PLC 及各執(zhí)行系統(tǒng)組成。

圖1 自動(dòng)化釬焊機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

首先，通過自動(dòng)化釬焊機(jī)的操作系統(tǒng)中的學(xué)習(xí)系統(tǒng)將各種不同規(guī)格型號(hào)的建工鉆頭焊接參數(shù)順序輸入自動(dòng)化釬焊機(jī)的記憶數(shù)據(jù)庫中。焊接建工鉆頭時(shí)，首先選中需焊接鉆頭的焊接參數(shù)，將鉆頭基體存放到上料找正裝置的鉆頭基體存放筐內(nèi)，并將合金片放置在裝片裝置的振動(dòng)盤內(nèi)，準(zhǔn)備工作完成后操作控制面板啟動(dòng)自動(dòng)化釬焊機(jī)，順序完成鉆頭基體上料找正、將合金片裝入基體、將焊膏點(diǎn)到基體與合金片組合體上、鉆頭組合體勻速通過釬焊系統(tǒng)即焊接完成，焊接過程為鉆頭基體加熱到一定溫度將焊膏熔化，填滿合金片與鉆頭基體之間的縫隙，焊接過程中測量鉆頭溫度反饋給控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)感應(yīng)電源焊接參數(shù)完成自動(dòng)化釬焊。焊接過程控制原理如圖2 所示。

圖2 工作原理圖

2 硬件設(shè)計(jì)

為了確保建工鉆頭焊接速度、焊接質(zhì)量，在機(jī)械上設(shè)計(jì)有上料找正裝置、裝片裝置、點(diǎn)膏裝置及釬焊系統(tǒng)，各裝置都有各自的特點(diǎn)保證完成焊接工序。

2.1 上料找正裝置的設(shè)計(jì)

上料找正裝置主要包括鉆頭基體上料筐、調(diào)節(jié)氣缸、找正電機(jī)、找正底座、上料滑軌、找正部、找正氣缸、找正頭、夾片、找正安裝座、找正傳感器、鉆頭上料板及上料氣缸等組成，如圖3 所示。其中鉆頭基體上料筐寬度方向可以調(diào)節(jié)適用于不同長度的鉆頭基體，鉆頭基體上料筐上方設(shè)置有上料滑軌，該滑軌兩端各設(shè)置有找正部和調(diào)節(jié)部，找正部對(duì)應(yīng)鉆頭基體開槽端，調(diào)節(jié)部對(duì)應(yīng)鉆頭基體鉆柄端，通過調(diào)節(jié)氣缸與找正氣缸能夠?qū)崿F(xiàn)找正部固定與調(diào)節(jié)部之間的間距，進(jìn)而能夠?qū)@頭上料板帶上來的鉆頭基體進(jìn)行固定，鉆頭基體固定后鉆頭上料板通過上料氣缸下降，找正電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)鉆頭基體旋轉(zhuǎn)使鉆頭基體所開槽卡在找正部夾片內(nèi)，鉆頭基體卡在夾片內(nèi)時(shí)找正頭被鉆頭基體推動(dòng)，進(jìn)而找正傳感器得到已找正信號(hào)。

圖3 上料找正裝置示意圖

2.2 裝片裝置的設(shè)計(jì)

裝片裝置主要包括裝片前滑板、裝片指爪氣缸、裝片前氣缸、壓痕機(jī)構(gòu)、壓痕氣缸、裝片通道機(jī)構(gòu)、裝片后氣缸、推片條、合金片上料臺(tái)、合金片輸送機(jī)構(gòu)及基座等組成，如圖4 所示。其中壓痕機(jī)構(gòu)是將鉆頭基體開槽處壓出毛刺痕跡，其設(shè)計(jì)目的為了將合金片可以牢牢的卡在鉆頭基體槽內(nèi)；裝片通道機(jī)構(gòu)是為了將合金準(zhǔn)確的輸送到鉆頭基體槽內(nèi)，機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置有可更換的槽道，根據(jù)合金片的大小進(jìn)行調(diào)整，提高設(shè)備的通用性。上料找正裝置將鉆頭基體上料找正后，由機(jī)頭部件將找正后的鉆頭基體搬運(yùn)至裝片指爪氣缸指爪夾住鉆頭基體，后由裝片前氣缸推動(dòng)裝片前滑板從而帶動(dòng)鉆頭基體前進(jìn)，將鉆頭體開槽處推到壓痕機(jī)構(gòu)與裝片通道機(jī)構(gòu)通道口處，首先由壓痕機(jī)構(gòu)進(jìn)行壓痕，壓痕結(jié)束后，裝片后氣缸帶動(dòng)推片條將由合金片上料臺(tái)與裝片通道機(jī)構(gòu)共同輸送到的合金片推至鉆頭基體開槽內(nèi)，此時(shí)將合金片與鉆頭基體暫時(shí)組成為一個(gè)組合體，最后由裝片前氣缸帶動(dòng)裝片前滑板將鉆頭組合體帶出壓痕機(jī)構(gòu)及裝片通道口處。

