不銹鋼城鐵車牽引梁組焊焊接夾具設(shè)計

蘇東楠 郝 芯 孫曉光 張 巖 陶希家

（1.長春電子科技學(xué)院，吉林長春 130000；2.長春中車長客模具有限公司，吉林長春 130000）

0 引言

在我國城鐵車開發(fā)和生產(chǎn)過程中，焊接工藝、總裝工藝和涂裝工藝是關(guān)鍵的核心內(nèi)容。在不銹鋼城鐵車牽引梁焊接過程中，焊接質(zhì)量直接關(guān)系到不銹鋼城鐵車牽引梁的形狀、精度和尺寸。因此，在不銹鋼城鐵車牽引梁組焊制造過程中，只有有效地控制組焊夾具的質(zhì)量和精度，才能保證不銹鋼城鐵車牽引梁的制造質(zhì)量、最終精度，并實現(xiàn)對不銹鋼城鐵車牽引梁生產(chǎn)周期的控制。

1 牽引梁焊接

1.1 牽引梁結(jié)構(gòu)介紹

車體鋼結(jié)構(gòu)是列車的一個重要組成部分，而牽引梁是車體鋼結(jié)構(gòu)的重要組成部分，要求必須具備必要的強度、剛度，以實現(xiàn)舒適、安全的運輸，達到正常服務(wù)運營的目的。在車體運行過程中，牽引梁不但要把牽引力和制動力傳遞給車鉤，而且還要承受各種設(shè)備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力，因此，牽引梁必須具有足夠的強度和剛度，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證列車運行的安全性和平穩(wěn)性。

牽引梁主要是由鋼板組焊而成，由牽引梁（左/右）、牽引梁補強板（左/右）、地板梁、牽引梁下蓋板、補強板等組成，其材質(zhì)主要為Q345、高強鋼、不銹鋼等，材質(zhì)厚度為6～12 mm，車鉤座通過鉚接方式連接到牽引梁上。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

牽引梁產(chǎn)品質(zhì)量要求：牽引梁上平面度2 mm/3 mm，地板梁間距尺寸±1 mm，車鉤座距離牽引梁尾部（1 995±2）mm，車鉤座與牽引梁上平面距離公差≤3 mm，焊接質(zhì)量滿足ISO 13920中BF級。

1.2 車鉤座組對

車鉤座是列車車廂連接的重要部件，產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接影響行車安全。其材質(zhì)為鑄鋼，制造工藝為鑄造，通過機械加工保證后續(xù)裝配尺寸要求。車鉤座相對車體位置是最為重要的，其直接影響兩節(jié)車車鉤連接高度以及兩節(jié)車之間的距離。在組對過程中，首先要保證車鉤座相對于車體上平面距離，技術(shù)要求≤3 mm，車鉤安裝孔距離牽引梁尾部公差≤2 mm，然后將車鉤座段焊在牽引梁上保證相對位置。

1.3 牽引梁整體組對焊接

對于地鐵列車來說，車體鋼結(jié)構(gòu)是必不可少的結(jié)構(gòu)，而牽引梁是車體梁的重要結(jié)構(gòu)。牽引梁與車鉤座通過鉚接進行連接，在牽引梁組對過程中，車鉤座與牽引梁的相對位置對整個不銹鋼車體是至關(guān)重要的。在車鉤座固定后，調(diào)整車鉤座螺栓孔與牽引梁尾部的距離，保證公差在（+2，0）mm范圍內(nèi)，這樣才能保證后續(xù)整個不銹鋼車體一位端和二位端車鉤座的距離。在確定好車鉤座與牽引梁相對位置后，使用焊接方式將車鉤座與牽引梁點固，保證其相對位置。根據(jù)牽引梁及車鉤座的定位，組對地板梁時，保證公差在±0.5 mm范圍內(nèi)。組對牽引梁與牽引梁下蓋板時，牽引梁和牽引梁下蓋板不是平面貼合，由于料件制造的公差，牽引梁與牽引梁下蓋板存在組對間隙，按照焊接要求，其兩板間隙要求≤0.5 mm，所以需要壓緊裝置保證兩板貼合，才能保證焊接質(zhì)量。所有料件組對好后進行復(fù)尺檢驗，并檢查相關(guān)壓緊是否可靠，確認(rèn)無誤后方可進行焊接工作。

牽引梁組焊采用二氧化碳氣體保護焊的焊接方式，采用半機械化焊接，過程操作方便，沒有熔渣或熔渣很少，焊后基本上不需要清渣，具有焊接效率高、焊接速度較快、熔池較小、熱影響區(qū)窄、焊件焊后變形小等優(yōu)點。

