薛笑運 朱 海 沈鴻僑 孫 龍 孫金睿

(東北林業(yè)大學 機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

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實現裝配焊接的雙主軸摩擦焊機的研究

薛笑運 朱 海 沈鴻僑 孫 龍 孫金睿

(東北林業(yè)大學 機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

根據微型汽車傳動軸軸管叉焊接總成的相位精度和長度精度要求，結合摩擦焊工藝特征，研究設計了一種雙主軸相位摩擦焊機。該焊機可同時完成兩道焊縫，實現了軸管叉焊接總成的裝配焊接。通過小批量焊接試驗和對焊件的綜合考核，驗證了所設計制造的雙主軸相位摩擦焊機在實現軸管叉焊接總成裝配焊接的精度和穩(wěn)定性，既降低了成本又提高了效率。

雙主軸 相位摩擦焊 傳動軸 位移控制

0 序 言

摩擦焊是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ木G色無污染的焊接技術。它是利用焊接件接觸端面在相對旋轉運動中摩擦所產生的熱量，使接觸面及其附近區(qū)域金屬達到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，使處于高溫下的兩個被焊件接觸面之間的原子產生擴散和再結晶，從而完成焊接的固態(tài)焊接方法[1-2]。摩擦焊是一種先進的焊接技術，航天航空和傳統(tǒng)產業(yè)等領域都在開始采用[3-4]。一般的摩擦焊機主要實現兩個回轉體零件的連接，并不具備相位控制功能，而一些零件如汽車傳動軸管、車橋等具有相位控制要求，所以采用普通摩擦焊機無法達到零件的焊接要求，需要采用相位摩擦焊機[5-6]。目前的相位摩擦焊機主要采用單主軸形式，在傳統(tǒng)摩擦焊機上，采用直流電機或交流伺服電機控制主軸的角速度和角位移，實現摩擦焊接的相位控制。這種相位摩擦焊機適合有一道焊縫的零件，面對兩道焊縫并且有相位要求的零件時，就需要焊完一道焊縫后，將零件取下并調轉180°，再焊另一道，因此存在生產效率低，以及二次裝夾，影響相位定位精度的問題[7-10]。

汽車傳動軸是把發(fā)動機的動力傳遞到驅動輪的主要零部件。軸管叉焊接總成又是汽車傳動軸的重要部件，它是一根軸管分別和兩個焊接叉焊接而成的，要使傳動軸有良好的性能就必須提高軸管叉焊接總成的精度和強度并降低不平衡量[11]。軸管叉的焊接屬于裝配焊接，焊后無需進行機械加工，即必須在焊接過程中保證兩個焊接叉耳孔軸線的相位精度和長度精度。目前軸管叉焊接總成主要通過CO2氣體保護焊工藝完成，這種焊接方法不但需要填充焊絲，消耗CO2氣體，產生弧光，而且易產生氣孔和夾渣等焊接缺陷，降低成品率,因此不利于降低傳動軸生產成本。而摩擦焊工藝幾乎零耗材、質量穩(wěn)定、效率高，可以較好地得解決這個問題。

文中根據軸管叉焊接總成的結構特點和精度要求，結合摩擦焊工藝，設計了“雙主軸相位摩擦焊機”，可一次裝夾，同時完成兩道焊縫，在保證軸管叉裝配精度和質量的同時，實現了生產成本的降低和生產效率的提高。

1 總體方案及關鍵技術

微型汽車傳動軸軸管叉焊接總成是由加工好的兩個焊接叉和一根軸管分別焊接而成，屬于裝配焊接，即焊后兩個焊接叉耳孔軸線的長度和相位角度不再進行加工，其精度完全由焊接設備保證。相位精度要求兩個焊接叉耳孔軸線相位偏差小于1.2°；長度精度要求兩個叉耳孔軸線的距離偏差小于±0.5 mm。總成也要在1 800 N·m的靜扭矩作用下，保證焊縫不會裂開。

軸管叉焊接總成中的兩個焊接部位均為回轉體截面，為此，提出了采用雙主軸摩擦焊機方案。將兩個焊接叉置于兩個主軸內的旋轉夾具中，將軸管置于中間固定夾具內，兩個主軸相向運動，實現兩個焊接叉同時焊于軸管兩端。

