王長(zhǎng)仁,聶春戈,楊占峰

(1 北京二七軌道交通裝備有限責(zé)任公司,北京100072;2 大連交通大學(xué)機(jī)械工程研究所,遼寧大連116022;3 西安高大機(jī)電有限公司,陜西西安710061)

焊接加工以其高效、便捷、靈活的特點(diǎn),成為現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)重要的制造手段之一。如何控制與焊接加工過(guò)程相伴隨的焊接變形或出現(xiàn)焊接變形如何進(jìn)行矯正是焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在機(jī)車(chē)車(chē)輛制造行業(yè)內(nèi),轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的焊接變形,因其直接影響后續(xù)加工工序保留的加工余量大小,各機(jī)車(chē)制造廠都十分重視構(gòu)架焊接變形的控制與矯正工作。

1 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及其單梁焊接變形的基本形式

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架的骨架,用以承載轉(zhuǎn)向架各組成部分及力的傳遞,保持輪軸在轉(zhuǎn)向架內(nèi)的相對(duì)位置。目前,各機(jī)車(chē)制造廠生產(chǎn)的機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架都是由等截面或變截面的箱型單梁拼接而成的“日”字型或“目”字型框架結(jié)構(gòu)。

構(gòu)架縱向的左、右側(cè)梁多為等截面箱型單梁,左、右側(cè)梁焊接變型的主要形式是撓曲和扭曲,因側(cè)梁尺寸較大,撓曲和扭曲變形量也相對(duì)較大,會(huì)影響到后續(xù)的組裝工序,需要通過(guò)矯正或采取其他工藝措施,使其變形量控制在不影響組裝要求的范圍內(nèi)。

構(gòu)架整體焊接變形是因單梁焊接變形的非線性疊加和單梁之間通過(guò)焊接連接形成構(gòu)架整體的焊接變形導(dǎo)致的,其主要表現(xiàn)形式是四角高度值超差。構(gòu)架整體焊接完成后,無(wú)論是斜對(duì)稱式扭翹,還是任意一角翹起或下塌,根據(jù)幾何學(xué)3點(diǎn)共面原理,構(gòu)架整體焊接變形在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x上,最終表現(xiàn)為其中一點(diǎn)與另外3點(diǎn)不共面,3個(gè)共面點(diǎn)與另外1點(diǎn)之間的高度差值,日常工藝上稱之為四角高度差。

2 專用油壓機(jī)投入使用前解決構(gòu)架及單梁焊接變形的方式

構(gòu)架側(cè)梁撓曲是最常見(jiàn)的焊接變形,一般采用通用油壓機(jī)對(duì)其進(jìn)行矯正。用油壓機(jī)矯正焊接變形,屬于彈塑性力學(xué)行為,包含一個(gè)完整的加載和卸載過(guò)程。在加載過(guò)程中,構(gòu)架側(cè)梁將發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形,當(dāng)完全卸載后,構(gòu)架側(cè)梁由于塑性變形的發(fā)生而存在殘余變形,該殘余變形與構(gòu)架側(cè)梁的初始變形在一定程度上相抵消,從而達(dá)到矯正的目的。對(duì)于上、下蓋板及立板厚度小于16 mm,箱型梁截面積小于800 dm2的構(gòu)架側(cè)梁,在側(cè)梁兩端下面加兩個(gè)墊鐵,形成簡(jiǎn)支梁,用壓力小于20 t的通用油壓機(jī)對(duì)側(cè)梁中心部位施壓,即可完成側(cè)梁的撓曲矯正。

側(cè)梁的扭曲焊接變形也非常普遍,因缺少專用工藝裝備,對(duì)扭曲焊接變形無(wú)法采取矯正措施。為消除因扭曲焊接變形對(duì)組裝尺寸的影響,工藝上采用在側(cè)梁內(nèi)側(cè)增加厚度足夠大的補(bǔ)板,側(cè)梁組焊完成后通過(guò)對(duì)內(nèi)側(cè)補(bǔ)板及上、下蓋板的加工,消除因扭曲變形造成的尺寸偏差,確保各單梁之間的組裝接口尺寸符合組裝要求。

專用油壓機(jī)投入使用之前,構(gòu)架整體焊接變形導(dǎo)致四角高度超差較大時(shí),其矯正主要依靠火焰矯正來(lái)完成。火焰矯正因受加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱面積、加熱位置多種因素影響,矯正前后變形值控制難度大,使得火焰矯正僅適用于個(gè)別變形值大的構(gòu)架的矯正,無(wú)法作為一道必不可少的工序?qū)λ写嬖谡w焊接變形的構(gòu)架進(jìn)行矯正。為盡量減少使用火焰矯正,在日常的工藝過(guò)程中,通常采取放寬焊接變形量的方式,比如允許四角高度差不大于5 mm的構(gòu)架未經(jīng)矯正,直接進(jìn)入加工工序。為使后續(xù)的加工工序不受構(gòu)架整體焊接變形的影響,對(duì)構(gòu)架上的加工部位一般預(yù)留構(gòu)架整體焊接變形量2倍的加工工藝余量,確保加工部位有足夠的加工量。按照這樣的方式制定的工藝流程雖然減少了火焰矯正的量,但卻加大了后續(xù)加工的量,降低了加工效率。

