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(jì)

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(duì)圓形硅鋼片多層焊接，采用氬弧焊機(jī)作為熱源設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)機(jī)加件組成，自動(dòng)實(shí)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(shí)壓緊機(jī)構(gòu)可實(shí)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(jì) 功能組件

0 序 言

焊接技術(shù)在機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造生產(chǎn)過(guò)程中，起到了非常重要的作用[1-3]。根據(jù)實(shí)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(dú)特的特點(diǎn)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(jiǎn)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(shí)效，這種材料主要用來(lái)制作各種變壓器、電動(dòng)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(guò)提高設(shè)備的自動(dòng)化水平，對(duì)系統(tǒng)或者部件進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，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(shí)際需求，設(shè)計(jì)整套氬弧焊接生產(chǎn)系統(tǒng)，并對(duì)各個(gè)部件功能進(jìn)行描述。

1 焊接要求及設(shè)備的整體設(shè)計(jì)

1.1 圓鋼片產(chǎn)品及焊接要求

待焊產(chǎn)品為某電動(dòng)機(jī)內(nèi)的鐵芯，材質(zhì)為硅鋼片，一般鐵芯主要由多個(gè)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(jì)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(shí)需對(duì)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(shí)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(duì)其進(jìn)行破壞性測(cè)試和導(dǎo)磁測(cè)試，檢驗(yàn)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(jì)

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(duì)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(diǎn)，文中設(shè)計(jì)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(jì)成雙工位焊接，采用人工上下料，自動(dòng)壓緊，在完成對(duì)硅鋼片的壓緊和定位以后，焊槍升降機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，同時(shí)焊槍開(kāi)始焊接，機(jī)構(gòu)一起聯(lián)動(dòng)，最終完成對(duì)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 功能組件設(shè)計(jì)

2.1 功能組件總體功能

功能組件主要用于實(shí)現(xiàn)硅鋼片的定位、壓緊、焊接和上下料四項(xiàng)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(duì)應(yīng)機(jī)加件組成。其中，定位機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)硅鋼片的定位和徑向夾緊；壓緊機(jī)構(gòu)可實(shí)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(gè)雙工位機(jī)構(gòu)，增加設(shè)備稼動(dòng)率，減少人工上下料的等待時(shí)間，即焊接的同時(shí)可以進(jìn)行上下料。

2.2 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

定位機(jī)構(gòu)主要由氣缸、定位塊1、定位塊2、直線運(yùn)動(dòng)副以及對(duì)應(yīng)機(jī)加件組成。其中，定位塊1處于活動(dòng)狀態(tài)，定位塊2則處于固定狀態(tài)。直線運(yùn)動(dòng)副共有4個(gè)，每個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副內(nèi)均有一個(gè)復(fù)位彈簧，4個(gè)直線運(yùn)動(dòng)副和定位塊1連接在一起，可隨著直線運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；自然狀態(tài)下，定位塊1處于松開(kāi)狀態(tài)，即此時(shí)定位塊遠(yuǎn)離定位塊2，焊接時(shí)，氣缸伸出，在直線運(yùn)動(dòng)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(jì)，人工硅鋼片放入后，即可實(shí)現(xiàn)初步的定位，后經(jīng)氣缸壓緊，定位塊1可對(duì)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(jì)

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(kāi)始對(duì)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(dòng)(運(yùn)動(dòng)時(shí)有直線運(yùn)動(dòng)副導(dǎo)向)，然后上部分開(kāi)始下壓，最終完成對(duì)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(jì)

焊槍升降機(jī)構(gòu)為文中設(shè)計(jì)的核心機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)為一個(gè)同步帶傳動(dòng)和滾珠絲桿傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)機(jī)加件組成。其中驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為整個(gè)焊槍升降機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力；導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可保證焊槍能夠?qū)崿F(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)(上下運(yùn)動(dòng))；焊槍組件可實(shí)現(xiàn)焊接前后焊槍水平位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；連接板起過(guò)渡作用，將導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、焊槍和驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)伺服電機(jī)、兩個(gè)滾珠絲桿組件、三個(gè)同步輪、一個(gè)惰輪組件和一根同步帶組成。

驅(qū)動(dòng)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(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng))。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(dòng)時(shí)，同步帶將運(yùn)動(dòng)傳遞給惰輪組件和兩個(gè)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(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)時(shí)，同步輪驅(qū)動(dòng)同步帶，同步帶又驅(qū)動(dòng)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(shí)兩個(gè)滾珠絲桿組件內(nèi)的螺母也開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)在導(dǎo)向組件的作用下，連接板可實(shí)現(xiàn)高精度的上下運(yùn)動(dòng)。其中，焊槍組件固定在連接板上，連接板運(yùn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)焊槍進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

圖7 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

2.6 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)

焊槍一共有6個(gè)，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(guò)螺栓固定在一起。上下料時(shí)，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(shí)，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(shí)通過(guò)兩個(gè)機(jī)構(gòu)的組合運(yùn)動(dòng)，可使焊槍運(yùn)動(dòng)到硅鋼片待焊位置，此后即可開(kāi)始焊接。焊槍組件機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)焊槍的旋轉(zhuǎn)微調(diào)，內(nèi)含氣缸，可實(shí)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(shí)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(jì)

旋轉(zhuǎn)組件主要由一個(gè)大缸徑擺動(dòng)氣缸、兩個(gè)軸承組件以及對(duì)應(yīng)機(jī)加件組成。其中，擺動(dòng)氣缸可提供旋轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)力，軸承組件可頂住托板，保證整個(gè)托板在旋轉(zhuǎn)時(shí)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€(gè)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

3 結(jié) 論

(1)壓緊機(jī)構(gòu)采用大缸徑氣缸(直徑100 mm)作為動(dòng)力源，將100片硅鋼片疊加在一起，可實(shí)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(dòng)(上下運(yùn)動(dòng))；焊槍組件可實(shí)現(xiàn)焊接前后焊槍水平位置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；對(duì)100片硅鋼片一次性完成多層疊加焊接，無(wú)需二次裝夾。配合自動(dòng)化上下料機(jī)構(gòu)等，提高了設(shè)備系統(tǒng)的自動(dòng)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(jì)劃科技攻關(guān)項(xiàng)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(jì)研究。

邵鳳翔，1973年出生，碩士,講師。主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)研究。