鄔玉晶

（無錫開放大學(xué)機(jī)電工程系，江蘇無錫214011）

汽車尾氣凈化器雙環(huán)縫焊機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鄔玉晶

（無錫開放大學(xué)機(jī)電工程系，江蘇無錫214011）

該文分析了當(dāng)前汽車尾氣凈化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和常用的加工方式，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了雙環(huán)縫焊接專機(jī)。具體設(shè)計(jì)了雙環(huán)焊縫的形成軌跡、夾持凈化器裝置的專用夾具、放置焊接工件的托架。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：該焊接專機(jī)在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，焊接速度比焊接機(jī)器人提高了2倍有余，且焊機(jī)成本只有焊接機(jī)器人的1/4，大幅度降低了生產(chǎn)成本。

汽車尾氣凈化器；焊接專機(jī)；雙環(huán)縫

隨著我國(guó)汽車行業(yè)的快速發(fā)展和尾氣排放要求的提高，對(duì)汽車尾氣凈化器的產(chǎn)量和質(zhì)量提出了更高的要求。汽車排氣系統(tǒng)為管狀結(jié)構(gòu)的連接[1]，凈化器是其中的一部分，其生產(chǎn)方式主要是焊接加工，焊接方式過去是半自動(dòng)人工氣體保護(hù)焊，人工焊接的產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定、生產(chǎn)效率比較低,還存在安全保障問題[2]，隨著產(chǎn)品數(shù)量和質(zhì)量要求的提升，已不能滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要；現(xiàn)在工廠多采用焊接機(jī)器人，但存在投資費(fèi)用大，使用維護(hù)成本和對(duì)焊材質(zhì)量的要求高等問題[3]。

1　汽車尾氣凈化器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

汽車尾氣凈化器外殼一般采用不銹鋼或者409低碳鋼板[4],經(jīng)過剪切、沖壓成型、焊接、熱浸滲鍍鋁等工藝制成。低碳鋼板滲鋁工藝可代替不銹鋼,經(jīng)過滲鋁的低碳鋼能長(zhǎng)期在900攝氏度高溫下使用而不損壞,低碳鋼的成本要比不銹鋼低很多，而且低碳鋼的焊接性能比不銹鋼好[5]。汽車尾氣凈化器的外形如圖1所示。端蓋的一端通過焊接連接排氣管，另一端通過焊接連接凈化器殼體。汽車尾氣凈化器殼體由剪切、沖壓成型和直線焊縫弧焊加工完成[6]。 1.2加工方式

兩個(gè)端蓋的連接由兩個(gè)環(huán)焊縫組成。環(huán)焊縫的加工過程相對(duì)比較復(fù)雜?，F(xiàn)階段一般采用焊接機(jī)器人加工完成，每次只能焊接一條環(huán)焊縫。焊接機(jī)器人在焊接雙環(huán)縫焊接的過程中，存在焊接效率低、輔助時(shí)間長(zhǎng)、焊接工藝要求高等缺陷[7-9]。本文研究開發(fā)可以同時(shí)焊接兩個(gè)環(huán)焊縫的焊接專機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)。

圖1　凈化器外形圖

2　汽車尾氣凈化器雙環(huán)縫焊機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1焊機(jī)軌跡形成設(shè)計(jì)

焊接專機(jī)的研發(fā)主要包括兩個(gè)部分:機(jī)械零件部分和電氣控制部分。焊接動(dòng)作過程為：?jiǎn)?dòng)—夾緊—燒焊—焊槍回-位—夾具松開—停止。根據(jù)零件形狀特點(diǎn)，在保證焊接質(zhì)量的前提下，為了提高工作效率，本焊接專機(jī)采用雙工位即兩個(gè)環(huán)縫同時(shí)焊接的工作方式。焊接專機(jī)焊接工件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。調(diào)整好兩個(gè)焊槍的位置后固定不動(dòng)，開始焊接之前，手工調(diào)整橫桿和豎桿上的螺母，讓兩個(gè)焊槍之間的距離剛好和兩個(gè)焊縫之間的距離相等，引弧時(shí)焊槍和焊點(diǎn)之間有合理的距離，這樣既保證引弧成功，又保證兩條環(huán)縫的焊接質(zhì)量相同。