該方案的實現有三個關鍵技術：①實現焊后兩個焊接叉耳孔軸線相位精度的機構;②保證左右兩個動力頭相向同步移動的方法;③保證焊接完成后零件長度精度的方法。

解決的方案是：①采用機械同步方式保證兩個焊接叉耳孔軸線相位精度。主電機通過傳動箱和花鍵軸帶動左右兩個可移動的主軸箱內的主軸同步旋轉，兩個主軸上的旋轉夾具分別固定好兩個焊接叉，初始相位用焊接叉耳孔和定位銷確定，在焊接過程中始終保證初始相位不變;②為實現同時完成兩個焊縫，必須實現兩個主軸箱的相向移動速度和作用在軸管兩端的壓力一致。分別作用在兩個主軸箱的左右兩個推力油缸由一組液壓閥供油，并且在兩個油缸油路上分別安裝可以調節(jié)主軸箱移動速度的調速閥，通過調節(jié)調速閥實現兩個主軸箱同步相向移動[12];③要保證焊接完成后零件的長度精度，除了要保證兩個主軸箱同步相向移動和兩個焊接叉與軸管接觸作為計算位移的零點外，必須設計專門的位移控制裝置。在傳動箱前面安裝彈性位移頂桿，兩個主軸箱上分別安裝一個固定頂桿，在一個固定頂桿前部內安裝接近開關[13]。位移頂桿可軸向移動，摩擦變形量是通過位移頂桿至接近開關的距離來確定其大小，總變形量的精度通過兩個固定頂桿與位移頂桿接觸，使兩個主軸箱均不能軸向移動來保證。總體方案如圖1所示。

圖1 雙主軸摩擦焊機總體方案

2 雙主軸相位摩擦焊機的設計

焊接叉焊接端面和軸管的直徑均為50 mm，壁厚為2.5 mm，根據總體方案，確定該相位摩擦焊機的主要參數為[14]：①最大頂鍛力40 kN；②主軸轉速1 000 r/min；③主電機功率22 kW；④工作節(jié)拍2件/分鐘。由此，進行了軸管叉雙主軸相位摩擦焊機的詳細設計，焊機由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。

2.1 機械系統(tǒng)結構設計

機械系統(tǒng)由左右兩個主軸箱、傳動箱、中間虎鉗夾緊機構、左右兩個推力油缸、主電機和床身等部分組成，其總體結構如圖2所示。機械系統(tǒng)設計的關鍵是保證兩個焊接叉耳孔軸線的相位精度和兩個主軸箱內的主軸旋轉時，能同步相向運動。為保證焊件的相位精度，首先，必須保證兩個焊接叉耳孔軸線的初始相位，通過焊接叉耳孔和定位銷與兩個旋轉夾具內定位錐面接觸保證兩個焊接叉耳孔軸線與總成軸線在同一平面內。然后，通過傳動箱內的齒輪副把動力傳遞到花鍵軸上，進而帶動左右兩個主軸箱內的兩對齒輪副旋轉，使兩根主軸上的左右旋轉夾具始終以相同相位同步旋轉。為實現兩個主軸旋轉的同時能同步相向運動，通過兩個主軸箱內的花鍵套分別與傳動箱的花鍵軸組成兩個花鍵副，同時左右兩個主軸箱在各自推力油缸的推力下沿著導軌相向同步移動，實現兩個焊接叉和固定在中間夾緊機構中的軸管摩擦焊接。

圖2 機械系統(tǒng)組成

傳動箱的設計是機械系統(tǒng)的核心部分，它由傳動軸、花鍵軸、一對齒輪副和兩個電磁離合器等組成。圖3為傳動箱結構。傳動箱控制左右兩個主軸同步旋轉和剎車。其中兩個電磁離合器的工作時序是保證傳動箱正確工作的關鍵[15]。主軸旋轉時，電磁離合器2先失電，然后電磁離合器1得電，通過齒輪副把主電機的動力傳遞到花鍵軸上，通過花鍵軸又把動力傳遞到左右兩個主軸箱內的齒輪副，帶動兩個主軸旋轉，實現兩個旋轉夾具在轉角和相位相同的情況下同步旋轉。當兩個主軸剎車時，電磁離合器1先失電，花鍵軸失去動力，然后電磁離合器2得電，主軸制動。

2.2 液壓系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)是摩擦焊機各施力機構的動力源，其主要作用是[16]：①實現左右主軸箱的同步運動和產生摩擦、頂鍛兩級壓力;②實現中間夾緊機構的夾緊或松開;③實現左右兩個主軸上的旋轉夾具夾緊或松開；④為傳動箱和主軸箱內的各軸承、齒輪副和電磁離合器等部件提供潤滑和冷卻。

圖3 傳動箱結構圖

液壓系統(tǒng)設計有四條油路，分別向推力油缸、中間虎鉗夾緊油缸和左右旋轉夾具油缸供油，每條油路上的壓力由各自的減壓閥調定。液壓泵采用雙聯(lián)葉片泵，提供系統(tǒng)壓力時用12 L/min的葉片泵，通過相應的電磁溢流閥可以把壓力控制在6.3 MPa，滿足各油路壓力的需要。在主軸箱空行程快速移動時用25 L/min的葉片泵，通過對應的電磁溢流閥可以把壓力調整到2.5 MPa左右。兩個電磁溢流閥可以防止雙聯(lián)葉片泵過載，又可以維持系統(tǒng)壓力，保證液壓系統(tǒng)的安全。

