李坤全 邵鳳翔
(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州 451191)
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圓形硅鋼片氬弧焊焊接設(shè)備的設(shè)計
李坤全 邵鳳翔
(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,鄭州 451191)
針對圓形硅鋼片多層焊接,采用氬弧焊機(jī)作為熱源設(shè)計了整套焊接系統(tǒng),主要由機(jī)柜、功能組件、控制系統(tǒng)和焊機(jī)系統(tǒng)等組成。其中功能組件由定位機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、焊槍升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及對應(yīng)機(jī)加件組成,自動實現(xiàn)硅鋼片的定位、壓緊、焊接和上下料等功能,提高生產(chǎn)效率。同時壓緊機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)硅鋼片的軸向壓緊力大于4 000 N,焊槍升降機(jī)構(gòu)可一次性完成100片硅鋼片的多層疊加焊接,確保了焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。
硅鋼片 氬弧焊接 系統(tǒng)設(shè)計 功能組件
焊接技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造生產(chǎn)過程中,起到了非常重要的作用[1-3]。根據(jù)實際需求,發(fā)展了氬弧焊、電阻焊、超聲波焊、摩擦攪拌焊及激光焊等方法,每種焊接方法都有其獨特的特點及應(yīng)用[4-8]。其中氬弧焊作為使用最廣泛的一種焊接技術(shù),已經(jīng)在航空航天、汽車、船舶及五金生產(chǎn)中得到大量應(yīng)用[9-12]。但是目前的氬弧焊大多采用簡單的人工操作方式,這種生產(chǎn)方式的成本隨著人力成本的增加而增加,已經(jīng)不能滿足批量生產(chǎn)的要求。
硅鋼片作為一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金,含硅量一般為0.5%~ 4.5%,向其中加入硅可提高鐵的電阻率和最大磁導(dǎo)率,降低矯頑力、鐵芯損耗(鐵損)和磁時效,這種材料主要用來制作各種變壓器、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的鐵芯。目前硅鋼片焊接的主要為氬弧焊,為提高生產(chǎn)效率,必須通過提高設(shè)備的自動化水平,對系統(tǒng)或者部件進(jìn)行技術(shù)升級,滿足焊接質(zhì)量及效率要求[13]。
文中結(jié)合電機(jī)內(nèi)鐵芯中多層硅鋼片焊接的實際需求,設(shè)計整套氬弧焊接生產(chǎn)系統(tǒng),并對各個部件功能進(jìn)行描述。
1.1 圓鋼片產(chǎn)品及焊接要求
待焊產(chǎn)品為某電動機(jī)內(nèi)的鐵芯,材質(zhì)為硅鋼片,一般鐵芯主要由多個硅鋼片疊加在一起焊接成形,硅鋼片采用激光切割成形,精度較高。文中所述硅鋼片最大外形尺寸為φ235 mm,材料厚度1 mm?,F(xiàn)需設(shè)計專用設(shè)備,將100片硅鋼片疊加在一起,按要求組裝后,所有硅鋼片需保證一定的同軸度;組裝完成后采用拼焊形式將其焊接在一起,焊接時需對硅鋼片軸向方向施加不小于4 000 N的壓力。要求一次焊接成型且盡可能的縮短焊接時間(提高產(chǎn)能),而且所有相鄰的兩塊硅鋼片之間均不得有漏焊和虛焊的現(xiàn)象。焊接完成后需對其進(jìn)行破壞性測試和導(dǎo)磁測試,檢驗其焊接強(qiáng)度和導(dǎo)磁性。
圖1 焊接產(chǎn)品圖
1.2 設(shè)備的總體設(shè)計
根據(jù)焊接要求,綜合產(chǎn)能、經(jīng)濟(jì)性和焊接強(qiáng)度考慮,采用氬弧焊對硅鋼片進(jìn)行焊接,焊接壓緊采用大缸徑氣缸。
根據(jù)氬弧焊的特點,文中設(shè)計了專用設(shè)備,如圖2所示。設(shè)備主要由機(jī)柜、功能組件、控制系統(tǒng)和焊機(jī)系統(tǒng)等組成。設(shè)備設(shè)計成雙工位焊接,采用人工上下料,自動壓緊,在完成對硅鋼片的壓緊和定位以后,焊槍升降機(jī)構(gòu)開始工作,同時焊槍開始焊接,機(jī)構(gòu)一起聯(lián)動,最終完成對硅鋼片的加壓焊接。該設(shè)備焊接效率和焊接質(zhì)量較高,其中機(jī)柜內(nèi)集成電氣元件板等。焊接系統(tǒng)主要由氬弧焊機(jī)和保護(hù)氣(含氣管、壓力表等)組成。