3 采用油壓機(jī)矯正構(gòu)架整體及單梁的焊接變形

油壓機(jī)矯正焊接變形,具有效率高、變形量可控、構(gòu)件表面質(zhì)量影響小等優(yōu)勢(shì),但不同類型焊接變形要求油壓機(jī)具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)構(gòu)架及單梁焊接變形的分析、整理與合并,應(yīng)用非線性有限元分析通用軟件MSC.MARC對(duì)矯正過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了在給定變形條件下,矯正構(gòu)架及單梁焊接變形時(shí)需要施加壓力的大小、約束條件及矯正過(guò)程其他相關(guān)力學(xué)特征。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,委托壓力機(jī)制造廠,設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)雙龍門(mén)移動(dòng)式油壓機(jī),使機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體焊接變形、構(gòu)架側(cè)梁撓曲及扭曲變形的矯正集中在該設(shè)備上完成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙龍門(mén)移動(dòng)式油壓機(jī)

構(gòu)架側(cè)梁的撓曲焊接變形,在側(cè)梁兩端的下面加兩個(gè)墊鐵形成簡(jiǎn)支梁,用雙龍門(mén)移動(dòng)式油壓機(jī)上的任何一個(gè)壓頭對(duì)側(cè)梁中間部位施壓,即可完成側(cè)梁的撓曲矯正。

側(cè)梁的扭曲焊接變形超差時(shí),采用圖2的方式,將側(cè)梁夾在專用的調(diào)扭變形夾具上,用一個(gè)龍門(mén)上的壓頭,將調(diào)扭變形夾具及側(cè)梁固定,用另一個(gè)龍門(mén)上的壓頭以斜對(duì)稱形式,對(duì)裝夾側(cè)梁的調(diào)扭變形夾具施壓,即可完成側(cè)梁扭曲變形的矯正。

圖2 側(cè)梁調(diào)修示意圖

構(gòu)架整體焊接變形的矯正,實(shí)際就是消除超差的四角高度差。將構(gòu)架置于雙龍門(mén)移動(dòng)式油壓機(jī)的工作臺(tái)上,其中3個(gè)共面點(diǎn)與側(cè)梁中間點(diǎn)置于等高的工藝墊鐵之上,相對(duì)3個(gè)共面點(diǎn)翹起的點(diǎn)處于懸空狀態(tài)。用雙龍門(mén)上的3個(gè)壓頭將3個(gè)共面點(diǎn)固定在工藝墊鐵上,固定壓力大于50 kN。另一壓頭對(duì)翹起點(diǎn)施壓,即可完成構(gòu)架整體焊接變形的矯正。

上述工序加入到正常的工藝流程中后,對(duì)于控制構(gòu)架及單梁的焊接變形起到了很好的作用。構(gòu)架側(cè)梁扭曲變形控制在2 mm之內(nèi)后,取消了側(cè)梁內(nèi)側(cè)補(bǔ)板及上、下蓋板的加工工序。構(gòu)架整體焊接變形控制在2 mm之內(nèi),得以大幅度縮小構(gòu)架加工部位預(yù)留的加工工藝余量值,提高了構(gòu)架整體的機(jī)械加工效率。

4 結(jié)論

(1)在一臺(tái)雙龍門(mén)雙壓頭移動(dòng)式油壓機(jī)上,可以同時(shí)完成轉(zhuǎn)向架構(gòu)架整體焊接變形、構(gòu)架側(cè)梁撓曲及扭曲變形的矯正工作;

(2)通過(guò)采用雙龍門(mén)雙壓頭移動(dòng)式油壓機(jī)矯正焊接變形,可以方便、快捷的將構(gòu)架整體焊接變形、構(gòu)架側(cè)梁撓曲及扭曲變形控制在2 mm之內(nèi);

(3)構(gòu)架整體焊接變形控制在2 mm之內(nèi),得以大幅度縮小構(gòu)架加工部位預(yù)留的加工工藝余量值,提高了構(gòu)架整體的機(jī)械加工效率;構(gòu)架側(cè)梁扭曲變形控制在2 mm內(nèi)后,取消了側(cè)梁內(nèi)側(cè)補(bǔ)板及上、下蓋板的加工工序。