左右兩個主軸箱同步相向移動，是確保兩個軸管叉耳孔中心線的長度精度的關鍵之一。因此，在設計加壓油路時，左右兩個推力油缸必須由一組減壓閥統(tǒng)一供油，以保證兩個油缸壓力一致，同時，每個推力油缸供油支路上都設計有電磁單向調速閥，用于調節(jié)左右主軸箱的工進和快進的速度，使它們可以保持同樣的速度相向移動。

2.3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主要包括：操作面板、PLC、繼電器組、霍爾傳感器、接近開關、傳感器輸入光電隔離板、交流接觸器、開關電源、空氣開關、變壓器等部件[17]。

控制系統(tǒng)既可以實現焊機的分部手動操作，又可以實現焊接程序自動循環(huán)。自動焊接時，由PLC發(fā)出一系列指令，控制液壓站上的各液壓閥，使焊機上的各執(zhí)行機構依次動作，實現焊接過程按規(guī)定的程序自動完成。自動循環(huán)程序流程圖如圖4所示?？刂瞥绦蛑械暮诵氖谴_定摩擦變形量的起始零點和摩擦變形量的確定，這是保證工件長度精度的關鍵之一。PLC 發(fā)出指令，左右主軸箱先以二級壓力同步快進t1時間轉一級壓力工進t2時間，使左右軸管叉與中間軸管接觸，主軸箱前進停，即加壓油路中的電磁換向閥處于中間位置，這是計算摩擦變形量的起始零點。然后主軸轉，經過t3時間，主軸旋轉穩(wěn)定。主軸箱以一級壓力工進開始摩擦加熱，當總摩擦變形量S1達到設定值后，程序發(fā)出頂鍛信號，主軸剎車制動，同時左右主軸箱以二級壓力快速前進，實施頂鍛焊接?？偰Σ磷冃瘟縎1的大小是當軸管叉與中間軸管接觸時，由位移頂桿和固定頂桿前端內的接近開關之間的距離來確定。

圖4 自動循環(huán)程序流程圖

3 雙主軸摩擦焊機工作性能驗證

為驗證所設計制造的雙主軸相位摩擦焊機在實現微型汽車傳動軸軸管叉焊接總成裝配焊接的精度和穩(wěn)定性，進行了小批量焊接試驗，如圖5～6所示。軸管叉材料ZG310-570，軸管材質為20鋼，長度600 mm，焊接面經過機械加工，保證無油污和銹蝕。毛坯長度和壁厚應控制在合理的公差內。主要工藝參數為：一級摩擦壓力設定為1.5 MPa，二級頂鍛壓力設定為3.4MPa，主軸箱以二級壓力同步快進時間t1=4 s，主軸箱以一級壓力同步工進時間t2=2 s，主軸轉至轉速穩(wěn)定時間t3=3.5 s，頂鍛保持時間t4=2 s，摩擦變形量S1=12 mm。主軸剎車延時時間t5=0.3 s。

采用自動循環(huán)方式進行了500根軸管叉焊接總成的摩擦焊接，通過對焊件進行精度、扭轉和生產節(jié)拍等綜合考核，結果為：

(1)焊件兩個焊接叉耳孔軸線相位偏差在0.8°～1.1°范圍內，滿足≤1.2°的產品要求。

(2)其中497根焊件兩個焊接叉耳孔軸線的長度偏差≤±0.5 mm。長度合格率為99.4%。滿足生產要求。

(3)焊接完成的軸管叉均能夠承受1 800 N·m的靜扭矩。

(4)焊接生產節(jié)拍小于2件/分。

圖5 焊機工作現場

圖6 完成的焊件

4 結 論

(1)根據微型汽車傳動軸軸管叉焊接總成的零件結構特點和精度要求，結合摩擦焊工藝特征，設計完成了雙主軸相位摩擦焊機。該焊機在保證傳動軸相位精度、長度精度和質量的前提下，可同時完成兩道焊縫的焊接，實現軸管叉裝配焊接，既節(jié)約了成本又提高了效率。

(2)通過小批量焊接試驗和對焊件進行精度、扭轉等綜合考核，兩個焊接叉耳孔軸線相位偏差全部滿足≤1.2°的產品要求，兩個焊接叉耳孔軸線的長度合格率為99.4%，滿足生產要求。焊接完成的軸管叉均能夠承受1 800 N·m的靜扭矩。驗證了所設計制造的雙主軸相位摩擦焊機滿足生產微型汽車傳動軸軸管叉焊接總成的要求，可用于批量生產。

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2017-03-29

TG439.8

薛笑運，1990年出生，碩士。主要研究方向為雙頭相位摩擦焊機的機構設計、仿真及優(yōu)化。