圖2 設(shè)備總體機(jī)構(gòu)圖
2.1 功能組件總體功能
功能組件主要用于實現(xiàn)硅鋼片的定位、壓緊、焊接和上下料四項功能。如圖3所示,功能組件主要由定位機(jī)構(gòu)、壓緊機(jī)構(gòu)、焊槍升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以及對應(yīng)機(jī)加件組成。其中,定位機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)硅鋼片的定位和徑向夾緊;壓緊機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)硅鋼片的軸向壓緊(施加壓力大于4 000 N);焊槍升降機(jī)構(gòu)可完成100片硅鋼片的焊接;旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可使定位機(jī)構(gòu)變成一個雙工位機(jī)構(gòu),增加設(shè)備稼動率,減少人工上下料的等待時間,即焊接的同時可以進(jìn)行上下料。
2.2 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計
定位機(jī)構(gòu)主要由氣缸、定位塊1、定位塊2、直線運(yùn)動副以及對應(yīng)機(jī)加件組成。其中,定位塊1處于活動狀態(tài),定位塊2則處于固定狀態(tài)。直線運(yùn)動副共有4個,每個直線運(yùn)動副內(nèi)均有一個復(fù)位彈簧,4個直線運(yùn)動副和定位塊1連接在一起,可隨著直線運(yùn)動副進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動;自然狀態(tài)下,定位塊1處于松開狀態(tài),即此時定位塊遠(yuǎn)離定位塊2,焊接時,氣缸伸出,在直線運(yùn)動副導(dǎo)向的作用下定位塊1將硅鋼片壓緊,最終的壓緊力由彈簧提供,夾緊機(jī)構(gòu)如圖4所示。
定位塊1和定位塊2均為仿形設(shè)計,人工硅鋼片放入后,即可實現(xiàn)初步的定位,后經(jīng)氣缸壓緊,定位塊1可對硅鋼片進(jìn)行精確的二次定位(徑向方向)。
圖3 功能組件機(jī)構(gòu)圖
圖4 定位機(jī)構(gòu)圖
2.3 壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計
定位機(jī)構(gòu)將硅鋼片進(jìn)行徑向定位壓緊后,壓緊機(jī)構(gòu)開始對硅鋼片進(jìn)行軸向方向的壓緊。壓緊機(jī)構(gòu)分為上下兩部分,下部分主要起阻擋作用,焊接前,下部分首先往上運(yùn)動(運(yùn)動時有直線運(yùn)動副導(dǎo)向),然后上部分開始下壓,最終完成對硅鋼片的軸線壓緊,壓緊機(jī)構(gòu)如圖5所示。其中,上部分和下部分的壓緊氣缸缸徑相同,二者均配備電氣比例閥,下部分的氣壓大于上部分氣壓,氣缸缸徑為100 mm,可提供大于4 000 N的力,滿足焊接需求。
2.4 焊槍升降機(jī)構(gòu)設(shè)計
焊槍升降機(jī)構(gòu)為文中設(shè)計的核心機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)為一個同步帶傳動和滾珠絲桿傳動的綜合體,同步性好,易于控制(采用PLC控制)。
如圖6所示,焊槍升降機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、連接板、焊槍組件、驅(qū)動機(jī)構(gòu)以及對應(yīng)機(jī)加件組成。其中驅(qū)動機(jī)構(gòu)為整個焊槍升降機(jī)構(gòu)提供動力;導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可保證焊槍能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(上下運(yùn)動);焊槍組件可實現(xiàn)焊接前后焊槍水平位置的往復(fù)運(yùn)動;連接板起過渡作用,將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、焊槍和驅(qū)動機(jī)構(gòu)三者連接在一起。
圖5 壓緊機(jī)構(gòu)示意圖
圖6 焊槍升降機(jī)構(gòu)圖
2.5 驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計
驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要由一個伺服電機(jī)、兩個滾珠絲桿組件、三個同步輪、一個惰輪組件和一根同步帶組成。
驅(qū)動機(jī)構(gòu)如圖7所示,其中惰輪組件可調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)張緊程度。同步輪和滾珠絲桿組件的螺母連接在一起(二者無相對運(yùn)動)。伺服電機(jī)輸出軸端部也連接有一同步輪,當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)動時,同步帶將運(yùn)動傳遞給惰輪組件和兩個滾珠絲桿組件。滾珠絲桿組件的絲桿和連接板固定在一起,二者無相對運(yùn)動,連接板和導(dǎo)向組件固定在一起可保證機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性。當(dāng)伺服電機(jī)運(yùn)動時,同步輪驅(qū)動同步帶,同步帶又驅(qū)動和滾珠絲桿組件連接的同步輪,由于同步輪和滾珠絲桿組件內(nèi)的螺母連接在一起,故此時兩個滾珠絲桿組件內(nèi)的螺母也開始旋轉(zhuǎn),此時在導(dǎo)向組件的作用下,連接板可實現(xiàn)高精度的上下運(yùn)動。其中,焊槍組件固定在連接板上,連接板運(yùn)動時帶動焊槍進(jìn)行運(yùn)動。
圖7 驅(qū)動機(jī)構(gòu)圖
2.6 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計
導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要由為一固定架和線性滑軌組成,機(jī)構(gòu)組成如圖8所示。
圖8 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)圖
2.7 焊槍組件設(shè)計
焊槍一共有6個,均勻分布在連接板上。焊槍組件如圖9所示。由2.4節(jié)中描述可知,焊槍組件固定在焊槍升降機(jī)構(gòu)下方,二者通過螺栓固定在一起。上下料時,焊槍升降機(jī)構(gòu)縮回,焊槍組件內(nèi)氣缸也縮回;當(dāng)設(shè)備工作時,焊槍升降機(jī)構(gòu)先下降到合適位置,然后焊槍組件內(nèi)氣缸伸出,此時通過兩個機(jī)構(gòu)的組合運(yùn)動,可使焊槍運(yùn)動到硅鋼片待焊位置,此后即可開始焊接。焊槍組件機(jī)構(gòu)可實現(xiàn)焊槍的旋轉(zhuǎn)微調(diào),內(nèi)含氣缸,可實現(xiàn)焊接前后焊槍位置的改變,即焊接前焊槍退回,方便硅鋼片的進(jìn)出,焊接時焊槍靠近硅鋼片方便焊接。
圖9 焊槍組件示意圖
2.8 旋轉(zhuǎn)組件設(shè)計
旋轉(zhuǎn)組件主要由一個大缸徑擺動氣缸、兩個軸承組件以及對應(yīng)機(jī)加件組成。其中,擺動氣缸可提供旋轉(zhuǎn)時的動力,軸承組件可頂住托板,保證整個托板在旋轉(zhuǎn)時的平面度,結(jié)構(gòu)如圖10所示。
托板上含有兩套定位機(jī)構(gòu),兩套定位機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)組件一起使設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€兩工位的設(shè)備,可大大增加生產(chǎn)效率。
圖10 旋轉(zhuǎn)組件示意圖
(1)壓緊機(jī)構(gòu)采用大缸徑氣缸(直徑100 mm)作為動力源,將100片硅鋼片疊加在一起,可實現(xiàn)硅鋼片軸向壓緊的壓力大于4 000 N,保證焊接效果。
(2)焊槍升降機(jī)構(gòu)可保證焊槍能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(上下運(yùn)動);焊槍組件可實現(xiàn)焊接前后焊槍水平位置的往復(fù)運(yùn)動;對100片硅鋼片一次性完成多層疊加焊接,無需二次裝夾。配合自動化上下料機(jī)構(gòu)等,提高了設(shè)備系統(tǒng)的自動化程度,提高了生產(chǎn)效率。
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2016-11-21
河南省鄭州市科技發(fā)展計劃科技攻關(guān)項目(20140599)
TG454
李坤全,1976年出生,博士,副教授。主要從事機(jī)械設(shè)計研究。
邵鳳翔,1973年出生,碩士,講師。主要從事機(jī)械設(shè)計研究。