圖4 裝片裝置示意圖

2.3 點(diǎn)膏裝置的設(shè)計(jì)

點(diǎn)膏裝置主要包括點(diǎn)膏滑板、點(diǎn)膏指爪氣缸、點(diǎn)膏氣缸、點(diǎn)膏盤、點(diǎn)膏電機(jī)、光電傳感器、點(diǎn)膏盒蓋板、點(diǎn)膏盒、壓力傳感器及基座等組成，如圖5 所示。將焊膏裝入點(diǎn)膏盒內(nèi)，通過點(diǎn)膏電機(jī)帶動(dòng)點(diǎn)膏盤轉(zhuǎn)動(dòng)，點(diǎn)膏盤上有4 個(gè)點(diǎn)膏槽，點(diǎn)膏盤一部分浸在點(diǎn)膏盒內(nèi)，點(diǎn)膏盤在焊膏內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)將點(diǎn)膏槽填滿焊膏，點(diǎn)膏盤上設(shè)置有擋光片，擋光片通過光電傳感器控制點(diǎn)膏盤旋轉(zhuǎn)角度，將點(diǎn)膏槽停在預(yù)定位置等待鉆頭組合體進(jìn)行點(diǎn)膏。通過機(jī)頭裝置將鉆頭組合體從裝片指爪氣缸指爪處搬運(yùn)至點(diǎn)膏指爪氣缸指爪處夾緊，由點(diǎn)膏氣缸帶動(dòng)點(diǎn)膏滑板運(yùn)動(dòng)將鉆頭組合體送至點(diǎn)膏盤的點(diǎn)膏槽處，點(diǎn)膏電機(jī)帶動(dòng)點(diǎn)膏盤轉(zhuǎn)動(dòng)將點(diǎn)膏槽內(nèi)的焊膏刮至鉆頭組合體上，后由點(diǎn)膏氣缸帶動(dòng)點(diǎn)膏滑板將點(diǎn)好焊膏的鉆頭組合體帶出點(diǎn)膏槽。

圖5 點(diǎn)膏裝置示意圖

2.4 釬焊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

釬焊系統(tǒng)主要包括鏈板機(jī)、鉆頭座、感應(yīng)線圈、感應(yīng)電源、機(jī)架及鏈板機(jī)調(diào)節(jié)座等組成，如圖6 所示。點(diǎn)有焊膏的鉆頭組合體由機(jī)頭部件從點(diǎn)膏指爪氣缸指爪處搬運(yùn)至鏈板機(jī)前端的鉆頭座上，由鏈板機(jī)已設(shè)定好的速度勻速通過感應(yīng)線圈，通過感應(yīng)線圈后設(shè)置有一個(gè)反饋測溫點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)整感應(yīng)電源的焊接參數(shù)，其中感應(yīng)電源的控制集成到控制面板中，設(shè)置好對(duì)應(yīng)鉆頭型號(hào)所需的電流參數(shù)，并由反饋測溫進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