圖2　焊接專機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

開始焊接之前，通過安裝在橫桿和豎桿上的螺母調(diào)整好焊槍和焊接位置之間的位置關(guān)系。用專門設(shè)計(jì)的夾具固定兩頭的端蓋，同時(shí)夾緊焊接工件。啟動(dòng)控制面板上控制按鈕，設(shè)計(jì)好的傳動(dòng)部件帶動(dòng)工件開始旋轉(zhuǎn)—焊槍靠近—引弧—燒焊—停止焊接—焊槍回-位。為了減少輔助時(shí)間和提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)放置工件的托架，方便工件在準(zhǔn)備焊接和焊接結(jié)束的時(shí)候互不影響。在整個(gè)工作過程中，機(jī)械裝置和電氣控制部分相互配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車尾氣凈化器套筒類零件的焊接。

用焊機(jī)座兩頭的夾頭用來夾緊工件，中間設(shè)計(jì)了一個(gè)放置工件的托架。在夾緊前工件放在托架上，保證工件的軸線和夾緊裝置的軸線等高，夾緊后托架縮回，不影響工件焊接過程，焊機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　焊機(jī)結(jié)構(gòu)俯視圖

2.2夾具設(shè)計(jì)

按照夾具設(shè)計(jì)的基本理論設(shè)計(jì)本專機(jī)的夾具，設(shè)計(jì)好的夾具如圖4所示。由頂頭定位，頂頭是圓錐形，錐度的大小同端蓋。錐形頂頭限制工件5個(gè)自由度，繞軸線旋轉(zhuǎn)的自由度沒有限制。因?yàn)楣ぜ且h(huán)焊加工，可以不要限制。按照焊接件的大小設(shè)計(jì)不同的頂頭，從而滿足不同直徑排氣管的焊接加工。由一個(gè)雙作用汽缸14作為夾緊裝置。氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作靈活，可靠性高，且該汽缸動(dòng)作要求簡(jiǎn)單。汽缸的動(dòng)作由電控?fù)Q向閥控制。根據(jù)焊接件的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)不同的前伸軸的長(zhǎng)度，以滿足不同長(zhǎng)度的焊接件，或者在軸套上設(shè)計(jì)沉頭螺釘，限制前伸軸伸長(zhǎng)的距離，從而滿足不同長(zhǎng)度的焊接件。這種夾緊裝置，簡(jiǎn)單可靠，定位精度高，成本低，維護(hù)、調(diào)試也很方便。

圖4　夾具裝配示意圖

2.3托架設(shè)計(jì)

為了裝卸工件方便，縮短焊接輔助時(shí)間。設(shè)計(jì)一個(gè)托架組件，托架能自動(dòng)上下移動(dòng)，安裝在夾具的下方，供上料和接料使用。焊件待加工的時(shí)候，托架和夾緊裝置軸線等高。夾緊工件后，托架縮回，不影響工件旋轉(zhuǎn)。托架組裝圖如圖5所示?？刂仆屑苌舷伦詣?dòng)運(yùn)動(dòng)可以用液壓缸、汽缸、電機(jī)通過絲杠驅(qū)動(dòng)，這里選擇氣缸。托架板21放置在托板22上，兩個(gè)托架板之間的距離可以通過調(diào)節(jié)寬度的螺母來調(diào)整，為的是保證不同長(zhǎng)度的焊接工件放置穩(wěn)定。托板22通過螺母固定在伸縮汽缸的活塞桿上，托板可以隨汽缸的動(dòng)作上下運(yùn)動(dòng)。為了讓托板在上下運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。設(shè)計(jì)了4根導(dǎo)柱，導(dǎo)柱和機(jī)架25相連，可以相對(duì)滑動(dòng)。機(jī)架25可以通過螺母調(diào)節(jié)高度，以配合不同焊接工件在-始位置的高度。初始位置調(diào)節(jié)成：工件放置在托架21上，軸線和焊接工件兩端的夾緊裝置軸線等高，汽缸處在伸長(zhǎng)狀態(tài)，可以通過高度調(diào)節(jié)螺母精確校驗(yàn)。當(dāng)焊接工件夾緊后，汽缸自動(dòng)縮回，不影響施焊過程。焊接過程結(jié)束后，汽缸再次自動(dòng)伸出到-始位置，當(dāng)夾緊裝置松開后，托架接住工件，等待焊接工人拿走焊完的工件。工人拿走焊接好的工件后，放置下一個(gè)待焊接工件，就這樣不斷重復(fù)焊接。這種設(shè)計(jì)動(dòng)作簡(jiǎn)單快速、穩(wěn)定性好，機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本很低，維護(hù)方便，易于操作。提高了生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖5　托架組裝圖