牽引梁組焊主要為多層多道焊接，焊接工作量較大，總焊接熱輸入大，焊接變形不易控制。同時焊接位置較多，焊接難度各不相同，無法在固定位置上實現(xiàn)所有焊縫的焊接工作，需要一種工藝裝備將焊接可達性不好的焊縫通過轉(zhuǎn)換焊接位置，實現(xiàn)簡易操作。同時焊縫中存在塞焊，在牽引梁反裝時焊縫處于豎直狀態(tài)，焊接難度超高，焊縫熔合性差，需要將牽引梁旋轉(zhuǎn)90°使塞焊焊縫處于水平位置（PA），才能保證最佳位置施焊。

在牽引梁與牽引梁下蓋板焊接時，焊腳大，焊接熱輸入大，對牽引梁下蓋板和牽引梁的壓緊裝置要求強度和剛度極高，同時由于牽引梁反裝時需要增加反變形，所以對牽引梁兩端的壓緊裝置的壓緊力要求大，需要克服牽引梁整體剛度和強度，才能達到反變形的要求。

2 夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工裝設(shè)計目的及思路

根據(jù)牽引梁產(chǎn)品類型，設(shè)計一種B型不銹鋼車體牽引梁組焊夾具，夾具應(yīng)適用于不同B型不銹鋼車體牽引梁的組對焊接。針對這個設(shè)計目標(biāo)進行研究，該牽引梁是碳鋼結(jié)構(gòu)，零件是由鋼板折彎成型，并帶有焊接坡口，在牽引梁焊接過程中，因為焊接母材在一定方向上熱輸入程度不同，焊接應(yīng)力方向也有所不同，進而引起母材在不同方向上的尺寸變化各不相同，要控制這些由焊接熱輸入引起的變形，就需要設(shè)計專用工裝，使用剛性固定控制、反變形手段保證這些變形得到控制。同時牽引梁焊接時，焊縫位置情況復(fù)雜，需設(shè)計可翻轉(zhuǎn)的工裝，結(jié)合焊接變位機，把焊縫位置變成PA、PB，使位置復(fù)雜的焊縫變成簡單易施焊的位置，進而降低焊接難度，也降低對焊接操作人員的技能要求，提高效率，降低勞動強度。

2.2 夾具設(shè)計

工裝夾具整體安裝至旋轉(zhuǎn)變位機上，主要由連接法蘭、結(jié)構(gòu)主體、壓緊裝置、限位裝置、過渡裝置等結(jié)構(gòu)組成。焊接夾具主體采用方鋼管、鋼板組焊而成，材料主要為Q235、Q345，焊接性能優(yōu)良，強度較為優(yōu)越；絲桿壓緊裝置采用45#鋼，加工后進行時效處理。組焊夾具的夾緊方式為絲桿，連續(xù)傳動效果好，裝配后要求夾具整體平面度≤1 mm，定位塊誤差≤0.5 mm，車鉤安裝座面距離夾具整體平面的高度為60mm。夾具整體結(jié)構(gòu)及工件裝夾情況如圖2所示。

牽引梁夾具主體結(jié)構(gòu)：主體結(jié)構(gòu)由方鋼管及鋼板組焊而成，鋼管壁厚8 mm，鋼板厚度30 mm，焊接完成后進行整體加工，保證平面度≤0.5 mm。主體結(jié)構(gòu)中增加相關(guān)筋板，保證整體結(jié)構(gòu)強度。同時主體上平面增加定位塊及車鉤座限位裝置，保證車鉤座距離平臺上平面60mm。主體兩端焊接法蘭盤，用于連接旋轉(zhuǎn)變位機，用于工裝夾具整體翻轉(zhuǎn)，保證焊縫處于平焊或者平角焊位置。

壓緊限位結(jié)構(gòu)：工裝夾具壓緊結(jié)構(gòu)采用龍門式，主要考慮到龍門結(jié)構(gòu)壓緊力大，操作方便，拆卸簡單。將龍門結(jié)構(gòu)壓緊焊接在主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)，位置近似工裝整體3/5處，考慮到后續(xù)換型方便，采用斷續(xù)焊接方式。

連接法蘭設(shè)計：連接法蘭是連接翻轉(zhuǎn)變位機與工裝的過渡裝置，要求保證裝配孔與翻轉(zhuǎn)變位機安裝可以調(diào)節(jié)，故將安裝法蘭盤安裝孔間距設(shè)計為120 mm，上下可以調(diào)節(jié)；寬度方向上設(shè)計為600 mm，固定尺寸。鋼板采用Q345，厚度30 mm，機加工后厚度保證不低于25 mm。采用加強筋結(jié)構(gòu)保證夾具整體強度。

側(cè)定位夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計：工裝采用兩面使用結(jié)構(gòu)，保證工裝回轉(zhuǎn)中心與變位機回轉(zhuǎn)中心重合，減小因工裝翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生慣性帶來的危險。夾緊結(jié)構(gòu)采用銷孔定位，在牽引梁吊裝完成后，將夾緊裝置用銷子定位后螺旋夾緊，實現(xiàn)裝夾快捷方便。