圖6 釬焊系統(tǒng)示意圖

3 焊接工藝及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 焊接工藝流程圖

建工鉆頭自動(dòng)化釬焊機(jī)焊接工藝流程圖如圖7所示。

圖7 焊接工藝流程圖

3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用西門子S7-1200 系統(tǒng)PLC 可編程控制器進(jìn)行控制，焊接參數(shù)設(shè)置、操作控制采用昆侖通態(tài)觸摸顯示屏進(jìn)行人機(jī)交換控制。該自動(dòng)化釬焊機(jī)在上料找正裝置中設(shè)置有找正傳感器、裝片裝置中設(shè)置有合金片到位傳感器、點(diǎn)膏裝置中設(shè)置有點(diǎn)膏盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度傳感器、釬焊系統(tǒng)中設(shè)置有焊接完成溫度傳感器及各個(gè)氣缸前后電磁感應(yīng)傳感器等共同完成對(duì)釬焊機(jī)的工作狀態(tài)檢測，各個(gè)信號(hào)反饋給PLC 進(jìn)行控制[8]，系統(tǒng)的控制應(yīng)滿足工藝要求并且能夠適應(yīng)各種情況。釬焊機(jī)工作的模式分為自動(dòng)和手動(dòng)模式，手動(dòng)模式主要運(yùn)用在設(shè)備調(diào)試、焊接工藝參數(shù)校對(duì)等，自動(dòng)模式運(yùn)用在日常生產(chǎn)中。自動(dòng)化釬焊機(jī)在運(yùn)行過程中觸摸顯示屏上會(huì)顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障等問題時(shí)，觸摸顯示屏上能顯示出故障發(fā)生的原因及簡單的處理辦法，該設(shè)備也隨及停止運(yùn)行，等待人員處理。

4 技術(shù)性能

4.1 自動(dòng)化釬焊機(jī)性能

通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證及釬焊機(jī)實(shí)際工作表現(xiàn)建工鉆自動(dòng)化釬焊機(jī)達(dá)到了以下技術(shù)性能：①采用可調(diào)節(jié)、更換的合金片通道等方式，同時(shí)控制系統(tǒng)存儲(chǔ)了多種鉆頭規(guī)格型號(hào)，現(xiàn)自動(dòng)化釬焊機(jī)可焊接直徑為4 mm，6 mm，8 mm，10 mm，12 mm 的建工鉆，建工鉆長度范圍為100～300 mm；②自動(dòng)化釬焊機(jī)每小時(shí)可以焊接建工鉆650 支以上，大大提高了焊接效率；③建工鉆合金片焊接左右位置定位精度達(dá)到0.02 mm；④建工鉆自動(dòng)釬焊機(jī)焊接溫度檢測精度為5 ℃，圖8為焊接的建工鉆。

圖8 焊接建工鉆

4.2 釬焊性能

隨機(jī)抽取該自動(dòng)化釬焊機(jī)焊接鉆頭成品進(jìn)行焊縫性能檢測，抽取鉆頭采用的是銅焊膏進(jìn)行釬焊，硬質(zhì)合金刀片為YG8，鉆頭基體材質(zhì)為42CrMo 鋼，鉆頭直徑為10 mm，長度為150 mm，釬焊焊縫寬度為0.12 mm。

采用線切割將焊接完成后的建工鉆頭切開，對(duì)釬縫進(jìn)行打磨拋光進(jìn)行組織觀察。釬縫的顯微組織如圖9 所示。由圖可以看出釬縫的成形性較好，無氣孔，接頭處結(jié)合緊密。

圖9 釬縫的顯微組織

在掃描電鏡下對(duì)釬縫進(jìn)行觀察，釬縫無明顯缺陷，釬縫各元素的線掃描結(jié)果如圖10 所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，釬縫各元素在接近兩母材側(cè)均發(fā)生了一定程度的擴(kuò)散，這是形成良好釬縫的基礎(chǔ)。且發(fā)現(xiàn)Zn 元素在兩側(cè)擴(kuò)散的較少，不易擴(kuò)散[9]。

圖10 釬焊焊縫主要元素掃描

5 結(jié)論

建工鉆頭自動(dòng)化釬焊機(jī)的成功研制實(shí)現(xiàn)了建工鉆頭的完全自動(dòng)化焊接，穩(wěn)定了建工鉆頭的焊接質(zhì)量及一致性，提高了建工鉆頭的使用壽命，節(jié)約了生產(chǎn)制造成本，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，填補(bǔ)了國內(nèi)建工鉆頭自動(dòng)化釬焊的空白，為建工鉆制造業(yè)從手工焊接向自動(dòng)焊接提供了參考，推進(jìn)了超硬工具焊接向數(shù)字化、智能化、低碳化轉(zhuǎn)型，對(duì)中國焊接自動(dòng)化的發(fā)展具有推動(dòng)作用。