3　測(cè)試結(jié)果及分析

3.1本專機(jī)焊接試驗(yàn)

用本專機(jī)焊接φ118mm外圓、409碳鋼雙環(huán)縫。焊接參數(shù)如表1所示。焊縫外觀圖片如圖6所示。

表1　專機(jī)焊接參數(shù)

3.2焊接機(jī)器人焊接試驗(yàn)

用機(jī)器人焊接同一種尺寸和材料的工件。工件的直徑118mm，零件材料是409碳鋼。焊接參數(shù)如表2所示。焊接機(jī)器人焊接焊縫外觀圖如圖7所示。將圖6與圖7對(duì)比分析，可以看出焊接專機(jī)和焊接機(jī)器人的焊接外觀質(zhì)量基本相同。將表1與表

表2　機(jī)器人焊接參數(shù)

圖6　專機(jī)焊接焊縫

圖7　機(jī)器人焊接焊縫

2對(duì)比分析，焊接專機(jī)焊接的速度比焊接機(jī)器人快，且焊接專機(jī)一次焊接可以完成兩條焊縫，而焊接機(jī)器人一次焊接只能完成一條焊縫。焊接專機(jī)具有投資使用成本低，效率高的特點(diǎn)，在大批量生產(chǎn)過程中優(yōu)勢(shì)明顯。

4　結(jié)論

4.1本文開發(fā)的焊接專機(jī)可以通過工人手動(dòng)調(diào)整夾具位置和焊槍位置、改變焊接參數(shù)，焊接多種尺寸和多種材料的汽車尾氣凈化器。并且同時(shí)焊接2

條環(huán)縫。

4.2經(jīng)過焊縫質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)本專機(jī)焊接的焊縫質(zhì)量符合工廠的焊縫指令要求。

4.3本文開發(fā)的焊接專機(jī)焊接速度提高了2倍，

而且縮短了焊接輔助時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

4.4本專機(jī)是在普通的電弧焊機(jī)的基礎(chǔ)上，增加了專門的輔助機(jī)械裝置和電氣控制系統(tǒng)，焊機(jī)成本只有焊接機(jī)器人的1/4。

[1]周敏，董天順，劉小光，等.機(jī)器人在汽車凈化器殼體柔性化焊接中的應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2007（4）.

[2]張文鉞.焊接”金學(xué)（基本-理）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[3]劉月.汽車后橋用焊接專機(jī)的研制[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2007.

[4]劉宇飛.汽車車橋半軸套管、過渡接盤焊接設(shè)備PLC控制及焊接工藝[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2008.

[5]韓娜.低合金高強(qiáng)鋼焊接熱影響區(qū)組織轉(zhuǎn)變規(guī)律研究[D].包頭:內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2014.

[6]劉麗麗.汽車連桿類焊接專機(jī)的設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2007.

[7]張顏峰.自動(dòng)化焊接機(jī)器人生產(chǎn)線優(yōu)化研究中國(guó)汽車技術(shù)研究中心[D].上海:上海交通大學(xué)，2010.

[8]張磊.不銹鋼焊接件激光沖擊波強(qiáng)化抗氣蝕工藝及機(jī)理研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2013.

[9]王建偉.專用焊接機(jī)器人焊接誤差分析及補(bǔ)償研究[D].武漢:華中科技大學(xué)，2008.

（責(zé)任編校：馬余平）

Mechanical Structure Design of Double Circular Seam Welding Machine for Automobile Exhaust Purifier

WU Yu-Jing
(Department of Electrical Engineering,Wuxi Open University,Jiangsu 214011)

This article analyzes the structural characteristics and common process ways for current Automobile Exhaus Purifier,and a special double circular seam welding machine come out in a targeted manner of design.The detailed designs ar listed below:forming track for double circular seam,special fixture for clamping purifier device,bracket for placing weldin workpiece.Experimental test indicates:This special welding machine not only ensures welding quality,but also greatly reduce production cost.Welding speed is twice as fast as a welding robot,but welding cost is only a quarter of that.

Automobile Exhaust Purifier;Special welding machine;double circular seam

TG 43;U 463

粵

1672-738X(2015)02-0084-04

2015-03-06

鄔玉晶（1980要），男，江蘇南通人，機(jī)械工程講師，機(jī)械工程碩士。主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)，電氣自動(dòng)化。