龍門式壓緊結(jié)構(gòu)設(shè)計：該結(jié)構(gòu)是整個牽引梁組焊夾具的重要組成部分，與牽引梁夾具主體共同保證牽引梁上平面的重要結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在剛度和強度上要求較高，龍門采用板厚30 mm的Q345鋼板與Tr36以上的絲桿組成。頭尾各一套龍門結(jié)構(gòu)，每套龍門上有兩個壓緊裝置，在結(jié)構(gòu)上能夠?qū)ΨQ，從而保證壓緊力均勻，使?fàn)恳悍囱b時上平面與牽引梁夾具主體貼合嚴(yán)緊，保證平面度要求。

工裝放長量的確定：牽引梁由于焊接變形收縮，需在焊接前調(diào)整料件組對間隙，保證焊接收縮后符合圖紙尺寸要求。按照焊接產(chǎn)品放長量一般設(shè)定原則，工裝長度放長量為3 mm，寬度方向上放長量為1 mm。在長度放長量上，需要將其均分到每個定位塊上，每相鄰兩個地板梁的定位尺寸增加0.5 mm。

2.3 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中心計算

平臺作業(yè)單元主要由作業(yè)平臺和翻轉(zhuǎn)裝置組成，用于牽引梁的組裝作業(yè)，通過翻轉(zhuǎn)裝置與翻轉(zhuǎn)支撐單元連接。牽引梁焊接時依靠翻轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，平臺作業(yè)單元設(shè)計時，要計算牽引梁重心、平臺作業(yè)單元重心，計算公式如下：

式中：x、y、z為牽引梁及平臺作業(yè)單元組合體在x、y、z軸上的重心坐標(biāo)（mm）；x、y、z為牽引梁及平臺作業(yè)單元各零件在x、y、z軸上的重心坐標(biāo)（mm）；W為牽引梁及平臺作業(yè)單元組合體的總質(zhì)量（kg）；W為牽引梁及平臺作業(yè)單元各零件的單體質(zhì)量（kg）。

將牽引梁及平臺作業(yè)單元各零件質(zhì)量及設(shè)計幾何坐標(biāo)代入上式，求解得出的“牽引梁及平臺作業(yè)單元組合體在x、y、z軸上的重心坐標(biāo)”與x、y、z軸上的重心坐標(biāo)重合，使翻轉(zhuǎn)過程的轉(zhuǎn)矩值降至最小，以便設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

3 工裝的使用

工裝整體裝載在雙立柱變位機上，變位機可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、升降功能的點動、聯(lián)動、自鎖功能，可實現(xiàn)±30°、±45°、±60°、±90°等多角度翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)牽引梁焊縫的平位置焊接，一般載重規(guī)格選用5 t即可滿足使用要求。工裝通過螺栓連接到變位機卡盤上，焊接夾具在使用時處于水平狀態(tài)，將車鉤座吊裝在焊接夾具車鉤座定位面上，保證車鉤座與裝配面貼合；吊裝兩個牽引梁及預(yù)置地板梁，以牽引梁夾具主體尾部擋板為定位基準(zhǔn)，并與水平方向上定位塊貼緊，然后用側(cè)頂緊將牽引梁固定，調(diào)整車鉤座與牽引梁尾部距離，確認(rèn)無誤后點固車鉤座，對兩牽引梁內(nèi)側(cè)距離進行復(fù)查，確認(rèn)無誤后進行牽引梁與地板梁的焊接；焊接完成后，組對牽引梁下蓋板，使用龍門式壓緊結(jié)構(gòu)將牽引梁下蓋板與牽引梁貼合，擰緊絲桿。焊接牽引梁下蓋板與牽引梁的平焊縫后，使用變位機將焊接夾具整體順時針翻轉(zhuǎn)90°，將立焊縫轉(zhuǎn)換成平焊縫，利于焊接。同理完成另一側(cè)的焊接。

4 結(jié)語

通過對夾具整體結(jié)構(gòu)的驗證，夾具主體整體平面為0.6 mm，定位塊整體定位誤差≤0.5 mm，車鉤座高度58 mm，各絲桿、壓緊裝置靈活可靠，整體滿足設(shè)計及工藝要求。在對牽引梁產(chǎn)品檢驗過程中，牽引梁上平面平面度檢測為2 mm/3 mm，地板梁間距誤差為0.5 mm，車鉤座距離牽引梁尾部距離為1 997 mm，符合產(chǎn)品技術(shù)要求。該結(jié)構(gòu)牽引梁組焊夾具已經(jīng)在不銹鋼城鐵車牽引梁焊接上得到應(yīng)用，滿足B型不銹鋼城鐵車的通用化需求，焊接夾具適用于組對和焊接，能夠?qū)崿F(xiàn)工件的翻轉(zhuǎn)，對生產(chǎn)效率的提升及產(chǎn)品質(zhì)量的保證發(fā)揮了重要作用。